DE102008020874B4 - Flow or vortex sensor - Google Patents

Flow or vortex sensor Download PDF

Info

Publication number
DE102008020874B4
DE102008020874B4 DE200810020874 DE102008020874A DE102008020874B4 DE 102008020874 B4 DE102008020874 B4 DE 102008020874B4 DE 200810020874 DE200810020874 DE 200810020874 DE 102008020874 A DE102008020874 A DE 102008020874A DE 102008020874 B4 DE102008020874 B4 DE 102008020874B4
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
flow
wire
hot
vortex
hot wire
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
DE200810020874
Other languages
German (de)
Other versions
DE102008020874A1 (en
Inventor
Karin Dr. Dipl.-Phys. Bauer
Thrassos Prof. Dr. Panidis
Ulrich Dr. rer.nat. Schmid
Helmut Prof. Dr. Dipl.-Phys. Seidel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Airbus Defence and Space GmbH
Original Assignee
EADS Deutschland GmbH
University of Patras
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by EADS Deutschland GmbH, University of Patras filed Critical EADS Deutschland GmbH
Priority to DE200810020874 priority Critical patent/DE102008020874B4/en
Publication of DE102008020874A1 publication Critical patent/DE102008020874A1/en
Application granted granted Critical
Publication of DE102008020874B4 publication Critical patent/DE102008020874B4/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/10Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring thermal variables
    • G01P5/12Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring thermal variables using variation of resistance of a heated conductor
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G01F1/684Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
    • G01F1/6845Micromachined devices
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G01F1/684Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
    • G01F1/688Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow using a particular type of heating, cooling or sensing element
    • G01F1/69Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow using a particular type of heating, cooling or sensing element of resistive type
    • G01F1/692Thin-film arrangements
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P13/00Indicating or recording presence, absence, or direction, of movement
    • G01P13/02Indicating direction only, e.g. by weather vane
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/001Full-field flow measurement, e.g. determining flow velocity and direction in a whole region at the same time, flow visualisation

Abstract

Strömungs- oder Wirbelmessfühler (12) mit einem ersten auf einem Substrat (20) mikrogefertigten Hitzdrahtsensorelement (10) zum Messen einer ersten Komponente eines Strömungs- oder Wirbelfeldes eines Fluids,
und wenigstens einem zweiten auf einem Substrat (20) mikrogefertigten Hitzdrahtsensorelement (36), welches in einem festen Winkel zum ersten Hitzdrahtsensorelement (10) angeordnet ist, um wenigstens eine zur ersten Komponente unterschiedliche zweite Komponente des Strömungs- oder Wirbelfeldes zu messen,
dadurch gekennzeichnet,
dass jedes mikrogefertigte Hitzdrahtsensorelement (10, 36, 38, 40) von einem Basiskörper (18) des Substrats (20) vorstehende längliche Vorsprünge (24, 25) oder Stifte hat, wobei zwischen einem Endbereich eines ersten Vorsprungs (24) bzw. Stiftes und einem Endbereich eines zweiten Vorsprungs (25) bzw. Stiftes ein Hitzdrahtelement (26) frei aufgehängt ist, welches dazu ausgebildet ist, durch einen durch das Hitzdrahtelement (26) hindurchfließenden elektrischen Strom aufgeheizt zu werden, und dass der erste Vorsprung (24) oder erste Stift in seiner Längsrichtung länger als der zweite Vorsprung (25) oder...
A flow or vortex sensor (12) comprising a first hot wire sensor element (10) micromachined on a substrate (20) for measuring a first component of a fluid or vortex field of a fluid,
and at least one second hot wire sensor element (36) micromachined on a substrate (20) disposed at a fixed angle to the first hot wire sensor element (10) to measure at least one second component of the flow or vortex field different from the first component.
characterized,
in that each microfabricated hot wire sensor element (10, 36, 38, 40) has elongated projections (24, 25) or pins projecting from a base body (18) of the substrate (20), between an end region of a first projection (24) and pin a hot wire member (26) is freely suspended from an end portion of a second protrusion (25) which is adapted to be heated by an electric current flowing through the hot wire member (26), and that the first protrusion (24) or first Pin in its longitudinal direction longer than the second projection (25) or ...

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft einen Strömungs- oder Wirbelmessfühler mit einem ersten auf einem Substrat mikrogefertigten Hitzdrahtsensorelement zum Messen einer ersten (Richtungs-)Komponente eines Strömungs- oder Wirbelfeldes eines Fluids.The Invention relates to a flow or vortex sensor with a first hot-wire sensor element micromachined on a substrate for measuring a first (directional) component of a flow or Vortex field of a fluid.

Mikrogefertigte (micromachined) Hitzdrahtsensorelemente zur Strömungsmessung (Hitzdrahtanemometrie) sind aus der US 5,883,310 , der US 5,231,878 , der US 4,884,443 sowie der EP 1 348 937 A2 , sowie der EP 1 031 821 A1 bekannt. Für weitere Einzelheiten zu Mikrofertigungstechniken solcher Hitzdrahtsensorelemente wird ausdrücklich auf die zuvor erwähnten Druckschriften verwiesen.Micromachined hot wire sensor elements for flow measurement (hot wire anemometry) are known from US Pat US 5,883,310 , of the US 5,231,878 , of the US 4,884,443 as well as the EP 1 348 937 A2 , as well as the EP 1 031 821 A1 known. For more details on microfabrication techniques of such hot wire sensor elements, reference is expressly made to the aforementioned references.

Die vorbekannten mikrogefertigten Hitzdrahtsensorelemente sind sehr kompakt und genau aufgebaut und dienen dazu, einen Massenstrom eines Fluids, welches entlang einer vordefinierten Richtung fließt, zu messen.The Prior art microfabricated hot wire sensor elements are very compact and accurately constructed and serve a mass flow of a Fluids flowing along a predefined direction to measure.

Aus der WO 03/062758 A1 ist ein weiteres mikrogefertigtes Hitzdrahtsensorelement bekannt, bei welchem ein Hitzdrahtelement zwischen zwei länglichen Vorsprüngen aufgespannt ist, die aus einer Ebene eines Substrates herausgebogen sind.From the WO 03/062758 A1 For example, another microfabricated hot wire sensor element is known in which a hot wire element is stretched between two elongate protrusions that are bent out of a plane of a substrate.

Aus der US2007/0113644 A1 sind eine Reihe von weiteren mikrogefertigten Hitzdrahtsensorelementen bekannt. Die Fertigung ist dabei derart, dass ein durch Strom aufheizbares Hitzdrahtelement sowie Temperaturdetektionselektroden auf einem Substrat derart gefertigt werden, dass sie sich bei einem Ätz-Schritt aufgrund von Materialspannungen aus der Oberflächenebene des Substrates herausbiegen.From the US2007 / 0113644 A1 For example, a number of other microfabricated hot wire sensor elements are known. In this case, the production is such that a hot wire element which can be heated by current and temperature detection electrodes are fabricated on a substrate in such a way that they bend out of the surface plane of the substrate during an etching step on account of material stresses.

Es ist dabei auch eine Ausführungsform beschrieben, bei der mehrere solcher Hitzdrahtelemente, die jeweils einen dreieckig geformten Hitzdraht aufweisen, und mehrere als aufgekrümmte mäanderförmige Leiterschleifen ausgebildete Temperaturdetektionselektroden in kreisförmiger Anordnung um ein Zentrum herum vorgesehen sind. Die mehreren Temperaturelektroden und die mehreren Hitzdrahtelemente, die um dieses Zentrum herum verteilt angeordnet sind, sind jeweils über Elektrodenpads kontaktierbar. Diese Anordnung bildet den Oberbegriff des beigefügten Patentanspruches 1.It is also an embodiment described in which several such Hitzdrahtelemente, each have a triangular shaped hot wire, and several as curved meandering conductor loops formed temperature detection electrodes in a circular arrangement are provided around a center. The multiple temperature electrodes and the several hot wire elements surrounding this center are arranged distributed, can each be contacted via electrode pads. This arrangement forms the preamble of the appended claim 1.

Für Forschungen und Anwendungen in der Strömungslehre ist jedoch häufig eine Überwachung von Strömungsfeldern wünschenswert, wozu eine vektorielle Geschwindigkeit (Betrag und Richtung) der Strömung und Wirbelfelder zumindest lokal gemessen werden sollten. Zum Beispiel ist eine Kontrolle, Steuerung und Beeinflussung der Luftströmung und insbesondere von Wirbelbildungen in aerodynamischen Systemen, wie zum Beispiel Luftfahrzeugen, wie insbesondere Flugzeuge, Hubschrauber oder unbemannte Flugkörper, eine große Herausforderung zur Optimierung der Leistungsfähigkeit, insbesondere bezüglich Sicherheitsaspekten, bezüglich der Minimierung des Energieverbrauches oder bezüglich der Verkehrssteuerung in der Nähe von Flughäfen. Insbesondere ist die Ausbildung von Wirbeln und Wirbelschleppen hinter einem Flugzeug während der Start- und Landephase an einem Flughafen für die Minimierung der zwischen zwei Flugzeugen benötigten Zeitabstände entscheidend und bestimmt so die maximale Verkehrskapazität.For research and applications in fluid mechanics is however common a monitoring of flow fields desirable, what a vectorial speed (amount and direction) of flow and vortex fields should be measured at least locally. For example is a control, control and influencing of the air flow and in particular of vortices in aerodynamic systems, such as For example, aircraft, in particular aircraft, helicopters or unmanned missiles, a big Challenge to optimize performance, especially with regard to safety aspects, regarding the Minimization of energy consumption or traffic control near from airports. In particular, the formation of eddies and wake turbulence behind an airplane while the take-off and landing at an airport for minimizing the between needed two planes intervals crucial and thus determines the maximum traffic capacity.

Die räumliche und zeitliche Auflösung solcher lokaler Messungen der vektoriellen Strömungsgeschwindigkeit und der Wirbelfelder, dies heißt insbesondere die Größe des Messvolumens und der Frequenzgang, sind grundsätzliche Kriterien für die Auswahl von geeigneten Messtechniken.The spatial and temporal resolution such local measurements of the vectorial flow velocity and the Vortex fields, this means in particular the size of the measuring volume and the frequency response, are fundamental criteria for selection of suitable measuring techniques.

Andere wichtige Kriterien umfassen die gegenseitige Beeinflussung von Fühler und Strömung, das Signal-zu–Rausch-Verhältnis und weitere Effekte, die die Messqualität beeinflussen könnten und die Sensorübertragungsfunktion verändern könnten.Other important criteria include the mutual influence of feelers and Flow, that Signal-to-noise ratio and other effects that could affect the measurement quality and the sensor transmission function change could.

Bereits seit mehreren Dekaden wird Hitzdrahtwindstärkenmessung oder Hitzdrahtanemometrie (Hot Wire Anemometrie, kurz HWA) zur Strömungsmessung insbesondere in turbulenten Strömungen, eingesetzt.Already For several decades, hot wire wind strength measurement or hot wire anemometry has been used (Hot Wire Anemometry, short HWA) for flow measurement especially in turbulent flows, used.

Die aus den eingangs genannten Druckschriften im Stand der Technik bekannten mikrogefertigten Hitzdrahtsensoren sind zwar kompakt und robust aufbaubar, können aber nur für einfache Strömungsmessungen verwendet werden.The from the documents mentioned in the prior art known Microfabricated hot wire sensors are compact and robust can be built up but only for simple flow measurements be used.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen einfachen und kostengünstigen Strömungsmessfühler bereit zu stellen, der zur Messung der vektorialen Geschwindigkeit und von Wirbelfeldern geeignet ist.task The invention is a simple and inexpensive Flow sensor ready to ask, to measure the vectorial velocity and of vertebral fields is suitable.

