DE102011081923A1 - Sensor chip, particularly thermal flow sensor chip for determining flow parameters, such as flow amount of gas, comprises sensor element for determining flow parameter, and condensate heater to heat substance by condensing temperature - Google Patents

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Abstract

The sensor chip (5) comprises a sensor element (12) for determining the flow parameter, and a condensate heater (30), which is formed in the sensor chip to heat a substance contained in the gas by a condensing temperature. The condensation temperature corresponds to a dew point temperature of the water contained in the gas. The condensate heater has a heating element integrated in the sensor chip. The sensor element is a thermal membrane sensor element and the condensate heater is arranged symmetrically on opposite sides of the membrane sensor element. An independent claim is included for a method for determining a flow parameter of a gas.

Description

ErfindungsgebietTHE iNVENTION field

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensorchip zur Bestimmung eines Strömungsparameters eines Gases, zum Beispiel einen thermischen Strömungssensorchip zur Bestimmung einer Strömungsmenge, einer Strömungsrichtung oder einer Fluidzustandsgröße, sowie Verfahren zur Bestimmung eines Strömungsparameters.The present invention relates to a sensor chip for determining a flow parameter of a gas, for example a thermal flow sensor chip for determining a flow rate, a flow direction or a fluid state variable, as well as methods for determining a flow parameter.

Hintergrund der ErfindungBackground of the invention

Strömungs- bzw. Durchflusssensoren zur Bestimmung eines Strömungsparameters, wie zum Beispiel eines Massendurchflusses, eines Volumendurchflusses, einer Strömungsgeschwindigkeit eines Fluides sind in vielfältigen Ausführungsformen und mit unterschiedlichen Messprinzipien aus dem Stand der Technik bekannt. Das Fluid kann ein Gas oder eine Flüssigkeit sein. Das Gas oder die Flüssigkeit können mehrere unterschiedliche Bestandteile bzw. Stoffe aufweisen. Luft kann beispielsweise solch ein Gas bzw. Fluid sein. Die Luft kann beispielsweise mit Wasserdampf gesättigt sein.Flow or flow sensors for determining a flow parameter, such as a mass flow, a volumetric flow, a flow velocity of a fluid are known in various embodiments and with different measuring principles from the prior art. The fluid may be a gas or a liquid. The gas or the liquid may have several different components or substances. For example, air may be such a gas or fluid. For example, the air may be saturated with water vapor.

Strömungsmesser und die entsprechenden Sensorchips werden in vielfältigen technischen Gebieten, wie zum Beispiel, der Luft- und Raumfahrt, der Fahrzeug- und Motorsteuerung, der Heiz- und Lüftungstechnik, der Medizintechnik sowie in der industriellen Prozesstechnik eingesetzt. Wird beispielsweise Luft als Fluid betrachtet, so spricht man bei solch einem Strömungssensor häufig auch von einem Anemometer, einem Kaloriemeter, einem Luftmassenmesser oder auch von einem Luft -Volumenstromsensor oder Luft-Massenstromsensor.Flowmeters and the corresponding sensor chips are used in a variety of technical fields, such as aerospace, vehicle and motor control, heating and ventilation technology, medical technology and industrial process technology. If, for example, air is considered as a fluid, then in such a flow sensor it is often also referred to as an anemometer, a calorimeter, an air mass meter or else an air volumetric flow sensor or air mass flow sensor.

Ein Strömungssensor kann beispielsweise als Induktionsdurchflussmesser, Ultraschalldurchflussmesser, Coriolis Massenstrommesser, thermischer Strömungssensor oder auch als Wirbelzähler ausgebildet sein.A flow sensor can be designed, for example, as an induction flow meter, ultrasonic flow meter, Coriolis mass flow meter, thermal flow sensor or as a vortex meter.

In der europäischen Patentanmeldung EP 1 512 948 A1 wird ein Gasdurchflusssensor mit Strömungsdiagnostik beschrieben. Das Gas wird dabei über ein miniaturisiertes thermisches CMOS-Anemometer geführt und ein Durchflusssignal gemessen. Dabei werden relativ hochfrequente Schwankungen des Durchflusssignals des CMOS-Anemometers um ein mittleres Durchflusssignal gemessen, und es werden Pulsationen in der Gasströmung aus dem Schwankungssignal bestimmt und angezeigt.In the European patent application EP 1 512 948 A1 a gas flow sensor with flow diagnostics will be described. The gas is passed through a miniaturized thermal CMOS anemometer and a flow signal is measured. In this case, relatively high-frequency fluctuations in the flow signal of the CMOS anemometer are measured around an average flow signal, and pulsations in the gas flow are determined from the fluctuation signal and displayed.

Die Offenlegungsschrift DE 10 324 292 A1 offenbart ein Messelement für einen Durchflusssensor, insbesondere einen Luftmassensensor für Brennkraftmaschinen. Es wird ein Messelement für einen Durchflusssensor vorgeschlagen, so dass die Abmessungen des Messelements verringert werden können.The publication DE 10 324 292 A1 discloses a measuring element for a flow sensor, in particular an air mass sensor for internal combustion engines. It is proposed a measuring element for a flow sensor, so that the dimensions of the measuring element can be reduced.

Aus der WO 01/18500 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Präzisionsmassenflussmessung bekannt. Es werden ein Verfahren und ein Sensor zur verbesserten Massenflussmessung offenbart, wobei in bekannten thermischen Massenflusssensoren ein Gasstrom mit einem Heizelement gewärmt wird und aus der Temperaturdifferenz zweier Thermoelemente der Massenfluss bestimmt wird. Zusätzlich wird zumindest eine stoffspezifische Kenngröße zur Charakterisierung des Wärmeübergangverhaltens des Gases gemessen und damit die Massenflussmenge korrigiert. Dazu wird ein spezieller Sensor zur Messung der stoffspezifischen Kenngrößen angegeben, der ähnlich wie der Massenflusssensor aufgebaut ist, aber in einem Staurohr einem strömungsfreien Anteil des Mediums ausgesetzt wird.From the WO 01/18500 A1 For example, a method and apparatus for precision mass flow measurement is known. It discloses a method and a sensor for improved mass flow measurement, wherein in known thermal mass flow sensors, a gas stream is heated with a heating element and from the temperature difference of two thermocouples, the mass flow is determined. In addition, at least one substance-specific parameter for characterizing the heat transfer behavior of the gas is measured and thus the mass flow quantity is corrected. For this purpose, a special sensor for measuring the substance-specific parameters is given, which is constructed similar to the mass flow sensor, but is exposed in a pitot tube to a flow-free portion of the medium.

Strömungsmesser mit entsprechenden Sensorchips werden auch in der Medizintechnik eingesetzt, so wird beispielsweise in sogenannten Spirometern eine Atemgasmessung, d. h. die zeitlich aufgelöste Messung des Volumenstroms beim Ein- und Ausatmen bestimmt. Solch eine Atemgasmessung mit zeitlicher Auflösung des Volumenstroms beim Ein- und Ausatmen kann beispielsweise mit thermischen Strömungssensoren, insbesondere mit mikrotechnischen Membransensoren, bei denen sich die wesentlichen Elemente wie Heizer und Temperatursensoren auf einer dünnen Membran befinden, durchgeführt werden. Allgemein haben thermische Strömungssensoren den Vorteil, dass sie eine hohe Messempfindlichkeit bei geringer Strömungsgeschwindigkeit eines Fluides aufweisen. Im Falle der Atemgasmessung ist eine hohe Messempfindlichkeit bei geringer Strömungsgeschwindigkeit im für die künstliche Beatmung wichtigen Umkehrpunkt zwischen Exspiration (Ausatmen) und Inspiration (Einatmen) wichtig. Gleichzeitig ist eine hohe Messdynamik wünschenswert, um auch hohe Strömungsspitzen zu erkennen bzw. zu messen.Flowmeters with corresponding sensor chips are also used in medical technology, so for example in so-called spirometers a breathing gas measurement, i. H. determines the time-resolved measurement of the volume flow during inhalation and exhalation. Such a breathing gas measurement with temporal resolution of the volume flow during inhalation and exhalation can be carried out, for example, with thermal flow sensors, in particular with microtechnical membrane sensors in which the essential elements such as heaters and temperature sensors are located on a thin membrane. In general, thermal flow sensors have the advantage that they have a high sensitivity at low flow rate of a fluid. In the case of breathing gas measurement is a high sensitivity at low flow velocity in the important for artificial ventilation reversal point between expiration (exhalation) and inspiration (inhalation) important. At the same time, high measurement dynamics are desirable in order to detect or measure even high flow peaks.

Ferner sind sogenannte Kammerkopf-Sensoren bekannt, die sich prinzipiell auch zur Strömungsmessung, beispielsweise in der Beatmungstechnik, eignen würden. Bei diesen Sensoren befindet sich der Sensorchip in einem kleinen Strömungskanal, der an der Spitze einer Sonde integriert ist. Zum Messen wird die Sonde bzw. deren Spitze in die Gasströmung, d. h. zum Beispiel eine Rohrleitung platziert, so dass ein definierter Teil der Strömung durch den kleinen Strömungskanal fließt und dort gemessen wird. Bei dieser Anordnung ist der Sensorchip jedoch nicht freistehend, was zu Problemen bezüglich einer möglichen Kondensation von Wasser an der Sonde führen kann, da der Sensorchip in der Sonde integriert ist. Diese Anordnung kann auch als Rohr in Rohr-Bypass bezeichnet werden.Furthermore, so-called chamber head sensors are known, which would in principle also be suitable for flow measurement, for example in ventilation technology. In these sensors, the sensor chip is located in a small flow channel that is integrated at the tip of a probe. For measuring, the probe or its tip is placed in the gas flow, ie for example a pipeline, so that a defined part of the flow flows through the small flow channel and is measured there. In this arrangement, however, the sensor chip is not free-standing, which can lead to problems regarding a possible condensation of water on the probe, since the sensor chip integrated in the probe is. This arrangement may also be referred to as tube in tube bypass.

Bei der Atemgasmessung bzw. allgemein bei einer zuverlässigen Messung eines Strömungsparameters eines Fluides, wie z. B. einer Volumenstrommessung mit einem thermischen Sensor, besteht eine technische Herausforderung darin, dass ein Exspirationsgas beispielsweise zu 100% mit Wasser gesättigt sein kann. Dadurch kann unter bestimmten widrigen Betriebsbedingungen Betauung und erhöhte Aerosolbildung auf den Sensor eintreten, da sich die Temperatur von Schläuchen und der Messeinrichtung unter der Taupunkttemperatur von Wasser befinden können. Dadurch kann es zu einer Wasseransammlung in Form von Tropfen auf dem Strömungssensor kommen. Insbesondere kann es dann bei einer Sensormembran des Sensors zu einer nicht kompensierbaren Beeinflussung des Sensorsignals und damit möglicherweise zu falschen Messwerten kommen. Im Extremfall kann es zu einem völligen Signaleinbruch kommen.In the respiratory gas measurement or generally in a reliable measurement of a flow parameter of a fluid, such. As a volumetric flow measurement with a thermal sensor, there is a technical challenge is that an expiratory gas, for example, can be 100% saturated with water. As a result, under certain adverse operating conditions, condensation and increased aerosol formation may occur on the sensor as the temperature of the hoses and the meter may be below the dew point temperature of water. This can lead to a buildup of water in the form of drops on the flow sensor. In particular, in the case of a sensor membrane of the sensor, a non-compensatable influencing of the sensor signal and thus possibly incorrect measurements may occur. In extreme cases, it can lead to a complete signal collapse.

Da eine Arbeitstemperatur von mikrotechnischem siliziumbasierten Sensoren im Gegensatz zu Dünnschichtsensoren unter 100°C liegen kann, bleiben Wasseransammlungen auf dem Sensor in der Regel stabil und verdampfen nicht. Die Heizenergie, die während des Sensorbetriebes von einem Heizelement abgegeben wird, reicht nicht aus, um einen Wassertropfen in angemessener Zeit zu entfernen bzw. wegzuheizen, d. h. zu verdampfen. Eine Verdunstung kann aufgrund der maximalen Luftfeuchtigkeit während der Exspiration nur während der Inspiration stattfinden. Da ein Sensorausfall bei der Beatmung systemkritisch sein kann, darf eine fehlerhafte Messung aufgrund von Kondensatansammlungen, wie z. B. Wasser auf dem Sensorchip nur selten und dann auch nur für kurze Zeit, von z. B. weniger als 5 s, 10 s oder 15 s, auftreten.Since a working temperature of microtechnical silicon-based sensors, in contrast to thin-film sensors, can be below 100 ° C., water accumulations on the sensor generally remain stable and do not evaporate. The heating energy released by a heating element during sensor operation is insufficient to remove or heat away a drop of water within a reasonable period of time; H. to evaporate. Evaporation can only take place during inspiration due to the maximum humidity during expiration. Since a sensor failure during ventilation can be systemically critical, a faulty measurement due to condensate accumulation, such. B. water on the sensor chip only rarely and then only for a short time, from z. B. less than 5 s, 10 s or 15 s occur.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Sensorchip zur Bestimmung eines Strömungsparameters eines Gases bereitzustellen, der eine Kondensatbildung eines in dem Gas enthaltenen kondensierbaren Stoffes verhindert oder beseitigt und deshalb eine zuverlässige und genaue Strömungsmessung über einen weiten Messbereich ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 sowie durch die Verfahren gemäß der Patentansprüche 9, 12 und 14 ermöglicht. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 8, 10 bis 11 und 13 bis 16 offenbart.The object of the present invention is therefore to provide a sensor chip for determining a flow parameter of a gas, which prevents or eliminates condensation of a condensable substance contained in the gas and therefore enables reliable and accurate flow measurement over a wide measuring range. This object is made possible by the subject matter of patent claim 1 and by the methods according to claims 9, 12 and 14. Further advantageous embodiments are disclosed in the dependent claims 2 to 8, 10 to 11 and 13 to 16.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung offenbaren u. a. einen Sensorchip zur Bestimmung eines Strömungsparameters eines Gases, wobei der Sensorchip ein Sensorelement und einen Kondensatheizer der eine Kondensationsbildung auf dem Sensorelement verhindert bzw. beseitigt aufweist, so dass eine zuverlässige Messung des Strömungsparameters erfolgen kann.Embodiments of the present invention disclose u. a. a sensor chip for determining a flow parameter of a gas, wherein the sensor chip has a sensor element and a condensate heater which prevents or eliminates condensation on the sensor element, so that a reliable measurement of the flow parameter can take place.

Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann der Sensorchip ein Sensorelement mit Heizer aufweisen, wobei der Kondensatheizer eine stärkere Heizleistung besitzt als der Heizer zur Bestimmung des Strömungsparameters.According to further embodiments, the sensor chip may have a sensor element with a heater, wherein the condensate heater has a higher heat output than the heater for determining the flow parameter.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung des Strömungsparameters einen Schritt des Erwärmens des Sensorchips oder des Sensorelements über eine Kondensationstemperatur eines in dem Gas enthaltenen kondensierbaren Gases enthalten. Sowie ein Entfernen eines bereits kondensierten Kondensats mittels des Kondensatheizers. Ferner kann ein Schritt des Detektierens einer Feuchte bzw. Kondensation auf dem Sensorchip durchgeführt werden.According to another aspect of the present invention, the flow parameter determination method of the present invention may include a step of heating the sensor chip or the sensor element above a condensing temperature of a condensable gas contained in the gas. As well as removing an already condensed condensate by means of the condensate heater. Furthermore, a step of detecting a moisture or condensation may be performed on the sensor chip.

In Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird ferner ein Strömungsmesser mit Sensorchip zur Bestimmung eines Strömungsparameters eines Fluides beschrieben mit einem Sensorchip, der ein thermisches Membransensorelement aufweist, und wobei der Sensorchip ausgebildet ist, um beim Betrieb des Strömungsmesssensors freistehend als „Nacktchip” von dem Fluid umströmt zu werden. Der Strömungsmesser kann dabei freistehend in einem Hauptstrom des Fluides angeordnet sein.In embodiments of the present invention, a flow sensor with sensor chip for determining a flow parameter of a fluid is further described with a sensor chip having a thermal membrane sensor element, and wherein the sensor chip is designed to freestanding flows around the fluid during operation of the flow measuring sensor as a "nude chip" become. The flow meter can be arranged free-standing in a main flow of the fluid.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Sensorchip zwei thermische Membransensorelemente auf, die ausgebildet sind, um einen Strömungsparameter des Fluides zu bestimmen, wobei der Strömungsparameter des Fluides mit Hilfe der zwei unterschiedlichen Sensoren in unterschiedlichen Messbereichen bestimmt werden kann und damit eine größere Messbereichsdynamik erzielt werden kann. Außerdem kann zudem abwechselnd eine Fluidtemperatur des den Sensorchip umströmenden Fluides oder der Strömungsparameter bestimmt werden.According to a further aspect of the present invention, a sensor chip has two thermal membrane sensor elements which are designed to determine a flow parameter of the fluid, wherein the flow parameter of the fluid can be determined with the aid of the two different sensors in different measuring ranges and thus achieves a larger measuring range dynamics can be. In addition, in addition, a fluid temperature of the fluid flowing around the sensor chip or of the flow parameters can also be determined alternately.

Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele kann der Strömungssensor einen Sensorchip mit einem integrierten Kondensatheizer aufweisen, der eine Kondensation eines in einem gasförmigen Fluid vorhandenen kondensierbaren Stoffes, wie z. B. Wasser in Luft verhindern oder bei bereits erfolgter Kondensation wieder verdampfen kann.According to further embodiments, the flow sensor may comprise a sensor chip with an integrated condensate heater, which is a condensation of a present in a gaseous fluid condensable material such. B. prevent water in air or can evaporate again when condensation has already occurred.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird in einem Verfahren zur Bestimmung eines Strömungsparameters eines Fluides ein Messkopf mit einem einseitig befestigten Sensorchip mit mindestens einem thermischen Membransensorelement freistehend, d. h. als „Nacktchip” während der Messung des Strömungsparameters in dem strömenden Fluid verwendet.According to a further aspect of the present invention, in a method for determining a flow parameter of a fluid, a measuring head with a sensor chip attached on one side with at least one thermal membrane sensor element is free-standing, ie as a "nude chip" during the measurement of the flow parameter used in the flowing fluid.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Preferred embodiments of the present invention will be explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 die schematische Aufsicht eines Sensorchips gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; 1 the schematic plan view of a sensor chip according to an embodiment of the present invention;

2 die schematische Aufsicht eines Sensorchips gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 2 the schematic plan view of a sensor chip according to another embodiment of the present invention;

3 eine weitere schematische Darstellung eines Sensorchips gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 3 a further schematic representation of a sensor chip according to an embodiment of the present invention.

4 die schematische Darstellung eines Strömungssensors mit Sensorchip zur Bestimmung eines Strömungsparameters eines Fluides gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 4 the schematic representation of a flow sensor with sensor chip for determining a flow parameter of a fluid according to an embodiment of the present invention;

5a die schematische Darstellung eines Messkopfs mit Strömungssensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 5a the schematic representation of a measuring head with flow sensor according to an embodiment of the present invention;

5b die schematische Querschnittsdarstellung eines Strömungssensors mit Sensor-Nacktchip freistehend während des Betriebes in einem Fluidkanal angeordnet gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung; 5b the schematic cross-sectional view of a flow sensor with sensor nude chip free-standing during operation in a fluid channel arranged according to embodiments of the present invention;

6 die schematische Draufsicht eines Messkopfs mit freistehenden MEMS-Sensor in einem Strömungskanal, der als Venturidüse mit beidseitigen Sieben zur Strömungslaminierung ausgeführt ist; 6 the schematic plan view of a measuring head with free-standing MEMS sensor in a flow channel, which is designed as Venturi nozzle with double-sided screens for Strömungslamamination;

7 eine schematische Detailansicht der Draufsicht eine Messkopfs mit Sensorchip gemäß einem Ausführungsbeispiel; 7 a schematic detail view of the top view of a sensor head with sensor chip according to an embodiment;

8 eine schematische Darstellung eines Sensorchips mit einer Winkelanstellung zu einem Fluidstrom; 8th a schematic representation of a sensor chip with an angular position to a fluid flow;

9 eine schematische Darstellung der Herstellung eines Sensorchips mit einem thermischem Membransensorelement; 9 a schematic representation of the production of a sensor chip with a thermal membrane sensor element;

10 eine schematische Darstellung eines Sensorchips für einen erfindungsgemäßen Strömungssensor sowie ein thermisches Membransensorelement und eines darauf befindlichen Thermopiles gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 10 a schematic representation of a sensor chip for a flow sensor according to the invention and a thermal membrane sensor element and a thermopile thereon according to an embodiment of the present invention;

11 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Arbeitsweise eines thermischen Strömungssensors nach Sven Zinober ( Redundanzstrukturen zur Erhöhung der Sicherheit und Zuverlässigkeit von Mikrosystemen, Dissertation, Albert-Ludwig-Universität Freiburg i. Breisgau, 09.07.2002 ); 11 a diagram to illustrate the operation of a thermal flow sensor according to Sven Zinober ( Redundancy structures to increase the safety and reliability of microsystems, Dissertation, Albert-Ludwig-University Freiburg i. Breisgau, 09.07.2002 );

12a die schematische Darstellung eines Sensorchips mit zwei thermischen Membransensorelementen und einem Kondensatheizer gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung; 12a the schematic representation of a sensor chip with two thermal membrane sensor elements and a condensate heater according to embodiments of the present invention;

12b eine schematische Querschnittsdarstellung eines Sensorchips mit gekapselter Aussparung auf der Rückseite des thermischen Membransensorelements; 12b a schematic cross-sectional view of a sensor chip with encapsulated recess on the back of the thermal membrane sensor element;

13 ein schematische Darstellung eines Strömungsmesssystems mit Ansteuereinrichtung und optionaler Druckmesseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 13 a schematic representation of a flow measuring system with drive means and optional pressure measuring device according to an embodiment of the present invention.

14a zeigt ein Blockdiagramm zum Verfahren zur Bestimmung eines Strömungsparameters eines Gases gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 14a shows a block diagram of the method for determining a flow parameter of a gas according to an embodiment of the present invention;

14b zeigt ein weiteres Blockschaltbild eines Verfahrens zur Bestimmung eines Strömungsparameters eines Gases gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 14b shows a further block diagram of a method for determining a flow parameter of a gas according to another embodiment of the present invention.

Detaillierte Beschreibung der FigurenDetailed description of the figures

Bezüglich der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sollte beachtet werden, dass in den unterschiedlichen Figuren für funktional identische bzw. gleichwirkende oder funktionsgleiche äquivalente Elemente oder Schritte zur Vereinfachung in der gesamten Beschreibung die gleichen Bezugszeichen verwendet werden.With respect to the following description of the embodiments of the present invention, it should be noted that the same reference numerals are used throughout the specification in the different figures for functionally identical or functionally equivalent equivalent elements or steps for simplicity.

1 zeigt die schematische Darstellung eines Sensorchips 5 zur Bestimmung eines Strömungsparameters eines Gases, wobei der Sensorchip ein Sensorelement 12 zur Bestimmung des Strömungsparameters aufweist. Bei dem Sensorelement 12 kann es sich beispielsweise um ein thermisches Membransensorelement handeln, das ausgebildet ist, um einen Strömungsparameter des Fluides in einem Messbereich zu bestimmen oder um eine Fluidtemperatur des Fluides zu bestimmen. Das thermische Membransensorelement kann beispielsweise zwei zueinander beabstandete Thermoelementübergänge oder allgemein Temperatursensoren aufweisen und ein zwischen den Thermoelementübergängen angeordnetes Heizelement aufweisen. Der Sensorchip kann ausgebildet sein, um beim Betrieb eines Strömungssensors, beispielsweise an einer Seite befestigt an einen Messkopf, als freistehender Sensorfinger von dem Fluid umströmt zu werden. Ferner weist der Sensorchip, wie in 1 dargestellt, einen Kondensatheizer 30 auf, der ausgebildet ist um den Sensorchip 5 über eine Kondensationstemperatur eines in dem Gas enthaltenen kondensierbaren Stoffes zu erwärmen, um so eine Kondensatbildung des Stoffes auf den Sensorchip zu verhindern. Bei dem kondensierbaren Stoff kann es sich beispielsweise um Wasser bzw. Wasserdampf in dem Gas handeln. Der Kondensatheizer 30 kann ausgebildet sein, um den Sensorchip 5 über eine Taupunkttemperatur des Wasserdampfes zu erwärmen und so eine Kondensation oder Tröpfchenbildung des Wassers auf dem Sensorchip zu verhindern. Dadurch kann eine zuverlässige, genaue und reproduzierbare Bestimmung des Strömungsparameters eines Gases gewährleistet werden. Bei feuchten Gasen, deren Strömungsparameter bestimmt werden soll, kann nämlich durch die Kondensation bzw. den Tau von Wasser oder anderen in dem Gas enthaltenen kondensierbaren Stoffen eine Fehlfunktion bzw. eine falsche Bestimmung des Strömungsparameters resultieren. 1 shows the schematic representation of a sensor chip 5 for determining a flow parameter of a gas, wherein the sensor chip is a sensor element 12 for determining the flow parameter. In the sensor element 12 For example, it may be a thermal membrane sensor element configured to determine a flow parameter of the fluid in a measurement region or to determine a fluid temperature of the fluid. For example, the thermal membrane sensor element may include two spaced apart thermocouple junctions, or generally temperature sensors, and may include a heating element disposed between the thermocouple junctions. The sensor chip may be designed to operate during the operation of a flow sensor, for example on one side attached to a measuring head to be flowed around as free-standing sensor finger of the fluid. Furthermore, the sensor chip, as in 1 shown, a condensate heater 30 on, which is formed around the sensor chip 5 to heat over a condensation temperature of a condensable substance contained in the gas, so as to prevent condensation of the substance on the sensor chip. The condensable substance may be, for example, water or water vapor in the gas. The condensate heater 30 may be formed to the sensor chip 5 to heat above a dew point temperature of the water vapor and thus to prevent condensation or droplet formation of the water on the sensor chip. Thereby, a reliable, accurate and reproducible determination of the flow parameter of a gas can be ensured. In the case of moist gases whose flow parameters are to be determined, the condensation or dew of water or other condensables contained in the gas can result in a malfunction or a wrong determination of the flow parameter.