Diese Aufgabe wir durch einen Strömungs- oder Wirbelmessfühler mit den Merkmalen des beigefügten Patentanspruches 1 gelöst.These Task we by a flow or Eddy probe with the characteristics of the attached Claim 1 solved.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.advantageous Embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

Der erfindungsgemäße Strömungs- oder Wirbelmessfühler hat neben einem ersten, auf oder an einem Substrat mikrogefertigten Hitzdrahtsensorelement, das zum Messen einer ersten (Richtungs-)Komponente eines Strömungs- oder Wirbelfeldes eines Fluids geeignet und ausgebildet ist, auch noch ein zweites auf einem Substrat mikrogefertigtes Hitzdrahtsensorelement.Of the has flow or vortex sensor according to the invention in addition to a first micromachined on or on a substrate Hot wire sensor element used to measure a first (directional) component a flow or vortex field of a fluid is suitable and designed, even more a second hot wire sensor element microfabricated on a substrate.

Dieses zweite Hitzdrahtsensorelement ist in einem festen Winkel zum ersten Hitzdrahtsensorelement angeordnet und so derart ausgebildet, dass damit wenigstens eine zur ersten (Richtungs-)Komponente unterschiedliche zweite (Richtungs-)Komponente des Strömungs- oder Wirbelfeldes gemessen werden kann.This second hot wire sensor element is in arranged at a fixed angle to the first Hitzdrahttsensorelement and so formed so that at least one of the first (directional) component different second (directional) component of the flow or vortex field can be measured.

Mit diesem Grundprinzip der Erfindung lassen sich insbesondere Sensoren und Sensorsysteme oder Sensorvorrichtungen aufbauen, die dazu fähig sind, den Strömungsvektor (Betrag und Richtung) und die Verwirbelung einer Strömung experimentell – insbesondere, aber nicht ausschließlich, auch in Windkanalexperimenten – zu bestimmen und zu messen.With In particular, sensors can be used in this basic principle of the invention and build sensor systems or sensor devices that are capable of the flow vector (Amount and direction) and the turbulence of a flow experimentally - in particular, but not exclusively, also in wind tunnel experiments - too determine and measure.

Das erste und das zweite Hitzdrahtsensorelement weisen jeweils ein Drahtelement auf, das mittels eines elektrischen Stromes aufheizbar ist. Dieses aufheizbare erste Drahtelement wird im Folgenden auch als Hitzdrahtelement bezeichnet.The The first and the second hot wire sensor elements each have a wire element on, which is heatable by means of an electric current. This Heatable first wire element is hereinafter also referred to as Hitzdrahtelement designated.

Zum Aufhängen der Hitzdrahtelemente derart, dass sie frei von der zu messenden Strömung umspülbar sind, ist vorgesehen, dass jedes mikrogefertigte Hitzdrahtsensorelement längliche Vorsprünge hat, die von einem Basiskörper des Substrats vorstehen. Zwischen den freien Enden der wenigstens zwei vorstehenden länglichen mikrogefertigten Hitzdrahtsensorelement-Vorsprüngen ist dann ein Hitzdrahtelement frei aufgehängt.To the hanging the Hitzdrahtelemente such that they are free from the measured Flow are flushable, it is envisaged that any microfabricated hot wire sensor element elongated projections has that of a base body protrude from the substrate. Between the free ends of the at least two protruding elongated microfabricated hot wire sensor element protrusions is then a hot wire element freely suspended.

Um in möglichst einfacher Weise unter Verwendung von Mikrofertigungstechniken eine unterschiedliche Ausrichtung der Hitzdrahtelemente benachbarter Hitzdrahtsensorelemente zu erzielen, ist erfindungsgemäß weiter vorgesehen, dass ein erster dieser länglichen Vorsprünge länger ausgebildet ist als ein zweiter dieser Vorsprünge, so dass das Hitzdrahtelement bezüglich des Basiskörpers schräg aufhängbar ist. Eine unterschiedliche Ausrichtung zweier Hitzdrahtelemente lässt sich dann einfach zum Beispiel durch spiegelbildliche Ausrichtung und Anordnung der Hitzdrahtsensorelemente erreichen.Around in as possible in a simple manner using microfabrication techniques different orientation of the Hitzdrahtelemente adjacent To achieve hot wire sensor elements is further according to the invention provided that a first of these elongated projections formed longer is as a second of these projections, so that the hot-wire element in terms of of the base body aslant suspendable is. A different orientation of two hot wire elements let yourself then just for example by mirror image orientation and Achieve arrangement of the Hitzdrahtsensorelemente.

In einer bevorzugten vollständigen Ausgestaltung eines kompletten Sensorsystems ist es wünschenswert, dass der Strömungs- oder Wirbelmessfühler Informationen über alle drei Komponenten des Strömungsvektors und alle Komponenten des Wirbelvektors an der interessierenden Position liefert. Jedoch gibt es auch Anwendungen, wo eine begrenzte Anzahl von Dimensionen für den Geschwindigkeitsvektor oder den Wirbelvektor bereits ausreichend ist. Die Erfindung schlägt daher einen neuen, auf Mikrofertigungstechnik basierenden Strömungs- oder Wirbelmessfühler mit mikrogefertigten Hitzdrahtsensorelementen für wenigstens zwei Richtungskomponenten wenigstens eines dieser Vektoren vor. Ein solcher Strömungs- oder Wirbelmessfühler kann mit hoher Genauigkeit in einer kostengünstigen Weise hergestellt werden.In a preferred complete Design of a complete sensor system, it is desirable that the flow or vortex sensor information about all three components of the flow vector and all components of the vortex vector at the position of interest supplies. However, there are also applications where a limited number of dimensions for the velocity vector or the vortex vector already sufficient is. The invention proposes Therefore, a new, based on microfabrication flow or Eddy probe with microfabricated hot wire sensor elements for at least two directional components at least one of these vectors. Such a flow or Eddy probe can be manufactured with high accuracy in a cost effective manner.

Unter Verwendung von Mikrofertigungstechniken können sehr kleine Hitzdrahtsensorelemente gefertigt und mit hoher Genauigkeit relativ zueinander positioniert werden. Dadurch erhält man eine sehr hohe räumliche Auflösung. Die Genauigkeit der Positionierung lässt sich ohne besonderen Aufwand mit Mikrofertigungstechniken erhalten.Under Using microfabrication techniques, very small hot wire sensor elements can be fabricated and be positioned with high accuracy relative to each other. This preserves you have a very high spatial Resolution. The accuracy of the positioning can be with no special effort Microfabrication techniques obtained.

Wenngleich auch eine unterschiedliche Ausrichtung der Hitzdrahtelemente des ersten und des zweiten Hitzdrahtsensorelementes möglich ist, so erhält man den besten Wirkungsgrad zum unterschiedlichen Messen zweier zueinander senkrechter Feld- oder Vektor-Komponenten dann, wenn sich die Hitzdrahtelemente senkrecht zu den jeweiligen zu messenden Komponenten erstrecken. Demnach ist bevorzugt, dass die beiden Hitzdrahtelemente des ersten und des zweiten Hitzdrahtsensorelements sich mit einem Winkel von etwa 90° zueinander erstrecken.Although Also, a different orientation of the hot wire elements of the first and second hot wire sensor element is possible so receives you get the best efficiency for different measuring two mutually perpendicular field or Vector components when the hot-wire elements are vertical extend to the respective components to be measured. Accordingly, it is preferred that the two hot wire elements of the first and second hot wire sensor element at an angle of about 90 ° to each other extend.

Dieser Winkel von 90° lässt sich besonders einfach dadurch erreichen, wenn das Hitzdrahtelement und einer der beiden länglichen Vorsprünge, insbesondere der erste, längere Vorsprung, einen Winkel von etwa 45° Grad aufspannen.This Angle of 90 ° can be particularly easy to achieve when the hot wire element and one of the two elongated ones Projections, in particular the first, longer Projection, span an angle of about 45 degrees.

Eine einfache Mikrofertigung ist erreichbar, wenn der Basiskörper eine flache Grundplatte ist. Die Vorsprünge können dann Zacken oder Zinken sein, die sich vorzugsweise von einer Schmalseite der Grundplatte aus weiter in der Erstreckungsebene der Grundplatte erstrecken – insbesondere als integrale Verlängerungen der Grundplatte. Das Hitzdrahtelement kann dann ebenfalls parallel zur Erstreckungsebene der Grundplatte angeordnet aufgehängt sein. Dadurch lässt sich ein besonders flaches Hitzdrahtsensorelement ausbilden.A simple microfabrication is achievable if the base body has a flat base plate is. The projections can then prongs or prongs be, preferably from a narrow side of the base plate extend further in the plane of extension of the base plate - in particular as integral extensions the base plate. The hot-wire element can then also be parallel be suspended to the extension plane of the base plate. Thereby let yourself form a particularly flat Hitzdrahtsensorelement.

Zum Ausbilden einer kreuzweisen Anordnung der Hitzdrahtelemente des ersten und des zweiten Hitzdrahtelements können solche flachen Strukturen, beispielsweise in spiegelbildlicher Anordnung oder Ausbildung flach aufeinander gepackt werden.To the Forming a crosswise arrangement of the hot wire elements of the first and second hot-wire element, such flat structures, for example, in a mirror image arrangement or training flat be packed on top of each other.

Dadurch erhält man eine kompakte Baugruppe oder Hitzdrahtsensoreinheit des Strömungs- oder Wirbelmessfühlers zur Messung zweier Richtungskomponenten. Der Strömungs- oder Wirbelmessfühler kann insbesondere mehrere dieser Baugruppen, wenigstens gebildet aus einem ersten und einem zweiten Hitzdrahtsensorelement, aufweisen, um so sämtliche Richtungskomponenten des Geschwindigkeitsvektors und des Wirbelfeldes zu messen.Thereby receives to a compact assembly or Hitzdrahtsensoreinheit the flow or vortex sensor for Measurement of two directional components. The flow or vortex sensor can in particular more of these assemblies, at least formed from a first and a second hot wire sensor element, so all Directional components of the velocity vector and the vortex field to eat.

Neben dem ersten, aufheizbaren Drahtelement, kann eines, mehrere oder alle der Hitzdrahtsensorelemente auch ein zweites oder eventuell auch ein drittes Drahtelement haben, die lediglich indirekt durch von dem beheizbaren Drahtelement kommende Strömung und/oder von der Umgebungstemperatur aufheizbar sind. Dadurch lässt sich einerseits die Umgebungstemperatur bestimmen, um so die reinen Strömungseffekte auf die Temperatur des Hitzdrahtelements von den Effekten der Umgebungstemperatur zu trennen. Andererseits lassen sich zusätzlich Strömungseffekte messen. Das zweite und das dritte Drahtelement sind vorzugsweise im wesentlichen parallel zu dem Hitzdrahtelement und mit einem durch das Strömungs- oder Wirbelfeld zu durchstreichenden Zwischenabstand angeordnet.In addition to the first, heatable wire element, one, several or all of the hot wire Sensor elements also have a second or possibly a third wire element, which are heated only indirectly by coming from the heated wire element flow and / or from the ambient temperature. As a result, on the one hand, the ambient temperature can be determined in order to separate the pure flow effects on the temperature of the hot-wire element from the effects of the ambient temperature. On the other hand, flow effects can also be measured. The second and the third wire element are preferably arranged substantially parallel to the Hitzdrahtelement and with an interspaced by the flow or vortex field spacing.

Die Temperatur der Drahtelemente lässt sich besonders einfach dadurch messen, dass diese zum Generieren eines elektrischen Signals ausgebildet sind, aus welchem die jeweilige Temperatur bestimmbar ist.The Temperature of the wire elements leaves Particularly easy to measure that they are to generate an electrical signal are formed, from which the respective Temperature can be determined.

Andererseits kann ein Signal aus einem zum Aufrechterhalten einer bestimmten Temperatur notwendigen Strom erhalten werden. Beides ist besonders wirkungsvoll beispielsweise durch einen elektrischen Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes des jeweiligen Drahtelementes erzielbar. Z. B. ermöglicht dann eine Messung des Widerstandes des Drahtelementes eine Aussage über dessen Temperatur.on the other hand can be a signal from a to maintain a specific Temperature necessary electricity can be obtained. Both are special effective for example by an electrical temperature coefficient the electrical resistance of the respective wire element achievable. Z. B. allows then a measurement of the resistance of the wire element a statement of its temperature.

Um den elektrischen Widerstand des Drahtelements genau messen zu können und/oder im wesentlichen nur das Hitzdrahtelement und nicht elektrische Verbindungsleitungen durch den hindurchfließenden Strom aufzuheizen, ist weiter bevorzugt, dass die jeweiligen Drahtelemente mit einer elektrischen Verbindung angeschlossen sind, deren elektrischer Widerstand wesentlich geringer ist als der elektrische Widerstand des Drahtelements selbst.Around To be able to measure the electrical resistance of the wire element accurately and / or essentially only the hot-wire element and non-electrical connection lines through the flowing To heat electricity, it is further preferred that the respective wire elements are connected with an electrical connection whose electrical Resistance is much lower than the electrical resistance of the wire element itself.

Eine hohe Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes der Drahtelemente lässt sich mit bestimmten Materialien für die Drahtelemente erreichen. Daher bestehen die Drahtelemente bevorzugt aus polykristallinem Halbleitermaterial, wie insbesondere aus polykristallinem Silizium, oder aus einem dünnen Metallfilm, insbesondere aus Platin, einer Platin-Rhodium-Legierung, Wolfram oder Gold.A high temperature dependence the electrical resistance of the wire elements can be with certain materials for reach the wire elements. Therefore, the wire elements are preferable of polycrystalline semiconductor material, in particular of polycrystalline Silicon, or a thin one Metal film, in particular of platinum, of a platinum-rhodium alloy, Tungsten or gold.

Eine besonders einfache und genaue relative Anordnung des ersten und des zweiten Hitzdrahtsensorelementes zueinander und eine einfache Fertigung des Strömungs- oder Wirbelmessfühlers ist erreichbar, wenn sowohl das erste als auch das zweite Hitzdrahtsensorelement auf einem gemeinsamen Substrat ausgebildet sind.A particularly simple and accurate relative arrangement of the first and the second Hitzdrahtsensorelementes each other and a simple Production of the flow or vortex sensor is achievable when both the first and second hot wire sensor elements are formed on a common substrate.

Wenn das Substrat der jeweiligen Hitzdrahtelemente aus Halbleitermaterialien, wie insbesondere aus einkristallinen Halbleitermaterialien, und hier weiter bevorzugt aus einkristallinem Silizium, gebildet sind, lässt sich eine geringe thermische Zeitkonstante und eine gute thermische Isolierung des Mikroheizelements an dem Substrat erreichen. Die Vorsprünge sind bevorzugt ebenfalls aus dem Substrat ausgebildet und dienen als Träger für strömungssensitive dünne Filmwiderstände, die als Hitzdrahtelemente eingesetzt sind.If the substrate of the respective hot-wire elements made of semiconductor materials, in particular from monocrystalline semiconductor materials, and here further preferably made of monocrystalline silicon, are formed, let yourself a low thermal time constant and good thermal insulation reach the Mikroheizelements on the substrate. The projections are preferably also formed from the substrate and serve as carrier for flow-sensitive thin film resistors that are used as Hitzdrahtelemente.

Eine wesentliche Verbesserung gegenüber bisherigen Strömungs- oder Wirbelmessfühlern kann erwartet werden, wenn die Technologie der Mikrofertigung als eine Grundlage zur Herstellung von solchen Messvorrichtungen auf der Basis von Silizium als das zu strukturierende Material eingesetzt wird. Die Strukturen können dann lithographisch gebildet werden und können mittels fortschrittlicher dünner Schichtablagerungen und/oder Ätztechnologien und/oder Erodiertechnologien gebildet werden.A substantial improvement over previous ones flow or vortex sensors can be expected when the technology of microfabrication as a basis for the production of such measuring devices the base of silicon used as the material to be structured becomes. The structures can are then formed lithographically and can by means of advanced thin layer deposits and / or etching technologies and / or Eroding technologies are formed.

Durch die Erfindung wird eine integrierte Sensorstruktur geschaffen, die dazu fähig ist verschiedene Komponenten des Geschwindigkeits- und/oder Wirbelvektors eines Fluidstromes zu messen. Diese Struktur kann in MEMS-Technik (Micro-Electric-Mechanical-System-Technik) gefertigt werden. Dadurch lassen sich die Hitzdrahtelemente der mehreren Hitzdrahtsensorelemente des erfindungsgemäßen Strömungs- und Wirbelmessfühlers sehr robust und genau fertigen. Außerdem sind die entsprechenden Verfahren zur Serienfertigung solcher Strömungs- und Wirbelmessfühler gut geeignet. Eine vorteilhafte bevorzugte Verwendung betrifft das Erkennen von Wirbel zum Beispiel als Lärmquelle. Dieser Einsatz kann beispielsweise in Windkanalversuchen erfolgen.By The invention provides an integrated sensor structure which capable of doing so is different components of the velocity and / or vortex vector to measure a fluid flow. This structure may be in MEMS technique (Micro-Electric-Mechanical System Technology) be made. This allows the hot-wire elements of the a plurality of hot wire sensor elements of the flow and Vortex sensor very much robust and accurate manufacture. Furthermore the corresponding methods for mass production of such flow and vortex sensors are good suitable. An advantageous preferred use relates to the recognition from vortex for example as a noise source. This Use can be done for example in wind tunnel tests.

Wirbel sind wesentlich bei der Erzeugung von Geräuschen und Lärm. Deswegen ist es für den Entwurf von geräuscharmen Luftfahrzeug- und Flugzeugteilen wichtig, Lärm- und Geräuschquellen zu identifizieren, und hierfür Wirbel zu identifizieren, die die Struktur in der Strömung erzeugt. Dies kann im wesentlichen nur durch Messung der vektoriellen Eigenschaften der Strömung durchgeführt werden.whirl are essential in generating noise and noise. therefore is it for the design of low noise Aircraft and aircraft parts important to identify noise and noise sources, and for this To identify vortex, which creates the structure in the flow. This can essentially only be done by measuring the vectorial properties the flow carried out become.

Zur Feststellung von Verwirbelungen werden heutzutage hauptsächlich Laser-Doppler-Anemometer (LDA) oder eine Laser-Lichtschnitt-Technik (Partikel-Image-Velocimeter, PIV) eingesetzt.to Detection of turbulence is nowadays mainly laser Doppler anemometer (LDA) or a laser light-section technique (particle image velocimeter, PIV) used.

Mit dem erfindungsgemäßen Multi-Hitzdraht-Messfühler lassen sich im Gegensatz zu solchen konventionellen Methoden auch optisch nicht zugängliche Bereiche vermessen. Außerdem sind damit auch hochfrequente kohärente Strukturen in der Strömung messbar.With leave the multi-hot-wire sensor according to the invention in contrast to such conventional methods also optically not accessible Measure areas. Furthermore Thus high-frequency coherent structures in the flow can be measured.

Dabei ist der erfindungsgemäße Strömungs- oder Wirbelmessfühler weitaus robuster und kompakter ausführbar als bisher bekannte MehrfachHitzdrahtsysteme, die sehr fragil sind sowie nur sehr zeitaufwendig und nur in mühsamer Handfertigung herstellbar sind.The flow according to the invention is or vortex sensor far more robust and compact executable than previously known MehrfachHitzdrahtsysteme, which are very fragile and are very time consuming and can be produced only in laborious manual production.

Mit der erfindungsgemäßen vorgeschlagenen Mikrofertigungstechnik können eine Vielzahl von Hitzdrahtsensorelementen gemeinsam in einem Schritt hergestellt werden, wobei vorzugsweise Standard-MEMS-Technologie kombiniert mit Mikrokonfektionierung oder μ-Packaging eingesetzt wird. Dies erlaubt nicht nur Fabrikation von einzelnen Fühlern, sondern auch eines Arrays oder einer Matrix von Vektorwellenfühlern auf unterschiedlichen Substraten.With the proposed invention Microfabrication technology can a plurality of Hitzdrahtsensorelementen together in one step preferably using standard MEMS technology combined with micro-assembly or μ-packaging is used. This not only allows fabrication of individual probes, but also also an array or a matrix of vector wave sensors different substrates.

So kann im Vergleich zu konventionellen Hitzdrahtfühlermessmethoden durch parallele Messungen auch Messzeit (z. b. Windkanalzeit) eingespart werden.So can be compared to conventional Hitzdrahtfühlermessmethoden by parallel Measurements and measuring time (eg wind tunnel time) can be saved.

Im Vergleich zu bisher verwendeten MehrfachHitzdrahtfühlern ist der erfindungsgemäße Strömungs- oder Wirbelmessfühler aufgrund des Herstellprozesses um einiges robuster und aufgrund des möglichen Konfektionierungs- und Befestigungsprozesses wesentlich genauer in seiner Konstruktion. Zudem lassen sich durch eine Chargenfertigung gleich eine Vielzahl von einzelnen Hitzdrahtelementen herstellen, was die Stückkosten wesentlich verringert.in the Compared to previously used MehrfachHitzdrahtfühlern is the inventive flow or Eddy probe due to the manufacturing process a lot more robust and due of the possible Assembly and fastening process much more accurate in its construction. In addition, the same can be achieved by batch production make a variety of individual hot wire elements what the unit costs significantly reduced.

Im Vergleich zu PIV und LDA als Alternativmeßmethoden zum Messen der vektoriellen Strömungseigenschaften bietet die vorteilhafte Verwendung des erfindungsgemäßen Strömungs- oder Wirbelmessfühler folgende Vorteile:

  • • Es lässt sich leicht eine hohe Frequenzinformation bis hin zu einigen Kilohertz erhalten und somit ein Zeitansprechverhalten, das wesentlich besser als LDA (Grenze: 3 Kilohertz) oder PIV (Grenze: 2 Kilohertz) ist.
  • • Im Gegensatz zu PIV und LDA ist keine Versetzung der Strömung mit Partikeln notwendig. Die bei den konventionellen Methoden PIV und LDA benötigte Partikelversetzung kann die Eigenschaften der Strömung beeinflussen, so dass die Messung ungenauer wird. Außerdem folgen die Partikel nicht immer genau der Strömung, insbesondere bei Drehströmungen.
Compared to PIV and LDA as alternative measuring methods for measuring the vectorial flow characteristics, the advantageous use of the flow or vortex sensor according to the invention offers the following advantages:
  • • It is easy to get high frequency information up to a few kilohertz and thus a time response that is significantly better than LDA (limit: 3 kilohertz) or PIV (limit: 2 kilohertz).
  • • In contrast to PIV and LDA, no displacement of the flow with particles is necessary. The particle displacement required in the conventional PIV and LDA methods can influence the properties of the flow, making the measurement less accurate. In addition, the particles do not always follow exactly the flow, especially in rotational flows.