Wie in 2 dargestellt ist, kann der Sensorchip 5 ein Sensorelement 12 zur Bestimmung des Strömungsparameters eines Fluides, z. B. also eines Gases aufweisen, wobei das Sensorelement 12 einen Heizer 3 aufweist, der ausgelegt ist, einen Temperaturgradienten für eine Bestimmung des Strömungsparameters zu erzeugen. Der Heizer 3 kann also im Gegensatz zu dem bereits oben erwähnten Kondensatheizer 30 dazu benötigt oder eingesetzt werden, um eine Bestimmung des Strömungsparameters durch den Sensorchip zu ermöglichen. Der Kondensatheizer 30 hingegen kann dazu verwendet werden, um den Sensorchip auf eine Temperatur oberhalb einer Kondensationstemperatur eines in dem Gas enthaltenen kondensierbaren Stoffes zu erwärmen oder um ein auf dem Sensorchip befindliches Kondensat, z. B. also ein Wassertropfen oder ein Aerosol zu entfernen. Mit Hilfe des Heizers 3 kann also die eigentliche Messaufgabe des Sensorchips erfüllt werden, während mit dem Kondensatheizer 30 eine Kondensation eines in dem Fluid enthaltenen kondensierbaren Stoffes verhindert wird oder ein solches Kondensat mittels Erwärmung entfernen werden kann. Die Heizleistung des Kondensatheizers 30 kann gemäß Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung größer sein als die Heizleistung des Heizers 3, welcher sich auf einen Sensorelement 12 des Sensorchips 5 befindet.As in 2 is shown, the sensor chip 5 a sensor element 12 for determining the flow parameter of a fluid, e.g. B. thus have a gas, wherein the sensor element 12 a heater 3 which is designed to generate a temperature gradient for a determination of the flow parameter. The heater 3 So in contrast to the already mentioned above condensate heater 30 needed or used to allow determination of the flow parameter by the sensor chip. The condensate heater 30 In contrast, it can be used to heat the sensor chip to a temperature above a condensation temperature of a condensable substance contained in the gas or to a condensate located on the sensor chip, for. B. to remove a drop of water or an aerosol. With the help of the heater 3 Thus, the actual measuring task of the sensor chip can be fulfilled while using the condensate heater 30 Condensation of a condensable substance contained in the fluid is prevented or such a condensate can be removed by means of heating. The heating capacity of the condensate heater 30 may be greater than the heating power of the heater according to embodiments of the present invention 3 , which refers to a sensor element 12 of the sensor chip 5 located.

3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sensorchips 5 zur Bestimmung eines Strömungsparameters eines Gases. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Kondensatheizer 30 symmetrisch um das Sensorelement 12 angeordnet. Der Kondensatheizer 30 ist hier beispielsweise als Widerstandsheizer ausgebildet wobei er in dem Sensorchip integriert sein kann. Bei dem Sensorchip kann es sich beispielsweise um einen Siliziumchip handeln, wobei der Kondensatheizer in dem Siliziumchip als Widerstandheizer integriert ist. In anderen Ausführungsbeispielen kann der Kondensatheizer auf dem Sensorchip angeordnet sein, beispielsweise in der Form einer Poly-Silizium-Widerstandsstruktur bzw. Heizerstruktur oder einer Platin-Widerstandsstruktur bzw. Heizerstruktur. Der Kondensatheizer kann mittels einer Ansteuereinrichtung (nicht gezeigt in 3) über elektrische Zuführungen 19 so aufgeheizt werden, dass eine Kondensatbildung verhindert wird oder ein Kondensat rasch verdampft werden kann. 3 shows a further embodiment of a sensor chip 5 for determining a flow parameter of a gas. In this embodiment, the condensate heater 30 symmetrical about the sensor element 12 arranged. The condensate heater 30 Here, for example, is designed as a resistance heater where it can be integrated in the sensor chip. The sensor chip can be, for example, a silicon chip, wherein the condensate heater is integrated in the silicon chip as a resistance heater. In other embodiments, the condensate heater may be disposed on the sensor chip, for example, in the form of a poly-silicon resistor structure or a heater structure or a platinum resistor structure. The condensate heater can be controlled by means of a drive device (not shown in FIG 3 ) via electrical feeders 19 be heated so that condensation is prevented or a condensate can be evaporated quickly.

4 zeigt einen Strömungssensor 10 zur Bestimmung eines Strömungsparameters eines Fluides 15. Der Strömungssensor weist einen Sensorchip 5 auf, wobei der Sensorchip 5 zumindest ein thermisches Membransensorelement 12 aufweist, das ausgebildet ist, um einen Strömungsparameter des Fluides 15 in einem Messbereich zu bestimmen oder um eine Fluidtemperatur, beispielsweise eine relative Fluidtemperatur oder eine absolute Fluidtemperatur zu bestimmen. Das thermische Membransensorelement 12 weist zwei Temperatursensoren auf. Bei diesen Temperatursensoren kann es sich beispielsweise um Thermoelemente, um Widerstandsstreifen beispielsweise mit Platin oder Nickel oder um Thermopiles mit Kontaktpaarungen handeln. Das thermische Membransensorelement besitzt eine Membran 9, die zwei zueinander beabstandete Thermoelementübergänge, das heißt in Serie zu einem Thermostapel bzw. ”Thermopile” abwechselnd verschaltete Kontaktpaarungen 8a, 8b (zum Beispiel Übergänge zwischen Aluminium und Poly-Silizium oder zwischen zwei Metallen), und ein zwischen den Thermoelementübergängen angeordnetes Heizelement 3 aufweist. Der Sensorchip 5 besitzt also ein thermisches Membransensorelement 12 mit zwei zueinander beabstandeten Temperatursensoren, beispielsweise zwei Thermoelemente, wobei von jedem Thermoelement jeweils ein Thermoelementübergang auf der Membran angeordnet ist und die jeweils zweiten Thermoelementübergänge der beiden Thermoelemente auf den Sensorchip-Bulk bzw. -Sensorchip-Rahmen angeordnet sind. Zwischen den Thermoelementübergängen der beiden Thermoelemente ist auf der Membran 9 ein Heizelement 3 angeordnet. Der Sensorchip ist so ausgebildet, um in einem Betrieb zur Messung des Strömungssensors als freistehender Sensorfinger von dem Fluid 15 umströmt zu werden. Der Strömungssensor kann im Betrieb beispielsweise in ein Rohr bzw. in einen Fluidkanal 17 eingeführt sein, so dass ein Fluid 15 den in dem Fluidkanal 17 freistehend angeordneten Sensorchip 5 umströmt. 4 shows a flow sensor 10 for determining a flow parameter of a fluid 15 , The flow sensor has a sensor chip 5 on, with the sensor chip 5 at least one thermal membrane sensor element 12 formed to be a flow parameter of the fluid 15 in a measuring range or to determine a fluid temperature, for example a relative fluid temperature or an absolute fluid temperature. The thermal membrane sensor element 12 has two temperature sensors. These temperature sensors can be, for example, thermocouples, resistance strips, for example with platinum or nickel, or thermopiles with contact pairings. The thermal membrane sensor element has a membrane 9 , the two spaced thermocouple junctions, that is, in series with a thermal stack or "Thermopile" alternately interconnected contact pairings 8a . 8b (For example, transitions between aluminum and poly-silicon or between two metals), and arranged between the thermocouple junctions heating element 3 having. The sensor chip 5 So has a thermal membrane sensor element 12 with two spaced-apart temperature sensors, for example, two thermocouples, each of which thermocouple thermocouple junction is disposed on the membrane and the respective second thermocouple junctions of the two thermocouples are arranged on the sensor chip bulk or -Sensorchip frame. Between the thermocouple junctions of the two thermocouples is on the membrane 9 a heating element 3 arranged. The sensor chip is designed to be in a mode for measuring the flow sensor as a freestanding sensor finger of the fluid 15 to be flown around. During operation, the flow sensor may, for example, be in a pipe or in a fluid channel 17 be introduced, leaving a fluid 15 in the fluid channel 17 freestanding sensor chip 5 flows around.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist also der zur Strömungsmessung benötigte Teil des Sensorchips in direktem Kontakt zum Medium bzw. zum Fluid. Insbesondere ist in der Nähe der Sensormembran 9 bzw. des thermischen Membransensorelementes 12 kein Gehäuseteil oder keine sonstige Vorrichtung vorhanden, die eine Anlagerung eines Kondensats auf dem Sensorchip begünstigt. Bei dem Kondensat kann es sich beispielsweise um in Luft gelöste Wassertröpfchen handeln, die sich beispielsweise aufgrund von Kapillarkräften bei vorhandenen Gehäuseteilen in der Nähe des für die Strömungsmessung benötigten Teils des Sensorchips besonders gut bilden können. Das heißt, man kann diese Anordnung als freistehenden Nacktchip im Mess- bzw. Fluidkanal bezeichnen.According to one aspect of the present invention, therefore, the part of the sensor chip required for flow measurement is in direct contact with the medium or the fluid. In particular, is nearby the sensor membrane 9 or the thermal membrane sensor element 12 no housing part or any other device available that favors an accumulation of condensate on the sensor chip. The condensate can be, for example, water droplets dissolved in air, which can form particularly well, for example, due to capillary forces in the case of existing housing parts in the vicinity of the part of the sensor chip required for the flow measurement. That is, you can call this arrangement as a freestanding nude chip in the measuring or fluid channel.

Der erfindungsgemäße Stömungssensor kann beispielsweise in der Medizintechnik, der Luftraumfahrttechnik, der industriellen Prozesstechnik, der Automobiltechnik sowie der Heizungs- und Umwelttechnik eingesetzt werden. Eine Einsatzmöglichkeit in der Medizintechnik besteht z. B. in der Atemgasmessung, d. h. zur zeitlich aufgelösten Messung des Volumenstroms beim Ein- und Ausatmen. Dies kann mittels thermischer Strömungssensoren geschehen, insbesondere mittels mikrotechnischer Membransensoren wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel, was sehr vorteilhaft sein kann, da sich die wesentlichen Elemente auf einer dünnen Membran 9 befinden, so dass sich u. a. eine hohe Messempfindlichkeit, eine hohe Messdynamik, eine schnelle Ansprechzeit und ein relativ geringer Energieverbrauch während der Messung realisieren lässt.The flow sensor according to the invention can be used, for example, in medical technology, air travel technology, industrial process technology, automotive engineering and heating and environmental technology. One application in medical technology is z. B. in the breathing gas measurement, ie for time resolved measurement of the volume flow during inhalation and exhalation. This can be done by means of thermal flow sensors, in particular by means of microtechnical membrane sensors as in the present embodiment, which can be very advantageous because the essential elements on a thin membrane 9 Thus, among other things, a high measuring sensitivity, a high dynamic range, a fast response time and a relatively low energy consumption can be realized during the measurement.

Der Strömungssensor 10 kann also vorteilhafterweise eine hohe Messempfindlichkeit bei geringer Strömungsgeschwindigkeit im für die künstliche Beatmung wichtigen Umkehrpunkt zwischen Exspiration (Ausatmen) und Inspiration (Einatmen) besitzen. Ferner kann eine hohe Messdynamik sowohl für den Strömungsmessbereich als auch für die zeitlich genaue Auflösung der hochdynamischen Atemkurven erzielt werden. Je geringer die thermische Masse des Membransensorelements ist, desto höhere zeitliche Auflösung kann erzielt werden. Beispielsweise kann im Fall eines mikrotechnischen Sensors eine zeitliche Auflösung von rund 1 ms erreicht werden. Ein weiterer Vorteil der oben genannten Strömungssensoren mit thermischem Membransensorelement liegt im relativ geringen Energieverbrauch, weshalb sich die Sensoren auch für den Batteriebetrieb in tragbaren Geräten gut eignen.The flow sensor 10 Thus, it can advantageously have a high measuring sensitivity at a low flow velocity in the reversal point between expiration (exhalation) and inspiration (inhalation), which is important for artificial respiration. Furthermore, a high dynamic range can be achieved both for the flow measuring range and for the time-accurate resolution of the highly dynamic breathing curves. The lower the thermal mass of the membrane sensor element, the higher temporal resolution can be achieved. For example, in the case of a microtechnical sensor, a temporal resolution of about 1 ms can be achieved. Another advantage of the above-mentioned flow sensors with thermal membrane sensor element is the relatively low energy consumption, which is why the sensors are also well suited for battery operation in portable devices.

Der Strömungssensor, wie er in 4 beschrieben ist, weist nun beispielsweise gegenüber dem oben erwähnten Kammerkopf-Sensor den Vorteil auf, dass der Strömungssensor eine geringere thermische Masse besitzt, da sich nur der Sensorchip an einer Seite mit dem Gehäuse des Strömungssensors in Kontakt befindet. Im Gegensatz dazu befindet sich bei dem oben erwähnten Kammerkopf-Sensor der gesamte Sensorchip in einem Gehäuse, so dass beim Aufheizen des Sensorchips auf eine Temperatur, die höher ist als eine Kondensationstemperatur oder eine Taupunkttemperatur im Falle von Wasser, ein deutlich höherer Energieaufwand nötig ist.The flow sensor, as in 4 For example, compared with the above-mentioned chamber head sensor, it has the advantage that the flow sensor has a lower thermal mass, since only the sensor chip is in contact with the housing of the flow sensor on one side. In contrast, in the case of the abovementioned chamber head sensor, the entire sensor chip is located in a housing, so that a significantly higher energy expenditure is required when the sensor chip is heated to a temperature which is higher than a condensation temperature or a dew point temperature in the case of water.