Daher ist mit dem erfindungsgemäßen Strömungs- oder Wirbelmessfühler eine weitaus genauere Messung als mit bisherigen Fühlern erzielbar.Therefore is with the flow or the invention Eddy probe a much more accurate measurement than with previous sensors achievable.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:embodiments The invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. In this shows:

1 eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform eines mikrogefertigten Hitzdrahtsensorelements; 1 a plan view of a first embodiment of a microfabricated Hitzdrahtsensorelements;

2 eine Schnittansicht entlang der Linie II-II von 1; 2 a sectional view taken along the line II-II of 1 ;

3 eine Draufsicht auf einen Strömungs- oder Wirbelmessfühler gemäß einer ersten oder zweiten Ausführungsform, der aus zwei Hitzdrahtsensorelementen gemäß 1 aufgebaut ist; 3 a plan view of a flow or vortex sensor according to a first or second embodiment, which consists of two Hitzdrahtsensorelementen according to 1 is constructed;

4 eine Schnittansicht entlang der Linie V-V von 3 für die erste Ausführungsform des Strömung- oder Wirbelmessfühlers; 4 a sectional view taken along the line VV of 3 for the first embodiment of the flow or vortex sensor;

5 einen Schnitt entlang der Linie V-V von 3 für die zweite Ausführungsform des Strömungs- oder Wirbelmessfühlers; 5 a section along the line VV of 3 for the second embodiment of the flow or vortex sensor;

6 eine Explosionsdarstellung einer dritten Ausführungsform für einen Strömungs- oder Wirbelmessfühler, welcher aus zwei Paaren von in ei ner Baugruppe zusammengefassten Hitzdrahtsensorelementen aufgebaut ist; 6 an exploded view of a third embodiment of a flow or vortex sensor, which is composed of two pairs of summarized in egg ner assembly Hitzdrahttsensorelementen;

7 eine Draufsicht auf eine alternative Ausführungsform für eine solche Baugruppe zum Bereitstellen eines Paares Hitzdrahtsensorelemente; 7 a plan view of an alternative embodiment of such an assembly for providing a pair of hot wire sensor elements;

811 verschiedene Ansichten von unterschiedlichen Mehrfachhitzdrahtsensorsystemen zum Messen des Vektors der Strömungsgeschwindigkeit und/oder eines Wirbelfelds eines Fluids, welche mit Strömungsmessfühlern gemäß den 3 bis 7 aufbaubar sind. 8th - 11 various views of different multiheated wire sensor systems for measuring the vector of the flow velocity and / or a vortex field of a fluid, which with flow sensors according to the 3 to 7 are buildable.

In den 1 und 2 ist eine Ausführungsform für ein erstes Hitzdrahtsensorelement 10 zum Aufbau eines Strömungs- oder Wirbelmessfühlers 12 schematisch dargestellt. Das Hitzdrahtsensorelement 10 ist ein Baustein zum Aufbauen eines Sensorsystems 16, mittels welchen die vektorielle Geschwindigkeit und Wirbelfelder in komplexen Strömungen messbar sind.In the 1 and 2 is an embodiment for a first hot wire sensor element 10 to build a flow or vortex sensor 12 shown schematically. The hot wire sensor element 10 is a building block for building a sensor system 16 , by means of which the vectorial velocity and vortex fields in complex flows can be measured.

Eine Minimalkonfiguration eines solchen Sensorsystems 16 hat die im Folgenden näher erläuterten Bauteile:
Ein Basiskörper 18 eines hier als Hitzdrahtsensorelement bezeichneten Bauteils eines Strömungs- oder Wirbelmessfühlers 12 ist aus einem einzelnen Substrat 20 gebildet. Das Substrat 20 ist in einer bevorzugten Ausführungsform aus kristallinem Silizium gebildet. In anderen Ausführungsformen ist Galliumarsenid oder Quarz verwendet. Eine typische Dicke D des Substrates 20 beträgt zwischen 100 und 700 Mikrometer.
A minimal configuration of such a sensor system 16 has the components explained in more detail below:
A base body 18 a component referred to herein as a hot wire sensor element of a flow or vortex sensor 12 is from a single substrate 20 educated. The substrate 20 is formed in a preferred embodiment of crystalline silicon. In other embodiments, gallium arsenide or quartz is used. A typical thickness D of the substrate 20 is between 100 and 700 microns.

Wie sich aus 1 und 2 ergibt, ist ein solches Substrat 20 derart mit einer Standard – MEMS-Technik mikrogefertigt, dass es eine Grundplatte 22 als Basiskörper 18 und zwei davon abstehende längliche Verlängerungen oder Vorsprünge in Form sogenannter Zinken 24, 25 (englisch: prongs) hat. Die Zinken 24, 25 haben üblicherweise eine dünnere Dicke als die Grundplatte 22. Die Grundplatte 22 und die Zinken 24, 25 sind alle aus dem gleichen Material, nämlich dem Substratmaterial, gebildet. Die Zinken 24, 25 sind in ihrer Länge unterschiedlich. Insbesondere ist ein erster Zinken 24 länger ausgebildet als ein zweiter Zinken 25.As it turned out 1 and 2 results is a such substrate 20 so microfabricated with a standard MEMS technique that it is a baseplate 22 as a base body 18 and two elongated extensions or protrusions protruding therefrom in the form of so-called tines 24 . 25 (English: prongs) has. The tines 24 . 25 usually have a thinner thickness than the base plate 22 , The base plate 22 and the tines 24 . 25 are all made of the same material, namely the substrate material. The tines 24 . 25 are different in their length. In particular, a first tine 24 longer than a second tine 25 ,

Zwischen Endbereichen – in 1 zwischen den Endpunkten – der Zinken 24, 25 ist ein erstes Drahtelement 26, hier in Form eines elektrisch leitfähigen Drahtes, frei aufgehängt. Das erste Drahtelement 26 bildet mit dem ersten Zinken 24 einen Winkel α von etwa 45°. Demnach bildet das erste Drahtelement 26 mit dem zweiten Zinken 25 einen Winkel von etwa 135°.Between end areas - in 1 between the endpoints - the tines 24 . 25 is a first wire element 26 , here in the form of an electrically conductive wire, freely suspended. The first wire element 26 forms with the first tine 24 an angle α of about 45 °. Accordingly, the first wire element forms 26 with the second prong 25 an angle of about 135 °.

Das erste Drahtelement 26 dient als ein Heizelement („heißer Draht oder Hitzdraht”) und wird deswegen im Folgenden als Hitzdrahtelement 26 bezeichnet. Zum Aufheizen lässt sich durch das Hitzdrahtelement ein elektrischer Strom leiten.The first wire element 26 serves as a heating element ("hot wire or hot wire") and is therefore hereinafter referred to as a hot wire element 26 designated. For heating, an electric current can be conducted through the hot-wire element.

Das Hitzdrahtelement 26 ist bei den hier dargestellten Ausführungsformen weiter zum Messen seiner eigenen Temperatur durch elektrische Einrichtungen fähig. Hierzu wird für das Hitzdrahtelement 26 ein Material mit bekanntem und kalibriertem Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstandes verwendet.The hot wire element 26 is further capable of measuring its own temperature by electrical means in the embodiments illustrated herein. This is done for the hot wire element 26 used a material with known and calibrated temperature coefficient of electrical resistance.

Der das Hitzdrahtelement 26 bildende Draht wird typischerweise durch Ablagerung einer dünnen Filmschicht auf dem Substrat 20 hergestellt und anschließend durch geeignete (Unter-)Ätztechniken freigelegt. Typische Materialien für den Draht sind polykristallines Silizium oder hitzeresistente und stabile Metalle wie Platin, Platin-Rhodium-Legierungen, Wolfram oder Gold. Weitere Materialen sind möglich.The the hot wire element 26 forming wire is typically made by depositing a thin film layer on the substrate 20 and then exposed by suitable (sub) etching techniques. Typical materials for the wire are polycrystalline silicon or heat-resistant and stable metals such as platinum, platinum-rhodium alloys, tungsten or gold. Other materials are possible.

Das Hitzdrahtelement 26 ist mit der Grundplatte durch geeignete elektrische Verbindungen 28 elektrisch verbunden. Die elektrischen Verbindungen 28 weisen Leiterbahnen 30 aus einem Metall mit niedrigem elektrischem Widerstand auf. Die Leiterbahnen 30 verlaufen elektrisch isoliert auf der Struktur der Zinken 24, 25 und der Grundplatte 22. Der elektrische Kontakt mit einer Stromversorgungs- und Auswerteeinrichtung (nicht dargestellt) erfolgt über Bondpads 32, mit denen Kontaktstift 34 oder sonstige elektrische Kontakte (z. B. Lötstellen) verbindbar sind.The hot wire element 26 is connected to the base plate by suitable electrical connections 28 electrically connected. The electrical connections 28 show traces 30 made of a metal with low electrical resistance. The tracks 30 run electrically isolated on the structure of the tines 24 . 25 and the base plate 22 , The electrical contact with a power supply and evaluation device (not shown) via bonding pads 32 , with which contact pin 34 or other electrical contacts (eg solder joints) can be connected.

Die 15 zeigen Ausformen eines einfachen Aufbaus, bei denen das Hitzdrahtelement 26 gleichzeitig zum Heizen und zum Messen der Wärmekonvektion durch eine Fluidströmung, die darüber hinweg führt, eingesetzt ist.The 1 - 5 show molding a simple construction in which the hot-wire element 26 at the same time for heating and for measuring the heat convection by a fluid flow passing over it.

Die 1 und 2 zeigen ein erstes Hitzdrahtsensorelement 10, welches auf diese Weise zum Messen einer ersten Richtungskomponente der Fluidströmung – im wesentlichen senkrecht zur Längserstreckung des Hitzdrahtelements 26 – dient.The 1 and 2 show a first hot wire sensor element 10 , which is in this way for measuring a first direction component of the fluid flow - substantially perpendicular to the longitudinal extent of the Hitzdrahtelements 26 - serves.

In den 37 sind nun mehrere Ausführungsformen des Strömungs- oder Wirbelmessfühlers 12 dargestellt, der neben diesem ersten Hitzdrahtsensorelement 10 noch ein zweites Hitzdrahtelement 36 aufweist, um noch eine zweite Richtungskomponente der Fluidströmung zu messen. Das zweite Hitzdrahtsensorelement 36 ist spiegelbildlich zu dem ersten Hitzdrahtelement 10 angeordnet und/oder ausgebildet. Es weist daher die gleichen Elemente wie das erste Hitzdrahtelement 10 auf, wobei auch die gleichen Bezugsziffern verwendet sind.In the 3 - 7 are now several embodiments of the flow or vortex sensor 12 shown adjacent to this first hot wire sensor element 10 still a second Hitzdrahtelement 36 to measure a second directional component of the fluid flow. The second hot wire sensor element 36 is mirror image of the first Hitzdrahtelement 10 arranged and / or trained. It therefore has the same elements as the first hot wire element 10 on, with the same reference numerals are used.

Bei der in den 3 und 4 dargestellten ersten Ausführungsform des Strömungs- oder Wirbelmessfühlers 12 ist die erste Ausführungsform des Hitzdrahtsensorelements 10 gemäß 1 einfach identisch noch einmal als zweites Hitzdrahtsensorelement 36 verwendet. Hierzu werden die Grundplatten 22 mit Montagetechniken, wie sie auch bei der MEMS-Technologie angewandt werden, exakt mit ihren Rückseiten aufeinander positioniert und befestigt. Die Hitzdrahtsensorelemente 10, 36 sind somit entlang einer Längsmittelachse gespiegelt angeordnet. Hierdurch bilden die Hitzdrahtelemente 26 des ersten Hitzdrahtsensorelements 10 und des zweiten Hitzdrahtsensorelements 36 eine X-Struktur wie sie in 3 ersichtlich ist.In the in the 3 and 4 illustrated first embodiment of the flow or vortex sensor 12 is the first embodiment of the hot wire sensor element 10 according to 1 simply identical again as a second hot wire sensor element 36 used. For this purpose, the base plates 22 Using assembly techniques, as used in MEMS technology, accurately positioned and fixed with their backs on each other. The hot wire sensor elements 10 . 36 are thus arranged mirrored along a longitudinal central axis. As a result, form the Hitzdrahtelemente 26 of the first hot wire sensor element 10 and the second hot wire sensor element 36 an x-structure like her in 3 is apparent.

Die Ausführungsform gemäß 5 entspricht in der Draufsicht der in 3 dargestellten Ansicht. Bei dieser Ausführungsform des Strömungs- oder Wirbelmessfühlers 12 nutzen jedoch das erste Hitzdrahtsensorelement 10 und das zweite Hitzdrahtsensorelement 36 dasselbe Substrat 20. Dabei ist an dessen einen Seite das Hitzdrahtsensorelement 10 und an dessen Rückseite das zweite Hitzdrahtsensorelement 36 ausgebildet.The embodiment according to 5 corresponds in the plan view of in 3 displayed view. In this embodiment of the flow or vortex sensor 12 however, use the first hot wire sensor element 10 and the second hot wire sensor element 36 the same substrate 20 , In this case, the hot wire sensor element is on one side 10 and at its rear side, the second hot wire sensor element 36 educated.

Demgemäss ist bei dem Strömungs- oder Wirbelmessfühler 12 die jeweils durch ein einzelnes Hitzdrahtsensorelement 10, 36 gemäß 1 und 2 gebildete Basisstruktur wenigstens 2-fach in einer spiegelbildlichen Anordnung ausgebildet, wobei die beiden Hitzdrahtsensorelemente 10, 36 sehr nahe zu eineinander positioniert sind. Diese in den 35 dargestellte Minimalkonfiguration ist nun dazu fähig, die Fluidströmung in zwei Dimensionen zu messen, da die beiden Hitzdrahtelemente 26 unterschiedliche Winkelausrichtungen haben.Accordingly, the flow or swirl sensor is 12 each through a single hot wire sensor element 10 . 36 according to 1 and 2 formed base structure formed at least twice in a mirror image arrangement, wherein the two Hitzdrahtsensorelemente 10 . 36 are positioned very close to each other. These in the 3 - 5 shown minimal configuration is now able to measure the fluid flow in two dimensions, since the two Hitzdrahtelemente 26 have different angular orientations.

Diese in 3 dargestellte Konfiguration kann in einer ersten Ausführung durch Anordnung von zwei Sensoreinheiten – Hitzdrahtsensorelement 10, 36 wie dargestellt in 2 – durch geeignete Montagetechniken erhalten werden, wie dies in 4 schematisch dargestellt ist.This in 3 illustrated configuration can in a first embodiment by arranging two sensor units - Hitzdrahtsensorelement 10 . 36 as shown in 2 - be obtained by appropriate assembly techniques, as shown in 4 is shown schematically.

Bei einer zweiten Ausführung, wie sie in 5 dagestellt ist, sind beide Hitzdrahtsensorelemente 10, 36 an demselben Substrat 20 integriert. Diese Ausgestaltung führt zu einer sehr hohen Genauigkeit für die Ausrichtung der beiden Strukturen und aufgrund der integralen Ausbildung zu einer hohen Robustheit und einem kompakten Aufbau.In a second execution, as in 5 Dagestellt are both hot wire sensor elements 10 . 36 on the same substrate 20 integrated. This embodiment leads to a very high accuracy for the alignment of the two structures and due to the integral training to a high robustness and a compact construction.

Bei einer in 6 dargestellten dritten Ausführungsform des Strömungs- oder Wirbelmessfühlers 12 sind vier Hitzdrahtsensorelemente 10, 36, nahe zueinander angeordnet, wobei jedes Hitzdrahtsensorelement 10, 36, 38, 40 jeweils um 90° zu seinem benachbarten Hitzdrahtsensorelement verdreht ist.At an in 6 illustrated third embodiment of the flow or vortex sensor 12 are four hot wire sensor elements 10 . 36 , disposed near each other, each hot wire sensor element 10 . 36 . 38 . 40 is rotated by 90 ° to its adjacent Hitzdrahttsensorelement.

Hierzu ist bei der dritten Ausführungsform des Strömungs- oder Wirbelmessfühlers 12 eine erste Baugruppe 42 mit dem ersten Hitzdrahtsensorelement 10 und dem zweiten Hitzdrahtsensorelement 36 mit einer zweiten Baugruppe 44 mit einem dritten Hitzdrahtsensorelement 38 und einem vierten Hitzdrahtsensorelement 40 kombiniert. Die Baugruppen 42, 44 nutzen für ihre Hitzdrahtsensorelemente 10, 36, 38, 40 jeweils das gleiche Substrat 20. Hierbei sind die Hitzdrahtsensorelemente nicht aufeinander, sondern nebeneinander angeordnet. Zur Verbindung der Baugruppen 42, 44 weisen diese auf einem Mittelstück entsprechende Kerben 46 auf, die ineinander greifen. Die beiden Baugruppen 42, 44 sind bis auf die Ausbildung ihrer Kerben 46 identisch ausgebildet und können zusammen in einem gemeinsame Herstellprozess – beispielsweise gemeinsam auf einem Wafer – hergestellt werden.This is in the third embodiment of the flow or vortex sensor 12 a first assembly 42 with the first hot wire sensor element 10 and the second hot wire sensor element 36 with a second module 44 with a third hot wire sensor element 38 and a fourth hot wire sensor element 40 combined. The assemblies 42 . 44 use for their hot wire sensor elements 10 . 36 . 38 . 40 each the same substrate 20 , Here, the Hitzdrahtsensorelemente are not adjacent to each other, but arranged side by side. For connecting the modules 42 . 44 have these on a center piece corresponding notches 46 on top of each other. The two modules 42 . 44 are up to the training of their scores 46 formed identically and can be together in a common manufacturing process - for example, together on a wafer - produced.

Die Hitzdrahtsensorelemente 10, 36, 38, 40 sind bei der in 6 dargestellten dritten Ausführungsform des Strömungs- oder Wirbelmessfühlers 12 neben dem ersten Drahtelement – Hitzdrahtelement 26 – noch mit einem zweiten Drahtelement 50 versehen, das in gleicher Weise herstellbar ist wie das erste Drahtelement 26.The hot wire sensor elements 10 . 36 . 38 . 40 are at the in 6 illustrated third embodiment of the flow or vortex sensor 12 next to the first wire element - hot wire element 26 - Still with a second wire element 50 provided, which can be produced in the same way as the first wire element 26 ,

7 zeigt eine weitere mögliche Ausgestaltung der Baugruppen 42, 44 (am Beispiel der ersten Baugruppe 42, die zweite Baugruppe 44 ist bis auf die Anordnung der Kerbe 46 identisch zu der ersten Baugruppe 42), bei der bei jedem Hitzdrahtsensorelement 10, 36, 38, 40 zusätzlich zu dem zweiten Drahtelement 50 und dem Hitzdrahtelement 26 noch ein drittes Drahtelement 52 vorgesehen ist. Auch das dritte Drahtelement 52 ist in der gleichen Weise herstellbar wie das Hitzdrahtelement 26. 7 shows a further possible embodiment of the modules 42 . 44 (using the example of the first module 42 , the second assembly 44 is up to the arrangement of the notch 46 identical to the first module 42 ) at each hot wire sensor element 10 . 36 . 38 . 40 in addition to the second wire element 50 and the hot wire element 26 still a third wire element 52 is provided. Also the third wire element 52 is manufacturable in the same way as the hot wire element 26 ,

Das zweite Drahtelement 50 bei 6 sowie das zweite und das dritte Drahtelement 50, 52 bei 7 verlaufen parallel zu dem Hitzdrahtelement 26. Bei der Ausgestaltung mit drei Drahtelementen 26, 50, 52 wird das Hitzdrahtelement 26 zwischen dem zweiten Drahtelement 50 und dem dritten Drahtelement 52 angeordnet.The second wire element 50 at 6 and the second and third wire elements 50 . 52 at 7 run parallel to the Hitzdrahtelement 26 , In the embodiment with three wire elements 26 . 50 . 52 becomes the hot-wire element 26 between the second wire element 50 and the third wire element 52 arranged.

Die Ausgestaltung mit nur einem zusätzlichen Drahtelement 50 (6) wird derart in der Strömung angeordnet, dass das zweite Drahtelement 50 stromabwärts des Hitzdrahtelements 26 angeordnet ist. Die praktische Anordnung der Sensoren mit zwei zusätzlichen Drahtelementen 50, 52 (7) wird vorzugsweise derart getroffen, dass die zusätzlichen Drahtelemente 50, 52 stromaufwärts und stromabwärts des Hitzdrahtelements 26 zu liegen kommen.The embodiment with only one additional wire element 50 ( 6 ) is arranged in the flow such that the second wire element 50 downstream of the hot wire element 26 is arranged. The practical arrangement of the sensors with two additional wire elements 50 . 52 ( 7 ) is preferably made such that the additional wire elements 50 . 52 upstream and downstream of the hot wire element 26 to come to rest.

Diese zusätzlichen Drahtelemente 50, 52 werden nicht beheizt und dienen nur als Temperatursensoren. Eine adequate Temperatursensitivität kann beispielsweise durch einen passenden Temperaturkoeffizienten ihres elektrischen Widerstandes erreicht werden. Bei vorgegebenem TCR des Sensormaterials wird die Temperatursensitivität durch die Wahl der Arbeitstemperatur erzielt. Hohe Übertemperatur – in Bezug auf die Umgebungstemperatur – bedeutet hohe Geschwindigkeitssensitivität, geringe Übertemperatur bedeutet geringe Geschwindigkeitssenitivität. Die zusätzlichen Drahtelemente 50, 52 messen somit den Hitzetransfer durch Konvektion von dem Hitzdrahtsensorelement 26 aufgrund der Fluidströmung. Diese, beispielsweise durch zusätzliche Drähte gebildeten, zusätzlichen Drahtelemente 50, 52 werden ebenfalls mit der Grundplatte 22 durch zusätzliche elektrische Verbindungen 54 verbunden, die auf der Oberfläche der Zinken 24, 25 verlaufen und jeweils zueinander und zu dem Substrat 20 elektrisch isoliert sind. Lediglich elektrisches Bezugspotential kann von den unterschiedlichen Kreisen gemeinsam genutzt werden.These additional wire elements 50 . 52 are not heated and serve only as temperature sensors. An adequate temperature sensitivity can be achieved, for example, by a suitable temperature coefficient of its electrical resistance. For a given TCR of the sensor material, the temperature sensitivity is achieved by selecting the working temperature. High overtemperature - in relation to the ambient temperature - means high speed sensitivity, low overtemperature means low speed sensitivity. The additional wire elements 50 . 52 thus measure the heat transfer by convection from the hot wire sensor element 26 due to the fluid flow. These, formed for example by additional wires, additional wire elements 50 . 52 are also with the base plate 22 through additional electrical connections 54 connected to the surface of the tines 24 . 25 run and each other and to the substrate 20 are electrically isolated. Only electrical reference potential can be shared by the different circles.