Ferner begünstigt der relativ kleine Strömungs- bzw. Bypasskanal beim Kammerkopf-Sensor die Ansammlung bzw. Kondensation von Wassertröpfchen im Bereich des Sensorchips durch den Kapillareffekt. Im Gegensatz dazu ist der erfindungsgemäße Strömungssensor frei in der Hauptströmung eines Fluides platziert, so dass im Bereich des Strömungssensors keine „kleinen” Strömungskanäle bzw. Gehäuseteile vorhanden sind, die eine Anlagerung bzw. Kondensation oder Betauung mit einem in einem Fluid enthaltenen kondensierbaren Stoff, wie zum Beispiel Wassertröpfchen in Luft, begünstigt werden.Furthermore, the relatively small flow or bypass channel in the chamber head sensor favors the accumulation or condensation of water droplets in the region of the sensor chip by the capillary effect. In contrast, the flow sensor according to the invention is placed freely in the main flow of a fluid, so that no "small" flow channels or housing parts are present in the region of the flow sensor, the an accumulation or condensation or condensation with a fluid contained in a condensable material, such as For example, water droplets in air, be favored.

Ferner ist eine mögliche Anhaftung eines Kondensats, wie z. B. von Wassertropfen an solch einem freistehenden Nacktchip, wie er in 4 offenbart ist, aufgrund der geringeren Oberfläche ohne Hinterschneidungen im Wesentlichen geringer, so dass auch einer Kondensatanhaftung entgegengewirkt wird. Der Strömungssensor ist also so aufgebaut, dass eine temperaturabhängige Kondensatabscheidung erschwert wird.Furthermore, a possible adhesion of a condensate, such. B. of water droplets on such a freestanding nude chip, as in 4 is substantially less due to the lower surface area without undercuts, so that also condensate adhesion is counteracted. The flow sensor is thus constructed so that a temperature-dependent condensate separation is difficult.

Bei dem von dem Strömungssensor 10 bestimmten Strömungsparameter kann es sich, wie oben bereits erwähnt wurde, beispielsweise um eine Strömungsgeschwindigkeit, einen Massendurchfluss, einen Volumendurchfluss, eine Zustandsgröße oder einen anderen stoffbezogenen Parameter des Fluides handeln. Das Fluid kann ein Gas oder eine Flüssigkeit sein. Mit dem Strömungssensor kann eine Strömungsgeschwindigkeit des Fluides zeitlich hochauflösend bestimmt werden. Der Strömungsmesser kann ein Durchfluss eines Gases oder einer Flüssigkeit, also eines Fluides, beispielsweise durch ein Rohr oder einen Fluidkanal, 17 bestimmen oder messen. Es kann ein Parameter bestimmt werden, mit dessen Hilfe dann in einer Auswerteeinrichtung ein Strömungsparameter im obigen Sinne berechnet werden kann. Die Auswerteeinrichtung kann mit dem Strömungsensor elektrisch gekoppelt sein. Sie kann beispielsweise Teil einer Ansteuer- oder Regeleinrichtung sein, die den Strömungssensor ansteuert. Beispielsweise kann bei einer Bestimmung eines Volumendurchflusses die Fließgeschwindigkeit des Mediums gemessen werden und dann der Durchfluss über die Formel Volumendurchfluss = Rohrquerschnittsfläche x Geschwindigkeit bestimmt werden. Das Ergebnis kann beispielsweise in Liter/Minute angegeben werden.In the case of the flow sensor 10 As already mentioned above, certain flow parameters may, for example, be a flow velocity, a mass flow, a volume flow, a state variable or another substance-related parameter of the fluid. The fluid may be a gas or a liquid. With the flow sensor, a flow velocity of the fluid can be determined with high temporal resolution. The flow meter may be a flow of a gas or a liquid, ie a fluid, for example through a pipe or a fluid channel, 17 determine or measure. A parameter can be determined with the aid of which a flow parameter in the above sense can then be calculated in an evaluation device. The evaluation device can be electrically coupled to the flow sensor. It may, for example, be part of a control or regulating device that controls the flow sensor. For example, when determining a volume flow rate, the flow rate of the medium can be measured and then the flow rate can be determined by the formula volumetric flow = pipe cross-sectional area x velocity. The result can be given in liters / minute, for example.

Der Strömungsmesser kann zusätzlich integrierte oder externe Sensorteileinheiten aufweisen, mit denen eine Temperatur, ein Druck, eine stoffspezifische Größe oder eine Feuchtigkeit des Fluides bestimmt bzw. gemessen wird. Die Vorrichtung 10 bzw. der Strömungssensor kann beispielsweise einen Messkopf 13 und einen Eintauchfühler umfassen, der vorzugsweise bis zu einer Rohrmitte bzw. Fluidkanalmitte eingetaucht wird und mit seiner Messfläche beispielsweise in einem Winkelbereich von 5° bis 75° gegen die Fluidströmung angestellt wird.The flowmeter may additionally comprise integrated or external sensor subunits with which a temperature, a pressure, a substance-specific size or a moisture of the Fluids is determined or measured. The device 10 or the flow sensor may, for example, a measuring head 13 and an immersion probe, which is preferably immersed to a middle of the tube or fluid channel center and is made with its measuring surface, for example in an angular range of 5 ° to 75 ° to the fluid flow.

Wie in den 5a und 5b gezeigt ist, kann ein Strömungssensor 10 mit einem Sensorchip an einem Messkopf 13 befestigt sein, der entsprechende elektrische Anschlüsse 11 aufweist, wobei beim Betrieb des Strömungssensors der Sensorchip 5 mit dem thermischen Membransensorelement 12 als freistehender Sensorfinger von dem Fluid umströmt wird. Der Strömungssensor kann sich vom Messkopf her kommend zum Sensorchip verjüngen. Der Strömungssensor mit dem Sensorchip kann in einem Fluidkanal 17, wie in 5b dargestellt ist, freistehend als „Nacktchip” von dem Fluid umströmt werden, um so einen Strömungsparameter des Fluides besser, also z. B. mit einer geringeren Fehlerrate, in einem größerem Messbereich oder mit einer höherem Messdynamik, bestimmen zu können. Bei dem Strömungssensor kann es sich um einen mikroelektromechanischen – Halbleiter-(MEMS)-Sensor handeln. Das heißt, der Sensorchip kann beispielsweise ein Silizium-Halbleiterchip sein, der mikrosystemtechnisch strukturiert wurde. Denkbar ist auch der Einsatz anderer Halbleitermaterialien, wie zum Beispiel Siliziumcarbid, Galliumarsenid, Indiumphosphid usw., die in der Halbleitertechnik und in der Mikroelektromechanik eingesetzt werden. Glas, Keramik oder ähnlichen Materialien können ebenfalls als Substrat für den erfindungsgemäßen Strömungssensor bzw. Sensorchip dienen.As in the 5a and 5b can be shown, a flow sensor 10 with a sensor chip on a measuring head 13 be attached, the corresponding electrical connections 11 wherein, during operation of the flow sensor, the sensor chip 5 with the thermal membrane sensor element 12 is flowed around as free-standing sensor finger of the fluid. The flow sensor can taper from the measuring head coming to the sensor chip. The flow sensor with the sensor chip can be in a fluid channel 17 , as in 5b is shown free-standing as a "nude chip" flowed around by the fluid so as to better a flow parameter of the fluid, so z. B. with a lower error rate, in a larger measuring range or with a higher dynamic range to be able to determine. The flow sensor may be a microelectromechanical semiconductor (MEMS) sensor. That is, the sensor chip may be, for example, a silicon semiconductor chip, which has been structured microsystemically. Also conceivable is the use of other semiconductor materials, such as silicon carbide, gallium arsenide, indium phosphide, etc., which are used in semiconductor technology and in microelectromechanics. Glass, ceramic or similar materials can also serve as a substrate for the flow sensor or sensor chip according to the invention.

Die Vorrichtung 10 kann gemäß einiger Ausführungsbeispiele für Rohrquerschnitte (siehe 5b) geeignet sein, die größer sind als der durch den Sensor verdeckte Rohrquerschnitt. Beispielsweise kann der Rohrquerschnitt bzw. -Fluidkanalquerschnitt wenigstens dreifach, vierfach oder zehnfach so groß sein, wie der durch den Sensor verdeckte Querschnitt des Fluidkanals 17. In 5b ist die schematische Darstellung eines Strömungssensors mit Messkopf 13 der in einem Strömungskanal 17 positioniert ist gezeigt. Außerdem sollte an der Messstelle das ermittelte Sensorsignal noch eine ausreichende Aussagefähigkeit über das Strömungsprofil des Gesamtquerschnitts des Fluidkanals zulassen.The device 10 can according to some embodiments for tube cross-sections (see 5b ), which are larger than the tube cross-section covered by the sensor. For example, the tube cross-section or -Fluidkanalquerschnitt be at least three times, four times or ten times as large as the hidden by the sensor cross-section of the fluid channel 17 , In 5b is the schematic representation of a flow sensor with measuring head 13 in a flow channel 17 positioned is shown. In addition, at the measuring point, the determined sensor signal should still allow sufficient information about the flow profile of the total cross section of the fluid channel.

In einigen Ausführungsbeispielen kann das eigentliche Sensorelement ein mikrotechnischer Siliziumchip sein, der als Nacktchip an einer Seite verbunden mit dem Messkopf bzw. dem Eintauchfühler freistehend montiert ist und vom Messmedium umströmt wird. Dabei kann der sensitive Bereich, also die Sensormembran, z. B. also das thermische Membransensorelement idealerweise mittig im Messrohr angeordnet sein, um dort beispielsweise den Massen- bzw. Volumenstrom zu messen. Der Sensorfinger bzw. der Sensorchip des Strömungssensors, der während des Betriebes freisteht, kann mindestens einen vierfachen, fünffachen oder zehnfachen einer Sensorchipbreite entsprechenden Abstand von einer Fluidkanalwand des Fluidkanals 17, in dem der freistehende Sensorfinger von dem Fluid umströmt wird, aufweisen.In some embodiments, the actual sensor element may be a microtechnical silicon chip which is mounted free-standing as a bare chip on one side connected to the measuring head or the immersion sensor and flows around the measuring medium. In this case, the sensitive area, so the sensor membrane, z. B. so the thermal membrane sensor element ideally be centrally located in the measuring tube to measure there, for example, the mass or volume flow. The sensor finger or the sensor chip of the flow sensor, which is free during operation, can be at least four times, five times or ten times the distance corresponding to a sensor chip width from a fluid channel wall of the fluid channel 17 , In which the freestanding sensor finger is flowed around by the fluid, have.

Bei dem Sensorchip 5 kann es sich beispielsweise um einen rechteckigen Sensorchip handeln. Allgemein kann eine Länge L des Sensorchips mindestens dreimal, viermal oder fünfmal so lang wie eine Breite W des Sensorchips sein. Das heißt, eine Längsseite des Sensorchips kann mindestens dreimal, viermal oder fünfmal länger sein als eine Breite des Sensorchips. Der Sensorchip kann also länglich ausgeformt sein, wobei die Längskante dreimal oder länger als die Schmalseite des Chips ist, um die sensitiven Elemente, also z. B. das thermische Membransensorelement 12 mit dem Heizer 3 und die beiden Temperatursensoren in der Strömung des Fluides freistehend und außerhalb eines strömungstechnisch störenden Übergangs zu einer mechanischen Verankerung mit dem Messkopf 13 platzieren zu können. Die elektrischen Zuleitungen 19 (siehe 10) für den Sensorchip können an einer Stirnseite des Sensorchips 5 liegen und die aktiven sensorischen Elemente, wie z. B. das thermische Membransensorelement 12 in einem ersten Drittel der Chipfläche am gegenüberliegenden Ende der Verankerung mit dem Messkopf 13 bzw. am gegenüberliegenden Ende des Chips angeordnet sein. Dadurch kann erreicht werden, dass die Strömungsmessung möglichst wenig durch die Verbindung zum Rumpf des Messkopfes bzw. zum Sensorfingergehäuse beeinflusst wird.At the sensor chip 5 For example, it may be a rectangular sensor chip. Generally, a length L of the sensor chip may be at least three times, four times or five times as long as a width W of the sensor chip. That is, a longitudinal side of the sensor chip may be at least three times, four times or five times longer than a width of the sensor chip. The sensor chip can thus be formed elongated, wherein the longitudinal edge is three times or longer than the narrow side of the chip to the sensitive elements, ie z. B. the thermal membrane sensor element 12 with the heater 3 and the two temperature sensors in the flow of the fluid freestanding and outside of a flow disturbing transition to a mechanical anchoring with the measuring head 13 to be able to place. The electrical leads 19 (please refer 10 ) for the sensor chip can on a front side of the sensor chip 5 lie and the active sensory elements such. B. the thermal membrane sensor element 12 in a first third of the chip area at the opposite end of the anchorage to the measuring head 13 or be arranged at the opposite end of the chip. It can thereby be achieved that the flow measurement is influenced as little as possible by the connection to the fuselage of the measuring head or to the sensor finger housing.

Bei dem Strömungssensor kann es sich beispielsweise um einen thermischen Flowsensor, einen Flussratensensor bzw. um ein Flowmeter handeln. Der Strömungssensor 10 kann beispielsweise aus Silizium bestehen. Das sensitive Element des Strömungssensors ist dabei in einigen Ausführungsbeispielen eine dünne Siliziumnitrid-Membran, die beispielsweise eine Größe von 100 bis 500 μm × 400 bis 1000 μm, also z. B. 300 × 600 μm2 aufweisen kann.The flow sensor may be, for example, a thermal flow sensor, a flow rate sensor or a flowmeter. The flow sensor 10 can for example consist of silicon. The sensitive element of the flow sensor is in some embodiments, a thin silicon nitride membrane, for example, a size of 100 to 500 microns × 400 to 1000 microns, ie z. B. 300 × 600 microns 2 may have.

Beim Strömungssensor 10 wird der in einigen Ausführungsbeispielen nötige Wärmefluss zur Bestimmung eines Strömungsparameters durch einen Heizer 3, der beispielsweise als ein linienförmige Heizung auf der Membran ausgebildet ist, bereitgestellt. Entsprechend angeordnete Thermoelemente mit den entsprechenden Thermoelementübergängen auf beiden Seiten des Heizelementes können die Wärmeverteilung über die Membran registrieren. Diese Wärmeverteilung ändert sich, wenn Gase, Flüssigkeiten oder allgemein ein Fluid über die Membran strömen. Damit kann sowohl auf Richtung als auch auf die Flussdichte der Substanzmenge geschlossen werden. Es kann also beispielsweise eine Strömungsrichtung, ein Massendurchfluss, ein Volumendurchfluss oder eine Strömungsgeschwindigkeit des über die Membran, also dem thermischen Membransensorelement 12, strömenden Fluides bestimmt werden.With the flow sensor 10 becomes the heat flow necessary in some embodiments for determining a flow parameter by a heater 3 provided, for example, as a line-shaped heater on the membrane. Correspondingly arranged thermocouples with the corresponding thermocouple junctions on both sides of the heating element can register the heat distribution across the membrane. This heat distribution changes as gases, liquids or generally a fluid flow across the membrane. Thus, both the direction and the flux density of the substance quantity can be concluded. For example, it may be a flow direction, a mass flow, a volume flow or a flow velocity of the membrane membrane, ie the thermal membrane sensor element 12 , flowing fluid can be determined.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 kann zur Messung sich dynamisch ändernder und mit Wasser gesättigter Luftströmungen verwendet werden. Für eine akkurate Messung der Strömungsgeschwindigkeit bzw. des Massestromes kann sich der Messort in einer rohrgebundenen Messtrecke befinden, die mit ihrer Ausführung zu einer Glättung des Strömungsprofils beiträgt. Dies ist schematisch in der 6 gezeigt. Ein in Draufsicht dargestellte Halterung mit Messkopf 13 und dem freistehenden MEMS-Sensor 10 in einem Strömungskanal 17, der in diesem Ausführungsbeispiel als Venturidüse mit beidseitigen Sieben 37 zur Strömungs-Laminarisierung ausgeführt ist. Der MEMS-Sensor 10 steht in einem Winkel α zu einer Hauptströmungsrichtung 15 (Pfeile), um optimal gleichgerichtet von dem Fluid umströmt zu werden.The device according to the invention 10 can be used to measure dynamically changing and water-saturated air flows. For an accurate measurement of the flow velocity or the mass flow, the measuring location can be located in a pipe-bound measuring section, which contributes to a smoothing of the flow profile with its execution. This is schematically in the 6 shown. A holder with measuring head shown in plan view 13 and the freestanding MEMS sensor 10 in a flow channel 17 , which in this embodiment as Venturi nozzle with bilateral sieves 37 designed for flow laminarization. The MEMS sensor 10 is at an angle α to a main flow direction 15 (Arrows) to be flowed around optimally rectified by the fluid.

Der Strömungssensor 10 kann in der rohrgebundenen Messstrecke derart platziert sein, dass er mit seiner sensitiven Messfläche 10a in einem Winkel α zur Hauptstromrichtung 15 des Messfluides angestellt ist. Dadurch wird erreicht, dass das Fluid im thermischen Grenzschichtbereich gerichtet über die Messmembran strömt. Die Winkelanstellung vermindert Strömungsabschattungen oder sich bis in den Membranbereich fortpflanzende Strömungswirbel, die durch eine Anströmkante erzeugt werden kann. Damit kann die Aufnahme zuverlässiger Strömungsmesswerte im Membranbereich des MEMS-Sensors erreicht werden.The flow sensor 10 can be placed in the pipe-bound measuring section such that it with its sensitive measuring surface 10a at an angle α to the main flow direction 15 the measuring fluid is employed. This ensures that the fluid flows directed in the thermal boundary layer region over the measuring diaphragm. The angular adjustment reduces Strömungsabschattungen or up to the membrane area propagating flow vortex, which can be generated by a leading edge. This enables the acquisition of reliable flow measurements in the membrane area of the MEMS sensor.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Strömungssensor 10 einen Sensorchip 5 aufweisen, der sowohl auf einer Vorderseite 5a als auch auf einer gegenüberliegenden Rückseite 5b zumindest ein thermisches Membransensorelement 12 aufweist. Dies kann beispielsweise durch beidseitige Strukturierung oder z. B. durch einen Chip-Stapel, der aus zwei einseitig strukturierten Sensorchips, die an ihren jeweiligen Rückseiten zusammengefügt sind, erfolgen. Um in einem geraden Rohr in beiden Richtungen nach dem kalorimetrischen Prinzip messen zu können, kann sich also eine Messmembran sowohl auf der Vorder- als auch auf der Rückseite des MEMS-Sensors befinden. Die dann jeweils der Strömungsrichtung abgekehrte Sensor-Membran kann zu zusätzlichen Messaufgaben herangezogen werden, wie z. B. der Temperatur-, der Feuchte- oder der thermischen Bestimmung der Volumenanteile eines (bekannten) binären Gasgemisches im Hauptstrom.According to one embodiment, the flow sensor 10 a sensor chip 5 exhibit, on both a front 5a as well as on an opposite back 5b at least one thermal membrane sensor element 12 having. This can be done for example by structuring on both sides or z. Example, by a chip stack, made of two single-sided structured sensor chips, which are joined together at their respective backs. In order to be able to measure in a straight tube in both directions according to the calorimetric principle, a measuring diaphragm can therefore be located both on the front and on the back of the MEMS sensor. The then each of the flow direction averted sensor membrane can be used to additional measurement tasks, such. As the temperature, the humidity or the thermal determination of the volume fractions of a (known) binary gas mixture in the main stream.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 kann punktuell, d. h. an einem Ort eines Rohrquerschnitts bzw. Fluidkanalquerschnitts ein Strömungsparameter bestimmt werden, deshalb sollte für eine ausreichend genaue Strömungsmessung bzw. Strömungsparameterbestimmung eine gleichbleibende Verteilung des Strömungsgeschwindigkeitsprofils über den Rohrquerschnitt im gesamten Längsbereich gewährleistet werden. Dies kann durch geeignete Einbauelemente zur Strömungslaminarisierung vor der Messstelle, wie z. B. durch den Einbau von Siebe und/oder durch die vorteilhafte Rohrgestaltung am Ort der Messung erfolgen. Damit kann eine noch genauere Bestimmung eines Strömungsparameters des Fluides durch den im Betrieb des Strömungssensors als freistehender Sensorfinger von dem fluidumströmten Sensorchip erreicht werden.With the device according to the invention 10 can be determined point by point, ie at a location of a pipe cross section or fluid channel cross section, a flow parameter, therefore, for a sufficiently accurate flow measurement or flow parameter determination a constant distribution of the flow velocity profile over the pipe cross section in the entire longitudinal region should be ensured. This can be achieved by suitable installation elements for Strömungslamaminarisierung before the measuring point, such. B. by the installation of sieves and / or by the advantageous tube design at the place of measurement. In this way, an even more accurate determination of a flow parameter of the fluid can be achieved by the sensor chip flowing around in the operation of the flow sensor as a freestanding sensor finger.

7 zeigt eine schematische Detailansicht der Draufsicht eines Strömungssensors 10 mit Messkopf 13 und Sensorchip 5 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Sensorchip 5 mit seiner aktiven Vorderseite 5a, auf der sich das thermische Membransensorelement befindet, ist über Verjüngungen 33 mit dem Messkopf bzw. dem Sensorgehäuse 13 verbunden. Die aktive Vorderseite 5a des Sensorchips kann gegenüber der Hauptströmung eines Fluides um einen Winkel α geneigt sein, so dass das Fluid im thermischen Grenzschichtbereich gerichtet über die Messmembran strömt. 7 shows a schematic detail view of the top view of a flow sensor 10 with measuring head 13 and sensor chip 5 according to an embodiment of the present invention. The sensor chip 5 with his active front 5a on which the thermal membrane sensor element is located is over tapers 33 with the measuring head or the sensor housing 13 connected. The active front side 5a of the sensor chip may be inclined relative to the main flow of a fluid by an angle α, so that the fluid flows in the thermal boundary layer region directed over the measuring diaphragm.

8 zeigt die schematische vergrößerte Anströmfläche des Sensorchips 5 eines Eintauchfühlers. Durch die Winkelanstellung um den Winkel α gegenüber einer Strömungsrichtung 15 des Fluides bildet sich eine gleichgerichtete weitgehend wirbelfreie Fluidschicht auf der angeströmten Sensorseite 5a aus (durchgezogene Pfeile). Erfolgt die Anströmung (gestrichelte Pfeile) im geraden Messrohr von der anderen Seite, also der Rückseite 5b des Sensorchips, so können sich in Ausführungsbeispielen auf der Rückseite 5b des MEMS-Chips 5 gleichartige Sensorstrukturen wie auf der Vorderseite 5a befinden: Es können also beispielweise, sowohl auf der Vorderseite 5a, als auch auf der Rückseite 5b des Senorschips 5, jeweils mindestens ein thermisches Membransenorelement 12 ausgebildet sein. Dies kann, wie oben bereits erwähnt, z. B. durch einen Chipstapel oder eine rückseitige Strukturierung erreicht werden. Durch die beidseitige Strukturierung mit den thermischen Membransenorelementen lässt sich dann auch jeweils eine Strömungsrichtung in beide möglichen Flussrichtungen bestimmen. Bei einer Anwendung des Strömungssensors als Spirometer kann also z. B. ein Einatmen und ein Ausatmen unterschieden werden. 8th shows the schematic enlarged flow surface of the sensor chip 5 an immersion sensor. By the angular adjustment by the angle α with respect to a flow direction 15 the fluid forms a rectified largely vortex-free fluid layer on the flown sensor side 5a off (solid arrows). If the flow (dashed arrows) in the straight measuring tube from the other side, ie the back 5b of the sensor chip, so may in embodiments on the back 5b of the MEMS chip 5 similar sensor structures as on the front 5a So, for example, both on the front 5a , as well as on the back 5b of the Senor chip 5 , in each case at least one thermal membrane element 12 be educated. This can, as already mentioned above, for. B. can be achieved by a chip stack or a back structuring. Due to the structuring on both sides with the thermal membrane sensor elements, a flow direction in both possible flow directions can then also be determined in each case. When using the flow sensor as a spirometer So z. B. inhalation and exhalation can be distinguished.

In 9 ist der Herstellungsprozess und der Aufbau eines erfindungsgemäßen Strömungssensors kurz erläutert. Auf einem Siliziumwafer oder Siliziumsubstrat 20 wird zunächst eine Haftschicht aus Trockenoxid und darauf eine Schicht aus Siliziumnitrid (Si3N4) 22 aufgebracht (9A). Die Trockenoxidschicht kann z. B. eine Dicke von 50 nm aufweisen und die Siliziumnitridschicht eine Dicke von 100 nm. Als nächstes werden, wie in der 9B dargestellt ist, der Heizer 3 und die Temperatursensoren 8 erzeugt. Bei den Temperatursensoren 8 kann es sich beispielsweise um Thermoelemente bzw. Thermopiles handeln, wobei jedes Thermoelement 8, 8' jeweils zwei Thermoelementübergänge aufweist. Das Thermoelement 8 weist die Thermoelementübergänge 8a und 8c auf und das Thermoelement 8' die Thermoelementübergänge 8b und 8d. Das Heizelement 3 wird in Form zweier linienförmiger Heizdrähte auf die Membran strukturiert.In 9 the manufacturing process and the structure of a flow sensor according to the invention is briefly explained. On a silicon wafer or silicon substrate 20 First, an adhesion layer of dry oxide and then a layer of silicon nitride (Si 3 N 4 ) 22 applied ( 9A ). The dry oxide layer may, for. B. have a thickness of 50 nm and the silicon nitride layer has a thickness of 100 nm. Next, as in the 9B is shown, the heater 3 and the temperature sensors 8th generated. At the temperature sensors 8th they may be, for example, thermocouples or thermopiles, each thermocouple 8th . 8th' each having two thermocouple junctions. The thermocouple 8th indicates the thermocouple junctions 8a and 8c on and the thermocouple 8th' the thermocouple junctions 8b and 8d , The heating element 3 is structured on the membrane in the form of two linear heating wires.

Die Detektierung einer Membranerwärmung zur Bestimmung eines Strömungsparameters eines Fluides erfolgt z. B. über Dünnschichtthermoelemente an deren Rändern, also an den Rändern der Membran 9. Die Thermoelemente 8, 8' nutzen den Seebeck-Effekt aus, wonach eine elektrische Spannung auftritt, sobald zwei unterschiedliche, miteinander verbundene Metalle oder leitfähige Materialien eine Temperaturdifferenz erfahren. Eine Kontaktstelle jedes Thermoelementes 8, 8', nämlich die Kontaktstelle bzw. der Thermoelementübergang 8a für das Thermoelement 8 und die Kontaktstelle 8b für das Thermoelement 8' befindet sich dabei auf der durch den Heizer 3 erwärmten Sensormembran 9, während sich die andere Kontaktstelle eines jeden Thermoelementes 8, 8', nämlich die Kontaktstelle 8c für das Thermoelement 8 und der Thermoelementübergang 8d für das Thermoelement 8' sich auf dem Siliziumrahmen bzw. auf dem Siliziumbulk befinden. Der Siliziumrahmen bzw. der Siliziumbulk ist, wie in der 9D schematisch dargestellt ist, nicht unterätzt.The detection of a membrane heating to determine a flow parameter of a fluid is z. B. on thin-film thermocouples at the edges, ie at the edges of the membrane 9 , The thermocouples 8th . 8th' exploit the Seebeck effect, whereupon an electrical voltage occurs as soon as two different interconnected metals or conductive materials experience a temperature difference. One contact point of each thermocouple 8th . 8th' namely the contact point or the thermocouple junction 8a for the thermocouple 8th and the contact point 8b for the thermocouple 8th' is located on the by the heater 3 heated sensor membrane 9 while the other contact point of each thermocouple 8th . 8th' namely the contact point 8c for the thermocouple 8th and the thermocouple junction 8d for the thermocouple 8th' are located on the silicon frame or on the Siliziumbulk. The silicon frame or the silicon bulb is, as in the 9D is shown schematically, not undercut.