Mit den zuvor beschriebenen unterschiedlichen Ausführungen der Hitzdrahtsensorelemente 10, 36, 38, 40 lassen sich auf folgende Wege brauchbare Temperatursignale erhalten:

  • a) Eine mögliche Verfahrensweise ist, das Hitzdrahtelement 26 mit einem konstanten Strom zu betreiben und seine durch den strömungsinduzierten Hitzetransfer bedingte Temperaturänderung durch Erfassen einer Änderung seines Widerstandes zu messen.
  • b) Eine weitere Möglichkeit ist, das Hitzdrahtelement bei einer konstanten erhöhten Temperatur zu halten wobei man die Menge der hierzu benötigten elektrischen Energie oder Leistung als Anzeige für die Geschwindigkeit der Strömung verwendet. Mit einem ordentlich entworfenen und ausgelegten Ringleitersteuerschaltkreis oder -regelschaltkreis lassen sich höhere Grenzfrequenzen erreichen als in dem Konstantstrommodus.
  • c) Bei einer Mehrdrahtanordnung wie sie beispielsweise in 6 und 7 dargestellt ist, wird üblicherweise das Verfahren b) angewandt, wobei das stromaufwärtige Drahtelement 50 als ein Anzeigeelement für die Umgebungstemperatur verwendet wird. Im Falle von zwei Temperatursensordrähten kann der Temperaturunterschied zwischen den beiden Drahtelementen als direkter Anzeiger der Fluidströmung verwendet werden.
  • d) Die Mehrdrahtkonstellation erlaubt zusätzlich ein sogenanntes Flugzeitkonzept für die Strömungsmessung. Die Grundidee ist, die Flugzeit zu messen, die benötigt wird, bis ein ein kurzer durch den Heizwiderstand induzierter Hitzeimpuls einen der Temperaturerfassungsdrähte erreicht. Bei den konkreten Ausführungsformen gemäß 6 und 7 würde demnach die Zeit gemessen, die vom Einleiten eines kurzen Hitzeimpulses in das Hitzdrahtelement bis zum Erfassen des Hitzeimpulses durch das zweite Drahtelement 50 oder das dritte Drahtelement 52 reicht.
With the different embodiments of the hot-wire sensor elements described above 10 . 36 . 38 . 40 can be obtained in the following ways usable temperature signals:
  • a) One possible procedure is the hot-wire element 26 to operate at a constant current and measure its temperature change due to the flow-induced heat transfer by detecting a change in its resistance.
  • b) Another possibility is to keep the hot-wire element at a constant elevated temperature using the amount of electrical energy or power required for this purpose as an indication of the velocity of the flow. With a neatly designed and laid out The ring conductor control circuit or regulation circuit can achieve higher cutoff frequencies than in the constant current mode.
  • c) In a multi-wire arrangement such as in 6 and 7 is shown, the method b) is usually applied, wherein the upstream wire element 50 is used as an ambient temperature indicator. In the case of two temperature sensor wires, the temperature difference between the two wire elements can be used as a direct indicator of fluid flow.
  • d) The multi-wire constellation additionally allows a so-called time-of-flight concept for flow measurement. The basic idea is to measure the time of flight required for a short heat pulse induced by the heating resistor to reach one of the temperature sensing wires. In the concrete embodiments according to 6 and 7 Accordingly, the time would be measured, from the introduction of a short heat pulse in the Hitzdrahtelement until detecting the heat pulse through the second wire element 50 or the third wire element 52 enough.

Wie in 6 angedeutet, erfolgt der Zusammenbau der beiden Baugruppen 42 und 45, indem diese mit 90° zueinander gedreht werden und aneinander befestigt werden. Dadurch erhält man vier Drahtelemente in jeweils rechtwinkliger Ausrichtung zueinander. Dies ist die Minimalkonfiguration für die Messung einer Verwirbelung eines turbulenten Strömungsfeldes.As in 6 indicated, the assembly of the two modules takes place 42 and 45 by being rotated 90 ° to each other and attached to each other. This gives four wire elements in each perpendicular orientation to each other. This is the minimum configuration for measuring turbulence of a turbulent flow field.

Außer in der in 6 dargestellten Weise kann ein vergleichbarer Aufbau auch durch entsprechende aneinander Befestigung von vier Hitzdrahtsensorelementen 10 gemäß der Ausführungsform von 1 erhalten werden.Except in the in 6 As shown, a comparable structure can also be achieved by fitting together four hot-wire sensor elements 10 according to the embodiment of 1 to be obtained.

Um alle drei Dimensionen eines Wirbelvektors des Strömungsfeldes zu erhalten, werden drei solcher 4-Hitzdrahtelemente-Sensoren in passender Anordnung miteinander kombiniert.Around all three dimensions of a vortex vector of the flow field To obtain three such 4-Hitzdrahtelemente sensors in matching arrangement combined.

Mögliche Anordnungen sind in den 811 dargestellt. Diese grundsätzlichen Anordnungen, die mit Strömungs- und Wirbelmessfühlern in den Ausführungsfor men gemäß 17 verwirklicht werden können, werden im Folgenden näher erläutert.Possible arrangements are in the 8th - 11 shown. These basic arrangements with the flow and vortex sensors in the Ausführungsfor men according to 1 - 7 can be realized, are explained in more detail below.

Mit den Anordnungen sollen zumindest Komponenten des Wirbelvektors direkt gemessen werden.With the arrangements should at least components of the vortex vector directly be measured.

8 zeigt eine kreuzweise Anordnung von zwei Hitzdrahtelementen 26 eines ersten Hitzdrahtsensorelements 10 und eines zweiten Hitzdrahtsensorelements 36 in Kombination mit zwei Paaren von jeweils parallel angeordneten weiteren Drahtelementen, welche Paare senkrecht zueinander und senkrecht zu der Kreuzanordnung stehen. 8th shows a crosswise arrangement of two hot wire elements 26 a first hot wire sensor element 10 and a second hot wire sensor element 36 in combination with two pairs of parallel further wire elements, which pairs are perpendicular to each other and perpendicular to the cross assembly.

Die kreuzweise Anordnung kann durch eine Ausbildung gemäß 3 realisiert werden. Weiter können die parallelen Drähte ähnlich wie bei den Drahtsensorelementen 36, 38, 40 gemäß 3 oder 7 gezeigt ebenfalls in Mikrofertigungstechnik angefertigt werden.The crosswise arrangement can by training according to 3 will be realized. Further, the parallel wires may be similar to the wire sensor elements 36 . 38 . 40 according to 3 or 7 shown also produced in microfabrication.

Durch eine solche Anordnung gemäß 8 lassen sich die Querstromwirbelkomponenten Ωy und Ωz messen. Mit den beiden Paaren 60, 62 paralleler Drahtelemente lässt sich ∂u/∂y abschätzen. Mit der X-Anordnung lässt sich der Betrag u des Vektors in x-Richtung und der Betrag v des Vektors in y-Richtung abschätzen.By such an arrangement according to 8th let the crossflow vortex components Ω y and Ω z be measured. With the two couples 60 . 62 parallel wire elements can be estimated ∂u / ∂y. With the X-arrangement, the magnitude u of the vector in the x-direction and the magnitude v of the vector in the y-direction can be estimated.

9 zeigt eine Anordnung mit fünf Hitzdrahtelementen 7175, wobei die Hitzdrahtelemente 72 und 73 ähnlich wie in der Baugruppe 42, 44 von 6 in Mikrofertigungstechnik ausgebildet und angeordnet werden können. Auch die übrigen Drahtsensorelemente könnten entsprechend unter Verwendung von Mikrofertigungstechniken hergestellt und konfiguriert werden. Der dargestellte Messfühler kann die strömungsgerichtete Verwirbelung messen und auch gleichzeitig auf die quergerichteten Wirbelvektorkomponenten Ωy und Ωz sensitiv sein, die gleichzeitig gemessen werden können. 9 shows an arrangement with five hot wire elements 71 - 75 , wherein the hot-wire elements 72 and 73 similar to the assembly 42 . 44 from 6 can be formed and arranged in microfabrication technology. The remaining wire sensor elements could also be manufactured and configured using microfabrication techniques. The sensor shown can measure the flow-directed turbulence and at the same time be sensitive to the transverse vortex vector components Ω y and Ω z , which can be measured simultaneously.

10 zeigt die grundsätzliche Anordnung von Drahtelementen in einem 6-Sensor-Fühler 80, der gleichzeitig Ωx und Ωz oder durch Drehung des Fühlers um 90° Ωx, Ωy messen kann. Die sechs Hitzdrahtelemente 8186 bilden vier Paare von X-Konfigurationen. Auch diese Hitzdrahtelemente 8186 werden wie anhand der 1 und 7 erläutert hergestellt. 10 shows the basic arrangement of wire elements in a 6-sensor probe 80 , which can simultaneously measure Ω x and Ω z or by rotation of the probe by 90 ° Ω x , Ω y . The six hot-wire elements 81 - 86 form four pairs of X configurations. Also these hot wire elements 81 - 86 be like with the help of 1 and 7 explained manufactured.

11 zeigt weitere fünf Konfigurationen, die mit den Strömungs- oder Wirbelfühlern 12 gemäß 6 und/oder den Elementen gemäß 1 erzielbar sind. In 11a sind drei orthogonale 3-Hitzdraht-Arrays dargestellt. Jedes dieser 3-Hitzdraht-Arrays lässt sich durch eine Kombination von dreien der in 1 dargestellten Hitzdrahtsensorelemente 10 aufbauen. 11 shows another five configurations with the flow or vortex sensors 12 according to 6 and / or the elements according to 1 can be achieved. In 11a three orthogonal 3-hot-wire arrays are shown. Each of these 3-wire-hot-wire arrays can be made by combining three of them 1 shown hot wire sensor elements 10 build up.

11b zeigt drei orthogonale 4-Hitzdraht-Arrays. Jedes dieser 4-Hitzdraht-Arrays kann man durch einen Strömungs- oder Wirbelmessfühler 12 gemäß 6 (jeweils in Draufsicht von links in 6 gesehen) ausbilden. 11b shows three orthogonal 4-hot-wire arrays. Each of these 4-hot-wire arrays can be controlled by a flow or vortex sensor 12 according to 6 (each in plan view from the left in 6 trained).

11c zeigt eine Anordnung von fünf solcher 4-Hitzdraht-Arrays 90; 11d zeigt eine Anordnung von drei solcher 4-Hitzdraht-Arrays 90 und 11e zeigt eine weitere mögliche Anordnung von fünf solcher 4-Hitzdraht-Arrays. 11c shows an arrangement of five such 4-hot-wire arrays 90 ; 11d shows an on order of three such 4-hot-wire arrays 90 and 11e shows another possible arrangement of five such 4-hot-wire arrays.

Typische Größenordnungen für den Strömungs- oder Wirbelmessfühler 12 bzw. die einzelnen Hitzdrahtsensorelemente 10, 36, 38, 40 sind, wie in der 7, angedeutet, eine Länge L im cm-Bereich (0,5 bis ca. 5 cm), eine Breite W1 der Zinken 24, 25 in der Größenordnung von 100 μm einer Breite W2 des Abstandes, der durch die Drahtelemente überbrückt wird, im Bereich von einigen 10 μm.Typical magnitudes for the flow or vortex sensor 12 or the individual hot wire sensor elements 10 . 36 . 38 . 40 are, as in the 7 , indicated, a length L in the cm range (0.5 to about 5 cm), a width W 1 of the tines 24 . 25 in the order of 100 .mu.m of a width W 2 of the distance, which is bridged by the wire elements, in the range of a few 10 microns.

1010
erstes Hitzdrahtsensorelementfirst Hitzdrahtsensorelement
1212
Strömungs- oder WirbelmessfühlerFlow or Eddy probe
1616
Sensorsystemsensor system
1818
Basiskörperbase body
2020
Substratsubstratum
2222
Grundplattebaseplate
2424
erster Zinken (erster Vorsprung)first Tines (first projection)
2525
zweiter Zinken (zweiter Vorsprung)second Tines (second projection)
2626
erstes Drahtelement, Hitzdrahtelementfirst Wire element, hot wire element
2828
elektrische Verbindungelectrical connection
3030
Leiterbahnconductor path
3232
Bondpadsbond pads
3434
Kontaktstiftecontact pins
3636
zweites Hitzdrahtsensorelementsecond Hitzdrahtsensorelement
3838
drittes Hitzdrahtsensorelementthird Hitzdrahtsensorelement
4040
viertes Hitzdrahtsensorelementfourth Hitzdrahtsensorelement
4242
erste Baugruppefirst module
4444
zweite Baugruppesecond module
4646
Kerbescore
5050
zweites Drahtelementsecond wire element
5252
drittes Drahtelementthird wire element
5454
elektrische Verbindungelectrical connection
6060
erstes Paar paralleler Drahtelementefirst Pair of parallel wire elements
6262
zweites Paar paralleler Drahtelementesecond Pair of parallel wire elements
71–7571-75
HitzdrahtelementeHitzdrahtelemente
8080
6-Sensor-Fühler6-sensor probe
81–8681-86
HitzdrahtelementeHitzdrahtelemente
9090
4-Hitzdraht-Array4-hot wire array
LL
Länge des DrahtsensorelementsLength of the Wire sensor element
W1 W 1
Breite der Zinkenwidth the tines
W2 W 2
Breite des Abstandes zwischen den Zinkenwidth the distance between the tines

Claims (16)

Strömungs- oder Wirbelmessfühler (12) mit einem ersten auf einem Substrat (20) mikrogefertigten Hitzdrahtsensorelement (10) zum Messen einer ersten Komponente eines Strömungs- oder Wirbelfeldes eines Fluids, und wenigstens einem zweiten auf einem Substrat (20) mikrogefertigten Hitzdrahtsensorelement (36), welches in einem festen Winkel zum ersten Hitzdrahtsensorelement (10) angeordnet ist, um wenigstens eine zur ersten Komponente unterschiedliche zweite Komponente des Strömungs- oder Wirbelfeldes zu messen, dadurch gekennzeichnet, dass jedes mikrogefertigte Hitzdrahtsensorelement (10, 36, 38, 40) von einem Basiskörper (18) des Substrats (20) vorstehende längliche Vorsprünge (24, 25) oder Stifte hat, wobei zwischen einem Endbereich eines ersten Vorsprungs (24) bzw. Stiftes und einem Endbereich eines zweiten Vorsprungs (25) bzw. Stiftes ein Hitzdrahtelement (26) frei aufgehängt ist, welches dazu ausgebildet ist, durch einen durch das Hitzdrahtelement (26) hindurchfließenden elektrischen Strom aufgeheizt zu werden, und dass der erste Vorsprung (24) oder erste Stift in seiner Längsrichtung länger als der zweite Vorsprung (25) oder zweite Stift ist, so dass das Hitzdrahtelement (26) bezüglich des Basiskörpers (18) schräg aufgehängt ist, so dass durch spiegelbildliche Anordnung und Ausbildung der Hitzdrahtsensorelemente (10, 36) eine unterschiedliche Ausrichtung zweier Hitzdrahtelemente (26) erreichbar ist.Flow or vortex sensor ( 12 ) with a first on a substrate ( 20 ) microfabricated hot wire sensor element ( 10 ) for measuring a first component of a fluid or vortex field of a fluid, and at least a second one on a substrate ( 20 ) microfabricated hot wire sensor element ( 36 ), which is at a fixed angle to the first hot-wire sensor element (FIG. 10 ) to measure at least one second component of the flow or vortex field different from the first component, characterized in that each microfabricated hot-wire sensor element ( 10 . 36 . 38 . 40 ) of a base body ( 18 ) of the substrate ( 20 ) projecting elongated projections ( 24 . 25 ) or pins, wherein between an end region of a first projection ( 24 ) or pin and an end portion of a second projection ( 25 ) or pin a hot wire element ( 26 ) freely suspended, which is adapted to pass through a through the hot wire element ( 26 ) to be heated therethrough, and that the first projection ( 24 ) or first pin in its longitudinal direction longer than the second projection ( 25 ) or second pin, so that the hot wire element ( 26 ) with respect to the base body ( 18 ) is suspended obliquely, so that by mirror image arrangement and formation of the Hitzdrahtsensorelemente ( 10 . 36 ) a different orientation of two hot wire elements ( 26 ) is reachable. Strömungs- oder Wirbelmessfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hitzdrahtelement (26) des ersten Hitzdrahtsensorelements (10) und das Hitzdrahtelement (26) des zweiten Hitzdrahtsensorelements (36) sich mit einem Winkel von etwa 90° zueinander erstrecken.Flow or vortex sensor according to claim 1, characterized in that the hot wire element ( 26 ) of the first hot wire sensor element ( 10 ) and the hot wire element ( 26 ) of the second hot wire sensor element ( 36 ) extend at an angle of about 90 ° to each other. Strömungs- oder Wirbelmessfühler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Hitzdrahtelement (26) und der erste länglichen Vorsprung (24) oder erste Stift einen Winkel (α) von etwa 45° aufspannen.Flow or vortex sensor according to claim 2 or 3, characterized in that the hot-wire element ( 26 ) and the first elongated projection ( 24 ) or first pin an angle (α) of about 45 ° span. Strömungs- oder Wirbelmessfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Hitzdrahtsensorelement (10, 36) um eine parallel zu der Längsrichtung der ersten Vorsprünge oder Stifte verlaufende Ebene oder Linie gespiegelt ausgebildet und angeordnet sind.Flow or vortex sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the first and the second Hitzdrahtsensorelement ( 10 . 36 ) are formed and arranged mirrored around a plane or line running parallel to the longitudinal direction of the first projections or pins. Strömungs- oder Wirbelmessfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Basiskörper (18) eine Grundplatte (22) ist, dass die Vorsprünge bzw. Stifte Zacken oder Zinken (24, 25) sind, die sich von einer schmalen Seite der Grundplatte (22) aus parallel zur Erstreckungsebene der Grundplatte (22) erstrecken, und dass das Hitzdrahtelement (26) sich parallel zur Erstreckungsebene der Grundplatte (22) erstreckt.Flow or vortex sensor according to one of claims 1 to 4, characterized in that the base body ( 18 ) a base plate ( 22 ) is that the projections or pins teeth or prongs ( 24 . 25 ), which extend from a narrow side of the base plate ( 22 ) from parallel to the plane of extension of the base plate ( 22 ) and that the hot-wire element ( 26 ) parallel to the plane of extension of the base plate ( 22 ). Strömungs- oder Wirbelmessfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Hitzdrahtelement (26) zum Generieren eines elektrischen Signals ausgebildet ist, aus welchem die Temperatur des Hitzdrahtelements (26) bestimmbar ist.Flow or vortex sensor according to one of claims 1 to 5, characterized in that the hot-wire element ( 26 ) is configured to generate an electrical signal from which the temperature of the Hitzdrahtelements ( 26 ) is determinable. Strömungs- oder Wirbelmessfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Hitzdrahtsensorelemente (10, 36, 38, 40) ein zweites Drahtelement (50) hat, das sich im wesentlichen parallel zu dem Hitzdrahtelement (26) mit einem durch das zu messende Strömungs- oder Wirbelfeld zu durchstreichenden Zwischenabstand erstreckt.Flow or vortex sensor according to one of claims 1 to 6, characterized in that at least one of the Hitzdrahtsensorelemente ( 10 . 36 . 38 . 40 ) a second wire element ( 50 ), which is substantially parallel to the hot-wire element ( 26 ) extends with an interspaced by the flow or vortex field to be measured. Strömungs- oder Wirbelmessfühler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Hitzdrahtsensorelement (10, 36, 38, 40) ein drittes Drahtelement (52) hat, das sich parallel zu dem Hitzdrahtelement (26) und zu dem zweiten Drahtelement (50) derart erstreckt, dass das Hitzdrahtelement (26) zwischen dem zweiten (50) und dritten (52) Drahtelement angeordnet ist und dass zwischen dem Hitzdrahtelement (26) und dem dritten Drahtelement (52) ein Zwischenabstand besteht, der durch das zu messende Strömungs- oder Wirbelfeld durchstreichbar ist.Flow or vortex sensor according to claim 7, characterized in that the at least one hot wire sensor element ( 10 . 36 . 38 . 40 ) a third wire element ( 52 ) which is parallel to the hot wire element ( 26 ) and to the second wire element ( 50 ) such that the hot wire element ( 26 ) between the second ( 50 ) and third ( 52 ) Wire element is arranged and that between the Hitzdrahtelement ( 26 ) and the third wire element ( 52 ) there is an intermediate distance, which can be passed through the flow or vortex field to be measured. Strömungs- oder Wirbelmessfühler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Hitzdrahtsensorelemente (10, 36, 38, 40) eine elektrische Verbindung (28, 54) zu seinem wenigstens einen Drahtelement (26, 50, 52) aufweist, deren elektrischer Widerstand wesentlich geringer ist als der elektrische Widerstand des Drahtelements (26, 50, 52) selbst.Flow or vortex sensor according to claim 8, characterized in that each of the hot wire sensor elements ( 10 . 36 . 38 . 40 ) an electrical connection ( 28 . 54 ) to its at least one wire element ( 26 . 50 . 52 ) whose electrical resistance is substantially lower than the electrical resistance of the wire element ( 26 . 50 . 52 ) even. Strömungs- oder Wirbelmessfühler nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Drahtelemente (26, 50, 52) aus polykristallinen Halbleitermaterial, insbesondere aus polykristallinem Silizium, oder aus einem Metallfilm, insbesondere aus Platin, einer Platin-Rhodium-Legierung, Wolfram oder Gold, gebildet sind.Flow or vortex sensor according to one of claims 8 or 9, characterized in that the one or more wire elements ( 26 . 50 . 52 ) are formed of polycrystalline semiconductor material, in particular of polycrystalline silicon, or of a metal film, in particular of platinum, a platinum-rhodium alloy, tungsten or gold. Strömungs- oder Wirbelmessfühler nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Hitzdrahtsensorelement (10, 36) auf einem gemeinsamen Substrat (20) ausgebildet sind.Flow or vortex sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the first and the second hot-wire sensor element ( 10 . 36 ) on a common substrate ( 20 ) are formed. Strömungs- oder Wirbelmessfühler nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (20) der jeweiligen Hitzdrahtsensorelemente (10, 36, 38, 40) aus einkristallinem Halbleiter, insbesondere einkristallinem Silizium gebildet ist.Flow or vortex sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the substrate ( 20 ) of the respective hot-wire sensor elements ( 10 . 36 . 38 . 40 ) is formed of monocrystalline semiconductor, in particular monocrystalline silicon. Strömungs- oder Wirbelmessfühler nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein drittes Hitzdrahtsensorelement (38) mit einem Hitzdrahtelement (26) vorgesehen ist, das sich in eine unterschiedliche Richtung wie die Hitzdrahtelemente (26), des ersten und zweiten Hitzdrahtsensorelements (10, 36) erstreckt, um eine dritte Komponente des Strömungs- oder Wirbelfeldes zu messen.Flow or vortex sensor according to one of the preceding claims, characterized in that a third hot-wire sensor element ( 38 ) with a hot wire element ( 26 ) is provided, which is in a different direction as the Hitzdrahtelemente ( 26 ), the first and second hot wire sensor elements ( 10 . 36 ) to measure a third component of the flow or vortex field. Strömungs- oder Wirbelmessfühler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein viertes Hitzdrahtsensorelement (40) mit einem Hitzdrahtelement (26) vorgesehen ist, das sich in eine unterschiedliche Richtung wie die Hitzdrahtelemente (26), des ersten, zweiten und dritten Hitzdrahtsensorelements (10, 36, 38) erstreckt, um noch eine vierte Komponente des Strömungs- oder Wirbelfeldes zu messen.Flow or vortex sensor according to claim 13, characterized in that a fourth hot wire sensor element ( 40 ) with a hot wire element ( 26 ) is provided, which is in a different direction as the Hitzdrahtelemente ( 26 ), the first, second and third hot wire sensor elements ( 10 . 36 . 38 ) to measure a fourth component of the flow or vortex field. Strömungs- oder Wirbelmessfühler nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass sich die jeweiligen Hitzdrahtelemente (26) des ersten bis vierten Hitzdrahtsensorelements (10, 36, 38, 40) jeweils mit einem im wesentlichen rechten Winkel zueinander erstrecken.Flow or vortex sensor according to claim 14, characterized in that the respective Hitzdrahtelemente ( 26 ) of the first to fourth hot wire sensor elements ( 10 . 36 . 38 . 40 ) each extend at a substantially right angle to each other. Strömungs- oder Wirbelmessfühler nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere wenigstens aus jeweils einem ersten und einem zweiten Hitzdrahtsensorelement (10, 36, 38, 40) gebildete Hitzdrahtsensoreinheiten (42, 44) mit unterschiedlichem Winkel zueinander ausgerichtet räumlich im Nahbereich zueinander angeordnet sind.Flow or vortex sensor according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of at least each of a first and a second Hitzdrahtsensorelement ( 10 . 36 . 38 . 40 ) formed hot-wire sensor units ( 42 . 44 ) are arranged at different angles to each other spatially in the vicinity of each other.
DE200810020874 2008-04-25 2008-04-25 Flow or vortex sensor Expired - Fee Related DE102008020874B4 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE200810020874 DE102008020874B4 (en) 2008-04-25 2008-04-25 Flow or vortex sensor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE200810020874 DE102008020874B4 (en) 2008-04-25 2008-04-25 Flow or vortex sensor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE102008020874A1 DE102008020874A1 (en) 2009-11-12
DE102008020874B4 true DE102008020874B4 (en) 2010-02-25