Die hohe thermische Wärmeleitfähigkeit des Siliziums sorgt für eine nahezu konstante Referenztemperatur. Um kleinere Temperaturunterschiede detektieren zu können, können in einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung auf jeder Seite des Heizers je 5, je 10, je 20 oder je 50 Thermoelemente bzw. Kontakte pro Seite angeordnet sein und zu einem sogenannten Thermopile in Reihe verschaltet sein. Pro Kontakt kann beispielsweise eine Spannung von 180 μV/K abgegriffen werden. Das heißt, gemäß einiger Ausführungsbeispieler der vorliegenden Erfindung kann das thermische Membransensorelement 12 nicht nur zwei zueinander beabstandete Thermoelementübergänge aufweisen, sondern eine Mehrzahl von solchen zueinander beabstandeten Thermoelementübergängen und ein zwischen dieser Mehrzahl von zueinander beabstandeten Thermoelementübergängen angeordnetes Heizelement 3. Ein Thermoelementübergang kann aus zwei unterschiedlichen Metallen oder zumindest leitfähigen oder halbleitenden Materialien bestehen. Beispielsweise kann das Thermoelement zumindest eines der folgenden Metalle aufweisen: Wismut, Konstantan, Nickel, Platin, Aluminium, Rhodium, Kupfer, Gold, Silber, Eisen, Titan-Wolfram oder Chrom. Bei den Thermopiles 7, 7' kann jeweils ein Thermoelementübergang auf der Sensormembran liegen und der jeweils dazugehörige zweite Thermoelementübergang auf dem Sensorchipbulk, also z. B. den Siliziumbulk.The high thermal thermal conductivity of the silicon ensures a nearly constant reference temperature. In order to be able to detect smaller temperature differences, 5 thermocouples or contacts per side may be arranged on each side of the heater in some embodiments of the present invention and connected in series to a so-called thermopile. For example, a voltage of 180 μV / K can be tapped per contact. That is, according to some embodiments of the present invention, the thermal membrane sensor element 12 not only have two spaced-apart thermocouple junctions, but a plurality of such spaced-apart thermocouple junctions and arranged between this plurality of mutually spaced thermocouple junctions heating element 3 , A thermocouple junction may consist of two different metals or at least conductive or semiconducting materials. For example, the thermocouple may comprise at least one of the following metals: bismuth, constantan, nickel, platinum, aluminum, rhodium, copper, gold, silver, iron, titanium-tungsten or chromium. At the thermopiles 7 . 7 ' can each be a thermocouple junction on the sensor membrane and the respectively associated second thermocouple junction on the Sensorchipbulk, so z. B. the Siliciumbulk.

Als Material für die Heizer 3 und einen ersten thermoelektrischen Partner eines Thermoelementübergangs 8a, 8b bzw. 8c, 8d kann ein dotiertes und damit gut leitendes Polysilizium auf der Membran 9 abgeschieden und strukturiert werden. Die Dicke des Polysiliziums kann beispielsweise ca. 100 nm betragen. In einem Prozessschritt kann also, wie in der 9B schematisch dargestellt ist, als thermoelektrischer Partner für den thermoelektrischen Übergang Polysilizium 25 teilweise auf der Membran 9 bzw. dem zukünftigen Membrangebiet 9 und teilweise auf dem Siliziumbulk abgeschieden werden. In einem weiteren Prozessschritt wird dann beispielsweise aus Aluminium 24 der jeweils zu einem Thermoelement gehörige zweite Thermoelementübergang sowie die elektrischen Leiterbahnen und Kontaktflächen 29 (Pads) zum späteren Drahtbonden der Chips aufgebracht. Das Aluminium kann in einer Dicke von beispielsweise ca. 300 nm aufgebracht werden.As a material for the heater 3 and a first thermoelectric partner of a thermocouple junction 8a . 8b respectively. 8c . 8d may be a doped and thus highly conductive polysilicon on the membrane 9 be deposited and structured. The thickness of the polysilicon may be, for example, about 100 nm. In a process step can therefore, as in the 9B is shown schematically, as a thermoelectric partner for the thermoelectric transition polysilicon 25 partly on the membrane 9 or the future membrane area 9 and partially deposited on the Siliziumbulk. In a further process step is then made of aluminum, for example 24 each associated with a thermocouple second thermocouple junction and the electrical traces and contact surfaces 29 (Pads) applied for later wire bonding of the chips. The aluminum can be applied in a thickness of, for example, about 300 nm.

Anschließend wird der Wafer, wie in 9C dargestellt ist, mit einem Schichtstapel 27 aus Siliziumoxid und -Nitrid vollflächig überzogen. Der Schichtstapel 27 kann z. B. eine Dicke von beispielsweise ca. 1 μm aufweisen. Damit kann eine ausreichende Passivierung der Funktionselemente des Sensorchips gegenüber auch aggressiven Medien erreicht werden. Nach Aufbringen der Passivierung 27 kann von der Rückseite 5b her, also von der Seite, die den Funktionselementen, wie dem Heizer 3 und den Thermoelementen 8, 8' gegenüberliegt, beispielsweise durch nasschemisches anisotropes Ätzen mit Kaliumhydroxid (KOH) unterhalb der späteren Membran 9 eine Grube bzw. Aussparung 28 strukturiert werden.Subsequently, the wafer, as in 9C is shown with a layer stack 27 of silicon oxide and nitride coated over the entire surface. The layer stack 27 can z. B. have a thickness of for example about 1 micron. Thus, a sufficient passivation of the functional elements of the sensor chip against aggressive media can be achieved. After applying the passivation 27 can from the back 5b forth, so from the side, the functional elements, such as the heater 3 and the thermocouples 8th . 8th' opposite, for example by wet-chemical anisotropic etching with potassium hydroxide (KOH) below the later membrane 9 a pit or recess 28 be structured.

Wie in 9D gezeigt ist, dient die Siliziumnitridschicht 22 als Ätzstopp von der Rückseite, so dass die Sensormembran 9 nach dem Ätzen stehen bleibt. Die Rückseite 9a der Sensormembran liegt also frei. Wie in 9E schematisch dargestellt ist, kann danach durch lokales Entfernen der Passivierung 27 und Freilegen der Bondpads 29 eine Bondung für die elektrischen Anschlüsse der Thermoelemente 8, 8' und des Heizers 3 durchgeführt werden.As in 9D is shown, the silicon nitride serves 22 as an etch stop from the back, leaving the sensor membrane 9 stops after etching. The backside 9a the sensor membrane is therefore free. As in 9E is shown schematically, can thereafter by locally removing the passivation 27 and exposing the bond pads 29 a Bonding for the electrical connections of the thermocouples 8th . 8th' and the heater 3 be performed.

In 10 ist die Aufsicht eines Sensorchips 5 in einem unterschiedlichen Detaillierungsgrad der einzelnen Elemente dargestellt. Dabei zeigt die 10A die Aufsicht eines Mikroskopbildes des Strömungssensors 5 und die 10B eine schematische Darstellung der Aufsicht einer Membran 9 bzw. des thermischen Membransensorelementes 12 mit den Heizern 3 und den zwei gegenüber angeordneten thermoelektrischen Übergängen, die hier als in Reihe geschaltete Thermopiles 7, 7' ausgebildet sind. Ferner ist in der 10C eine Detailansicht eines Thermopiles 7' mit den in Reihe geschalteten Thermoelementen dargestellt.In 10 is the top view of a sensor chip 5 represented in a different level of detail of the individual elements. It shows the 10A the supervision of a microscope image of the flow sensor 5 and the 10B a schematic representation of the top view of a membrane 9 or the thermal membrane sensor element 12 with the heaters 3 and the two opposing thermoelectric junctions, here as serially connected thermopiles 7 . 7 ' are formed. Furthermore, in the 10C a detailed view of a thermopile 7 ' represented with the series-connected thermocouples.

Bei dem Sensorchip 5 kann es sich, wie in der 10A dargestellt ist, um einen länglich ausgebildeten Sensorchip handeln, bei dem beispielsweise die Längsseite L 6 mm beträgt und die Breite W 2 mm. In einigen Ausführungsbeispielen ist also eine Längskante des Sensorchips 5 dreimal oder länger als die Schmalseite W des Chips, um die sensitiven Elemente 12 in der Strömung freistehend und außerhalb des strömungstechnisch störenden Übergangs zur mechanischen Verankerung eines Messkopfs platzieren zu können. Die elektrischen Zuleitungen 19 liegen an einer Stirnseite des Sensors und sind dort mit dem Messkopf (nicht gezeigt in 10A) verbunden. Die aktiven sensorischen Elemente 12 können im ersten Drittel der Chipfläche am gegenüberliegenden Ende 5c des Sensorchips angeordnet sein. Damit wird eine Strömungsmessung möglichst wenig durch die Verbindung zum Rumpf bzw. Messkopf des Sensorfingergehäuses beeinflusst.At the sensor chip 5 It may be, as in the 10A is shown to act an elongated sensor chip in which, for example, the longitudinal side L is 6 mm and the width W 2 mm. In some embodiments, therefore, a longitudinal edge of the sensor chip 5 three times or more than the narrow side W of the chip to the sensitive elements 12 in the flow free-standing and outside of the fluidically disturbing transition to the mechanical anchoring of a measuring head to be able to place. The electrical leads 19 lie on one end face of the sensor and are there with the measuring head (not shown in 10A ) connected. The active sensory elements 12 can be in the first third of the chip area at the opposite end 5c be arranged of the sensor chip. As a result, a flow measurement is influenced as little as possible by the connection to the fuselage or measuring head of the sensor finger housing.

In der Aufsicht von 10B ist das thermische Membransensorelement 12 mit dem dazugehörigen Heizer 3 dargestellt. Die Thermoelemente 8 bzw. 8' sind auf ihrer jeweiligen Seite in Reihe zusammengeschaltet und zu jeweils einem Thermopile 7, 7' zusammengefasst. Die einzelnen Thermoelemente 8, 8' bzw. die Thermopiles 7, 7' besitzen jeweils Thermoelementübergänge 8a und 8b, die auf der Sensormembran 9 angeordnet sind und jeweils dazugehörige zweite Thermoelementübergänge 8c und 8d, die auf dem Chiprahmen bzw. dem Siliziumbulk angeordnet sind. Sowohl die Heizelemente 3 als auch die Thermoelemente 8, 8' weisen entsprechende elektrische Zuleitungen 19 auf. In 10C ist eine Teilansicht des Thermopiles 7' mit den Thermoelementübergängen 8b, 8d dargestellt. Die Figur zeigt zum einen die Thermoelementübergänge 8b, die Aluminium 24 und Polysilizium 25 aufweisen und die auf der Membran 9 angeordnet sind, und zum anderen auch die Thermoelementübergänge 8d, welche ebenfalls Polysilizium 25 und Aluminium 24 aufweisen, und die auf dem Siliziumbulk bzw. Sensorchiprahmen ausgebildet sind.In the supervision of 10B is the thermal membrane sensor element 12 with the associated heater 3 shown. The thermocouples 8th respectively. 8th' are connected in series on their respective sides and in each case to a thermopile 7 . 7 ' summarized. The individual thermocouples 8th . 8th' or the thermopiles 7 . 7 ' each have thermocouple junctions 8a and 8b on the sensor membrane 9 are arranged and respectively associated second thermocouple junctions 8c and 8d , which are arranged on the chip frame or the Siliziumbulk. Both the heating elements 3 as well as the thermocouples 8th . 8th' have corresponding electrical leads 19 on. In 10C is a partial view of the Thermopile 7 ' with the thermocouple junctions 8b . 8d shown. The figure shows on the one hand the thermocouple transitions 8b , the aluminum 24 and polysilicon 25 and that on the membrane 9 are arranged, and on the other hand, the thermocouple junctions 8d which also polysilicon 25 and aluminum 24 have, and which are formed on the Siliziumbulk or sensor chip frame.

Im Betrieb, wenn also der Heizer 3 die Umgebung erwärmt, werden die Thermoelementübergänge 8b des Thermopiles 7' eine höhere Temperatur Twarm aufweisen als die dazugehörigen Thermoelementübergänge 8d des Thermopiles 7', die eine geringere Temperatur Tkalt aufweisen. Die Membran 9 besitzt eine geringe thermische Masse, so dass bei Erwärmung des Heizelementes die Membran 9 relativ schnell die durch den Heizer erzeugte Temperatur annehmen wird, wohingegen die Temperatur auf dem Siliziumchip bzw. dem Sensorchiprahmen niedriger sein wird.In operation, if so the heater 3 the surroundings are heated, the thermocouple junctions 8b of the thermopile 7 ' have a higher temperature T warm than the associated thermocouple junctions 8d of the thermopile 7 ' which have a lower temperature T cold . The membrane 9 has a low thermal mass, so that when heating the heating element, the membrane 9 relatively quickly assume the temperature generated by the heater, whereas the temperature on the silicon chip or the sensor chip frame will be lower.

In 11 ist das Funktionsprinzip eines thermischen Strömungssensors 5 in einem Diagramm aus der Dissertation von Sven Zinober, „Redundanzstrukturen zur Erhöhung der Sicherheit und Zuverlässigkeit von Mikrosystemen”, Dissertation, Albert-Ludwig-Universität Freiburg im Breisgau, 2002 gezeigt. Die durchgezogene Kurve in 11 zeigt den schematischen Temperaturverlauf entlang einer Fluidkanalwand auf einer Sensorfläche für ein ruhendes Medium bzw. Fluid und die gestrichelte Kurve bei einem angenommenen Durchfluss eines Fluides in der durch den Pfeil angedeuteten Strömungsrichtung von links nach rechts.In 11 is the functional principle of a thermal flow sensor 5 in a diagram from the dissertation by Sven Zinober, "Redundancy structures to increase the safety and reliability of microsystems", Dissertation, Albert-Ludwig University Freiburg im Breisgau, 2002 shown. The solid curve in 11 shows the schematic temperature profile along a fluid channel wall on a sensor surface for a resting medium or fluid and the dashed curve with an assumed flow of a fluid in the direction indicated by the arrow flow direction from left to right.

Bei einem ruhenden Medium bildet sich bei der Erwärmung der Sensormembran an der Stelle X0 durch den Heizer 3 eine gleichmäßige abklingende Temperaturverteilung in Richtung der Thermoelemente 8 und 8' aus. Das heißt, bei einer ruhenden Strömung wird bei identischem Abstand –X1 und +X1 der Thermoelemente 8 und 8' von dem Heizer 3 eine identische Temperatur gemessen. Ruht also das Strömungsmedium, so wird die aktive Sensorfläche durch Wärmeleitung in der Membran und im Medium aufgeheizt. Die entsprechende Temperatur wird also von den Thermoelementen 8, 8' detektiert. Bei einer einsetzenden Strömung in der durch den Pfeil angedeuteten Strömungsrichtung bildet sich dann eine Temperaturverteilung aus wie sie durch die gestrichelte Kurve dargestellt ist. Bei Strömung wird also das Wärmeverteilungsfeld in Richtung des der Strömung abgewandten Thermoelementes 8' verschoben.In a quiescent medium forms when heating the sensor membrane at the point X 0 through the heater 3 a uniform decaying temperature distribution in the direction of the thermocouples 8th and 8th' out. That is, at a fixed flow, at an identical distance, -X 1 and + X 1 of the thermocouples 8th and 8th' from the heater 3 measured an identical temperature. So rested the flow medium, the active sensor surface is heated by heat conduction in the membrane and in the medium. The corresponding temperature is therefore from the thermocouples 8th . 8th' detected. When an onset of flow in the flow direction indicated by the arrow then forms a temperature distribution as shown by the dashed curve. When flow is thus the heat distribution field in the direction of the flow thermocouple facing away 8th' postponed.

11 zeigt also den schematischen Temperaturverlauf auf der Sensorebene mit den zwei Thermoelementen 8, 8' und der dazwischen angeordneten Heizung 3 und der Verschiebung dieses Verlaufs in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit des darüber hinweg strömenden Fluides, wobei in 10 der Fall gezeigt ist, dass der Heizer 3 auf eine konstante Temperatur geheizt wird (auch als Konstant-Temperatur-Anemometrie, CTA, bezeichnet). Entsprechend den Anforderungen oder dem zu messenden Strömungsparameter kann der Heizer 3 auch auf unterschiedliche Weise, also mit konstanter Leistung, konstanter Spannung oder konstantem Strom (Konstant-Strom-Anemometrie, CCA), oder z. B. periodisch oder gepulst, geheizt werden. Ein Messkopf mit einem freistehenden Sensorfinger kann also so in einem strömenden Fluid angeordnet sein, dass das strömende Fluid zuerst ein erstes Thermoelement 8 umströmt, danach den Heizer 3 und weiter das zweite Thermoelement 8' umströmt. 11 So shows the schematic temperature profile on the sensor plane with the two thermocouples 8th . 8th' and the heater in between 3 and the displacement of this course as a function of the flow velocity of the fluid flowing over it, wherein 10 the case shown is that of the heater 3 heated to a constant temperature (also referred to as constant temperature anemometry, CTA). According to the requirements or the flow parameter to be measured, the heater 3 also in different ways, ie with constant power, constant voltage or constant current (Constant current anemometry, CCA), or z. B. periodic or pulsed heated. A measuring head with a freestanding sensor finger can thus be arranged in a flowing fluid such that the flowing fluid firstly a first thermocouple 8th flows around, then the heater 3 and continue the second thermocouple 8th' flows around.

Die Temperaturdifferenzen ΔT1 und ΔT2 geben den Unterschied zwischen dem zum Heizer 3 zugewandten jeweiligen heißen Kontakten 8a, 8b der Thermoelemente 8, 8' und dem vom Heizer 3 abgewandten Enden 8c, 8d der Thermoelemente 8, 8', die sich auf dem Siliziumbulk befinden und damit als kalter Kontakt bezeichnet werden kann. ΔT1 ist die Temperaturdifferenz am Upstream-(Stromaufwärts)Sensor 8 und ΔT2 am Downstream-(Stromabwärts)Sensor 8'. Ruht das Strömungsmedium, so wird die aktive Sensorfläche durch Wärmeleitung in der Membran und dem Medium aufgeheizt. Bei einsetzender Strömung, hier in Strömungsrichtung von links nach rechts wird dieses Wärmeverteilungsfeld nach rechts verschoben. Die Thermoelemente 8, 8' können wieder in Reihe geschaltet zu Thermopiles 7, 7' zusammengefasst werden. Das Strömungs-Medium oder Fluid erreicht also zunächst das Upstream-Thermopile 7, kühlt dieses, wird danach am Heizer 3 erwärmt und führt diese Wärme mit. Dadurch werden die heißen Kontakte 8b des strömungsabgewandten Downstream-Thermopiles 7' stärker aufgeheizt. Die Differenz der Temperaturunterschiede an den Thermopiles 7, 7', also ΔT2 – ΔT1 ist dann der von der Strömungsgeschwindigkeit abhängige Temperaturunterschied zwischen dem Downstream-Thermopile 7' und dem Upstream-Thermopile 7. Es kann also das Temperaturprofil zwischen der Membranmitte mit dem Heizer und dem Siliziumbulk gemessen werden.The temperature differences ΔT 1 and ΔT 2 give the difference between that to the heater 3 facing respective hot contacts 8a . 8b the thermocouples 8th . 8th' and the heater 3 opposite ends 8c . 8d the thermocouples 8th . 8th' , which are located on the silicon bulb and can therefore be described as a cold contact. ΔT 1 is the temperature difference at the upstream (upstream) sensor 8th and ΔT 2 at the downstream (downstream) sensor 8th' , If the flow medium is at rest, the active sensor surface is heated by heat conduction in the membrane and the medium. When the flow starts, here in the flow direction from left to right, this heat distribution field is shifted to the right. The thermocouples 8th . 8th' can be connected back to Thermopiles again 7 . 7 ' be summarized. Thus, the flow medium or fluid first reaches the upstream thermopile 7 , cool this, then it is at the stoker 3 heats and carries this heat. This will be the hot contacts 8b the outflow downstream thermopile 7 ' heated up more. The difference of the temperature differences at the thermopiles 7 . 7 ' , that is ΔT 2 - ΔT 1 is then the temperature-dependent temperature difference between the downstream thermopile 7 ' and the upstream thermopile 7 , It can therefore be measured, the temperature profile between the center of the membrane with the heater and the Siliziumbulk.

Mit dem obigen Messprinzip lassen sich Strömungssensoren mit hoher Dynamik, z. B. von 1:10 bis 1:10000, z. B. also von 1:1000 bauen. Der Strömungssensor sollte bei Anwendung für Flüssigkeitsmessungen eine dichte Passivierung der Thermopile-Strukturen und deren Zuleitungen aufweisen, um so einen elektrischen Kurzschluss der aktiven Sensorelemente zu vermeiden. Der Strömungssensor 5 ist für Gase und Flüssigkeiten oder allgemein Fluide z. B. sowohl in einem Anemometer als auch in einem Kalorimeterbetrieb einsetzbar.With the above measuring principle can flow sensors with high dynamics, z. From 1:10 to 1: 10,000, e.g. So build from 1: 1000. When used for liquid measurements, the flow sensor should have a dense passivation of the thermopile structures and their supply lines so as to avoid an electrical short circuit of the active sensor elements. The flow sensor 5 is for gases and liquids or generally fluids z. B. can be used both in an anemometer and in a calorimeter operation.

In 12a ist die schematische Darstellung eines Sensorchips 5 für einen Strömungssensor 10 zur Bestimmung eines Strömungsparameters eines Fluides gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Sensorchip 5 kann demnach nicht nur ein Sensorelement, z. B. ein thermisches Membransensorelement 12 aufweisen, sondern auch zwei oder mehrere Sensorelemente, also z. B. auch ein zweites thermisches Membransensorelement 12'. Das thermische Membransensorelement 12 kann ausgebildet sein, um den Strömungsparameter des Fluides in einem bestimmten bzw. ersten Messbereich zu bestimmen oder um eine Fluidtemperatur des Fluides zu bestimmen. Bei der Fluidtemperatur kann es sich beispielsweise um eine absolute oder auch um eine relative Fluidtemperatur handeln. Beispielsweise kann es sich bei der relativen Fluidtemperatur um eine Temperaturdifferenz zwischen der Membran 9, die aufgrund ihrer geringen thermischen Wärmekapazität schnell die Fluidtemperatur annehmen kann und der Temperatur des Sensorchiprahmens bzw. des Siliziumbulks handeln. Das thermische Membransensorelement 12 weist zwei zueinander beabstandete Thermoelementübergänge 8a, 8b und ein zwischen den Thermoelementübergängen angeordnetes Heizelement 3 auf und wobei der Sensorchip 5 ausgebildet ist, um beim Betrieb des Strömungssensors als freistehender Sensorfinger vom Fluid umströmt zu werden.In 12a is the schematic representation of a sensor chip 5 for a flow sensor 10 for determining a flow parameter of a fluid according to further embodiments of the present invention. The sensor chip 5 Therefore, not only a sensor element, for. B. a thermal membrane sensor element 12 have, but also two or more sensor elements, ie z. B. also a second thermal membrane sensor element 12 ' , The thermal membrane sensor element 12 may be configured to determine the flow parameter of the fluid in a particular or first measuring range or to determine a fluid temperature of the fluid. The fluid temperature may be, for example, an absolute or a relative fluid temperature. For example, the relative fluid temperature may be a temperature difference between the membrane 9 , which can quickly assume the fluid temperature due to their low thermal heat capacity and the temperature of the sensor chip frame or the silicon bulb act. The thermal membrane sensor element 12 has two mutually spaced thermocouple junctions 8a . 8b and a heating element disposed between the thermocouple junctions 3 on and where the sensor chip 5 is designed to be flowed around during operation of the flow sensor as a freestanding sensor finger from the fluid.

Wie in 12a gezeigt ist, kann der Sensorchip ein weiteres thermisches Membransensorelement 12' aufweisen, das ausgebildet ist, um einen Strömungsparameter des Fluides in einem weiteren bzw. zweiten Messbereich zu bestimmen oder um ebenfalls eine Fluidtemperatur zu bestimmen. Auch das weitere thermische Membransensorelement 12' kann zwei zueinander beabstandete Thermoelementübergänge 8a', 8b' und ein zwischen den Thermoelementübergängen angeordnetes Heizelement 3' aufweisen. Gegenüber dem ersten thermischen Membransensorelement 12 kann sich das zweite thermische Membransensorelement 12' dahin gehend unterscheiden, dass ein Abstand D1 (siehe 13) der zwei Thermoelementübergänge 8a, 8b des ersten Membransensorelements 12 zu dem dazwischen angeordneten Heizelement 3 unterschiedlich ist zu einem Abstand D2 der zwei Thermoelementübergänge 8a', 8b' des weiteren Membransensorelements 12' zu dem dazwischen angeordneten Heizelement 3'. Das heißt, die thermischen Membransensorelemente 12 und 12' unterscheiden sich dadurch, dass der Abstand der Thermoelementübergängen 8a und 8b bzw. 8a' und 8b' zu den jeweiligen Heizern 3, 3' einen unterschiedlichen Abstand D1 und D2 aufweisen. Durch den unterschiedlichen Abstand D1 und D2 der Thermoelementübergänge zu den jeweiligen Heizern, kann von den thermischen Membransensorelementen ein Strömungsparameter in unterschiedlichen Messbereichen bestimmt werden. Diese unterschiedlichen Messbereiche können sich z. B. auch überlappen. Mit einem geringerer Abstand können z. B. höhere Volumenströme gemessen werden, als mit einem größerem Abstand.As in 12a 1, the sensor chip may be another thermal membrane sensor element 12 ' which is configured to determine a flow parameter of the fluid in a further or second measuring range or also to determine a fluid temperature. Also the further thermal membrane sensor element 12 ' can be two spaced thermocouple junctions 8a ' . 8b ' and a heating element disposed between the thermocouple junctions 3 ' exhibit. Opposite the first thermal membrane sensor element 12 can the second thermal membrane sensor element 12 ' to distinguish that a distance D1 (see 13 ) of the two thermocouple junctions 8a . 8b of the first membrane sensor element 12 to the heating element arranged therebetween 3 is different to a distance D2 of the two thermocouple junctions 8a ' . 8b ' the further membrane sensor element 12 ' to the heating element arranged therebetween 3 ' , That is, the thermal membrane sensor elements 12 and 12 ' differ in that the distance of the thermocouple junctions 8a and 8b respectively. 8a ' and 8b ' to the respective heaters 3 . 3 ' have a different distance D1 and D2. Due to the different distances D1 and D2 of the thermocouple junctions to the respective heaters, a flow parameter in different measuring ranges can be determined by the thermal membrane sensor elements. These different measuring ranges can be z. B. also overlap. With a smaller distance z. B. higher volume flows are measured, as with a greater distance.

Gemäß einiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung kann der Sensorchip 5 also zwei vollständige ausgebildete thermische Membransensorelemente 12, 12' aufweisen. Diese Membransensorelemente 12 und 12' können beispielsweise je eine Silizium-Nitrid/Oxiddünnschichtmembran 9, 9' aufweisen sowie einen linienförmigen Heizwiderstand 3, 3' aus Polysilizium, der jeweils in der Membranmitte quer zu einer Strömungsrichtung angeordnet ist und für jedes Membransensorelement separat angesteuert werden kann. Dazu symmetrisch können beidseitig wieder Thermopilestrukturen 7, 7' aus den entsprechenden Thermoelementen 8, 8' mit Kontaktpaaren, beispielsweise aus Polysilizium/Aluminium angeordnet sein. Die „warmen Kontakte” 8a, 8b, 8a', 8b' liegen dabei auf der Sensormembran 9, 9' und die kalten Kontakte 8c, 8d, 8c', 8d', wie oben beschrieben, beispielsweise auf dem Siliziumrahmen. Dies gilt, falls der Heizer in Betrieb ist und die jeweilige Membran 9, 9' wärmer ist als der Siliziumrahmen. Im normalen Sensorbetrieb ist dies auch der Fall. Sollte die Membran kälter sein als der Rahmen, liegen die kalten Kontakte der Thermopiles 7, 7' auf der Membran und die warmen auf dem Siliziumrahmen. Beide Sensorelemente 12, 12', also beispielsweise die beiden thermischen Membransensorelemente, können zur Strömungsmessung verwendet werden, können jedoch für unterschiedliche Messbereiche ausgelegt sein. Somit kann durch eine entsprechende Ansteuereinrichtung bzw. Regeleinrichtung durch Umschalten zwischen den beiden Membranen im Betrieb insgesamt ein größerer Messbereich für einen zu untersuchenden oder zu bestimmenden Strömungsparameter abgedeckt werden. In Ausführungsbeispielen bei denen der Sensorchip 5 auf der Rückseite 5b strukturiert ist und dort ebenfalls jeweils zwei Sensorelemente aufweist oder einen Chip-stapel aus zwei einseitig strukturierte Sensorchips die mit ihren Rückseiten verbunden sind, kann also der Strömungssensor z. B. auch vier Sensorelemente bzw. Thermische Membransensorelemente aufweisen. Zum Beispiel kann bei einer Verwendung des Strömungssensors bzw. Sensorchips in der Medizintechnik zur Atemgasmessung eine einfache Vorauswahl für die Beatmung von Erwachsenen oder Kindern durch eine entsprechende Messbereichsauswahl des thermischen Membransensorelementes erfolgen. Betrieben wird in der Regel nur eine Membran als Strömungssensor zur Bestimmung eines Strömungsparameters, während die zweite Membran zur Messung der Fluidtemperatur, z. B. der relativen Fluidtemperatur oder auch der absoluten Fluidtemperatur dient. Zur Messung der Fluidtemperatur braucht in Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung das Heizelement 3' der zweiten Membran 12' nicht betätigt werden. Durch die äußerst geringe thermische Masse der nicht beheizten Membran nimmt diese sehr schnell die Temperatur des Umgebungsmediums, d. h. des Fluides an und eignet sich somit hervorragend zur dynamischen Temperaturmessung des Fluides. Durch die geringe thermische Masse der Membran ist diese „thermisch isoliert” gegenüber dem Sensorchipbulk, also z. B. gegenüber dem Siliziumbulk. Mit Hilfe der Thermopiles 7, 7' bzw. Temperatursensoren 8, 8' wird dann die Differenztemperatur zwischen der Membran – d. h. der Fluidtemperatur – und der Temperatur des Chiprahmens gemessen. Die zur Temperaturdifferenz proportionale Spannung der Thermopiles drückt dann den relativen Temperaturunterschied zwischen dem Chiprahmen bzw. Siliziumrahmen und der Fluidtemperatur aus. Genauso gut kann die absolute Temperaturmessung auch mit einem Sensorwiderstandselement auf der Membran erfolgen, das beispielsweise aus Poly-Silizium hergestellt ist. In einem Strömungsmesssystem kann die Ansteuerung der entsprechenden Heizer und der Thermoelemente so erfolgen, dass in einem ersten Zustand, wie oben bereits erwähnt, das erste thermische Membransensorelement einen Strömungsparameter in einem ersten Messbereich bestimmt, während das weitere thermische Membransensorelement bzw. das zweite thermische Membransensorelement eine dynamische Temperaturmessung der Fluidtemperatur vornimmt.According to some embodiments of the present invention, the sensor chip 5 So two complete trained thermal membrane sensor elements 12 . 12 ' exhibit. These membrane sensor elements 12 and 12 ' can For example, each a silicon nitride / oxide thin film membrane 9 . 9 ' have and a line-shaped heating resistor 3 . 3 ' of polysilicon, which is arranged in each case in the middle of the membrane transversely to a flow direction and can be controlled separately for each membrane sensor element. For this purpose, thermopile structures can again be symmetrical on both sides 7 . 7 ' from the corresponding thermocouples 8th . 8th' be arranged with contact pairs, for example, polysilicon / aluminum. The "warm contacts" 8a . 8b . 8a ' . 8b ' lie on the sensor membrane 9 . 9 ' and the cold contacts 8c . 8d . 8c ' . 8d ' as described above, for example on the silicon frame. This applies if the heater is in operation and the respective membrane 9 . 9 ' warmer than the silicon frame. In normal sensor operation this is also the case. If the membrane is colder than the frame, the cold contacts of the thermopiles are located 7 . 7 ' on the membrane and the warm on the silicon frame. Both sensor elements 12 . 12 ' Thus, for example, the two thermal membrane sensor elements can be used for flow measurement, but can be designed for different measuring ranges. Thus, by a corresponding control device or control device by switching between the two membranes in operation a total of a larger measuring range for a to be examined or determined flow parameters are covered. In embodiments in which the sensor chip 5 on the back side 5b is structured and also there each have two sensor elements or a chip stack of two single-sided structured sensor chips which are connected to their backs, so the flow sensor z. B. also have four sensor elements or thermal membrane sensor elements. For example, when using the flow sensor or sensor chip in medical technology for measuring respiratory gas, a simple pre-selection for the ventilation of adults or children can be made by a corresponding measuring range selection of the thermal membrane sensor element. Operated is usually only a membrane as a flow sensor for determining a flow parameter, while the second membrane for measuring the fluid temperature, for. B. the relative fluid temperature or the absolute fluid temperature is used. For measuring the fluid temperature needs in embodiments of the present invention, the heating element 3 ' the second membrane 12 ' not be operated. Due to the extremely low thermal mass of the unheated membrane, this very quickly assumes the temperature of the ambient medium, ie of the fluid, and is therefore ideal for the dynamic temperature measurement of the fluid. Due to the low thermal mass of the membrane, this is "thermally insulated" from the Sensorchipbulk, so z. B. against the Siliziumbulk. With the help of thermopiles 7 . 7 ' or temperature sensors 8th . 8th' Then, the differential temperature between the membrane - ie the fluid temperature - and the temperature of the chip frame measured. The temperature difference-proportional voltage of the thermopiles then expresses the relative temperature difference between the chip frame or silicon frame and the fluid temperature. Just as well, the absolute temperature measurement can be done with a sensor resistance element on the membrane, which is made for example of poly-silicon. In a flow measuring system, the control of the corresponding heaters and the thermocouples can be carried out so that in a first state, as already mentioned above, the first thermal membrane sensor element determines a flow parameter in a first measurement range, while the further thermal membrane sensor element or the second thermal membrane sensor element dynamic temperature measurement of the fluid temperature makes.

In einem zweiten Zustand kann die Ansteuerungseinrichtung bzw. die Regeleinrichtung das erste thermische Membransensorelement 12 und das zweite thermische Membransensorelement 12' so ansteuern, dass nun das erste thermische 12 Membransensorelement eine dynamische Temperaturmessung des Fluides vornimmt und dabei z. B. der Heizer 3 nicht in Betrieb ist und das zweite thermische Membransensorelement 12' in einem zweiten Messbereich, der sich von dem Messbereich des ersten thermischen Membransensorelements unterscheidet, einen Strömungsparameter des Fluides bestimmt.In a second state, the control device or the control device may be the first thermal membrane sensor element 12 and the second thermal membrane sensor element 12 ' so control that now the first thermal 12 Membrane sensor element performs a dynamic temperature measurement of the fluid while z. B. the heater 3 is not in operation and the second thermal membrane sensor element 12 ' in a second measuring range, which differs from the measuring range of the first thermal membrane sensor element, determines a flow parameter of the fluid.

In einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann in dem Chiprahmen bzw. in dem Siliziumrahmen oder dem Bulk-Gebiet ein Temperatursensor 35 integriert oder angeordnet sein, der ausgebildet ist, die Absoluttemperatur des Sensorchips bzw. des Siliziumrahmens zu bestimmen. Bei der Temperaturmessung kann es sich also um eine statische Temperaturmessung handeln. Der Temperatursensor kann beispielsweise eine in dem Siliziumrahmen integrierte Diode 35 sein.In some embodiments of the present invention, a temperature sensor may be included in the chip frame or in the silicon frame or bulk region 35 integrated or arranged, which is designed to determine the absolute temperature of the sensor chip or the silicon frame. The temperature measurement can therefore be a static temperature measurement. The temperature sensor may, for example, be a diode integrated in the silicon frame 35 be.

Der Strömungssensor 10 mit dem Sensorchip 5 kann so ausgebildet sein, dass der Sensorchip beim Betrieb des Strömungssensors als freistehender Sensorfinger von dem Fluid umströmt wird. Dazu kann die Oberfläche des Sensorchips, wie im Zusammenhang mit der 9C beschrieben ist, durch eine entsprechende Passivierung so ausgebildet sein, dass das Fluid, beispielsweise eine Flüssigkeit, keine Kurzschlüsse oder sonstige Beschädigungen an dem Sensorchip bewirken kann.The flow sensor 10 with the sensor chip 5 can be designed so that the sensor chip is flowed around during operation of the flow sensor as a free-standing sensor fingers of the fluid. For this purpose, the surface of the sensor chip, as related to the 9C is described to be formed by an appropriate passivation so that the fluid, such as a liquid, can cause no short circuits or other damage to the sensor chip.

Wie in der 12a ferner dargestellt ist, kann der Sensorchip 5 in weiteren Ausführungsbeispielen zusätzlich einen sogenannten Kondensatheizer 30 aufweisen. In dem Ausführungsbeispiel in 12a besteht der Kondensatheizer aus zwei in Reihe verschalteter in dem Siliziumrahmen des Sensorchips dotierter Widerstände. Diese können symmetrisch zu einer Strömungsrichtung des Fluides vor und nach den beiden thermischen Membransensorelementen 12, 12' angeordnet sein. Der Kondensatheizer 30 kann also symmetrisch vor und hinter der Sensormembran 9 angeordnet sein, um starke thermische Gradienten auf dem Sensorchip zu vermeiden. Mit dem Kondensatheizer kann der Sensorchip 5 auf eine Temperatur oberhalb einer Kondensationstemperatur eines in einem gasförmigen Fluid enthaltenen kondensierbaren Gases erwärmt werden. Beispielsweise kann mit Hilfe des Kondensatheizers 30 der Sensorchip auf eine Temperatur oberhalb einer Taupunkttemperatur eines feuchten, also Wasserdampf aufweisenden Gases, erwärmt und auf dieser Temperatur gehalten werden. Dadurch kann eine Kondensation des in dem Fluid kondensierbaren Stoffes auf dem Sensorchip vermieden werden und somit eine Fehlfunktion des Sensorchips aufgrund von Kondensatbildung verhindert werden.Like in the 12a is further shown, the sensor chip 5 in further embodiments, in addition, a so-called condensate heater 30 exhibit. In the embodiment in 12a the condensate heater consists of two series-connected in the silicon frame of the sensor chip doped resistors. These can be symmetrical to a flow direction of the fluid before and after the two thermal membrane sensor elements 12 . 12 ' be arranged. The condensate heater 30 So it can be symmetrical in front of and behind the sensor membrane 9 be arranged to avoid strong thermal gradient on the sensor chip. With the condensate heater, the sensor chip 5 are heated to a temperature above a condensation temperature of a condensable gas contained in a gaseous fluid. For example, with the help of the condensate heater 30 the sensor chip to a temperature above a dew point of a moist, ie water vapor-containing gas, heated and maintained at this temperature. As a result, condensation of the substance which can be condensed in