Family

ID=41152468

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE200810020874 Expired - Fee Related DE102008020874B4 (en) 2008-04-25 2008-04-25 Flow or vortex sensor

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102008020874B4 (en)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2958754B1 (en) * 2010-04-12 2012-10-26 Centre Nat Rech Scient HOT WIRE SENSOR OF SUBLIMILLIMETRIC SIZE AND METHOD OF MAKING THE SAME.
FR2967782B1 (en) * 2010-11-19 2013-09-06 Inst Nat Sciences Appliq DEVICE FOR DETERMINING A SENSE OF FLOW OF A FLUID FOLLOWING A PREDETERMINED AXIS
DE102013013148B3 (en) * 2013-08-08 2014-08-07 Eads Deutschland Gmbh Mass flow sensor for detecting physical properties of mass flow of fluid, has material layer arranged between measuring layer and induction device, and measuring layer is applied on carrier film mounted interchangeably on base portion
DE102021120363A1 (en) 2021-08-05 2023-02-09 Sick Engineering Gmbh FLOW METERING SYSTEM

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4884443A (en) * 1987-12-23 1989-12-05 Siemens-Bendix Automotive Electronics L. P. Control and detection circuitry for mass airflow sensors
US5231878A (en) * 1991-12-23 1993-08-03 Ford Motor Company Mass air flow sensor
US5883310A (en) * 1994-11-04 1999-03-16 The Regents Of The University Of California Micromachined hot-wire shear stress sensor
EP1031821A1 (en) * 1999-02-26 2000-08-30 Delphi Technologies, Inc. Micromachined mass flow sensor with ambient temperature sensor
WO2003062758A1 (en) * 2002-01-18 2003-07-31 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Microscale out-of-plane anemometer
EP1348937A2 (en) * 2002-03-27 2003-10-01 Hitachi, Ltd. Micromachined thermal mass flow sensor
US20070113644A1 (en) * 2005-07-07 2007-05-24 Junji Manaka Non-contact condensation detecting method and non-contact condensation detecting apparatus

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4884443A (en) * 1987-12-23 1989-12-05 Siemens-Bendix Automotive Electronics L. P. Control and detection circuitry for mass airflow sensors
US5231878A (en) * 1991-12-23 1993-08-03 Ford Motor Company Mass air flow sensor
US5883310A (en) * 1994-11-04 1999-03-16 The Regents Of The University Of California Micromachined hot-wire shear stress sensor
EP1031821A1 (en) * 1999-02-26 2000-08-30 Delphi Technologies, Inc. Micromachined mass flow sensor with ambient temperature sensor
WO2003062758A1 (en) * 2002-01-18 2003-07-31 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Microscale out-of-plane anemometer
EP1348937A2 (en) * 2002-03-27 2003-10-01 Hitachi, Ltd. Micromachined thermal mass flow sensor
US20070113644A1 (en) * 2005-07-07 2007-05-24 Junji Manaka Non-contact condensation detecting method and non-contact condensation detecting apparatus

Also Published As

Publication number Publication date
DE102008020874A1 (en) 2009-11-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69830345T2 (en) THERMAL FLOW FLOW MEASUREMENT OR MEASUREMENT OF OTHER PROPERTIES OF A FLUID BY DETERMINING A FREQUENCY
DE60129992T2 (en) MICROSENSOR FOR MEASURING SPEED AND DIRECTION ANGLE OF AN AIRFLOW
DE19619910C2 (en) Measuring element for a mass air flow sensor and mass air flow sensor using the measuring element
DE69817875T2 (en) DETERMINING THE SPEED OF A FLUID USING HEAT PULSE MEASUREMENTS
EP2869040B1 (en) Flow sensor for monitoring a flow parameter and method of determining the same
DE4300605A1 (en) Bridge circuit
DE102008020874B4 (en) Flow or vortex sensor
DE2403908A1 (en) FLOW METER
EP1990612B1 (en) Device for two-dimensional measuring of the velocity field in flows
DE3637541A1 (en) DEVICE FOR DETERMINING THE MASS CURRENT AND THE FLOW DIRECTION
EP3546931B1 (en) Thermoresistive gas sensor, flow sensor and thermal conductivity sensor
DE2948742C2 (en)
DE202012103700U1 (en) Measuring device for measuring the pressure and the velocity of a vortex flow field
DE19753642C2 (en) Method of making an electrical resistor
DE19919398B4 (en) Heat sensitive flow rate sensor
EP3341746A1 (en) Method and arrangement for determining the transverse sensitivity of magnetic field sensors
WO2018165689A1 (en) Particle sensor and method for measuring particle concentrations
DE102013223372A1 (en) DEVICE FOR DETERMINING A FLOW PARAMETER OF A FLUID CURRENT
EP0268004A1 (en) Apparatus for the determination of the direction of a flow
DE4102920C2 (en)
DE4205207A1 (en) Gas or liquid flowmeter - has sensor element radially symmetrical w.r.t. centre point in hollow chamber with inlet and outlets
EP3196659A1 (en) Flow sensor and method for producing the same
DE4208135A1 (en) Arrangement for measuring gas or liquid flow - contains four temp. dependent resistances forming two sensors in Wheatstone bridge
DE19848109B4 (en) Flow rate sensors
DE4040375C2 (en) Thermal flow meter

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
8364 No opposition during term of opposition
R082 Change of representative

Representative=s name: FLUEGEL PREISSNER KASTEL SCHOBER, DE

R081 Change of applicant/patentee

Owner name: AIRBUS DEFENCE AND SPACE GMBH, DE

Free format text: FORMER OWNERS: EADS DEUTSCHLAND GMBH, 85521 OTTOBRUNN, DE; UNIVERSITY OF PATRAS VERTRETEN DURCH PROF. VASSILIS ANASTASSOPOULOS, RIO, GR

Effective date: 20140819

Owner name: UNIVERSITY OF PATRAS VERTRETEN DURCH PROF. VAS, GR

Free format text: FORMER OWNERS: EADS DEUTSCHLAND GMBH, 85521 OTTOBRUNN, DE; UNIVERSITY OF PATRAS VERTRETEN DURCH PROF. VASSILIS ANASTASSOPOULOS, RIO, GR

Effective date: 20140819

Owner name: AIRBUS DEFENCE AND SPACE GMBH, DE

Free format text: FORMER OWNER: EADS DEUTSCHLAND GMBH, UNIVERSITY OF PATRAS VERTRETEN, , GR

Effective date: 20140819

Owner name: UNIVERSITY OF PATRAS VERTRETEN DURCH PROF. VAS, GR

Free format text: FORMER OWNER: EADS DEUTSCHLAND GMBH, UNIVERSITY OF PATRAS VERTRETEN, , GR

Effective date: 20140819

R082 Change of representative

Representative=s name: FLUEGEL PREISSNER KASTEL SCHOBER PATENTANWAELT, DE

Effective date: 20140819

Representative=s name: KASTEL PATENTANWAELTE, DE

Effective date: 20140819

Representative=s name: FLUEGEL PREISSNER SCHOBER SEIDEL PATENTANWAELT, DE

Effective date: 20140819

R082 Change of representative

Representative=s name: KASTEL PATENTANWAELTE PARTG MBB, DE

Representative=s name: KASTEL PATENTANWAELTE, DE

R081 Change of applicant/patentee

Owner name: AIRBUS DEFENCE AND SPACE GMBH, DE

Free format text: FORMER OWNERS: AIRBUS DEFENCE AND SPACE GMBH, 85521 OTTOBRUNN, DE; UNIVERSITY OF PATRAS VERTRETEN DURCH PROF. VASSILIS ANASTASSOPOULOS, RIO, GR

R082 Change of representative

Representative=s name: KASTEL PATENTANWAELTE PARTG MBB, DE

Representative=s name: KASTEL PATENTANWAELTE, DE

R082 Change of representative

Representative=s name: KASTEL PATENTANWAELTE PARTG MBB, DE

Representative=s name: KASTEL PATENTANWAELTE, DE

R082 Change of representative

Representative=s name: KASTEL PATENTANWAELTE PARTG MBB, DE

R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee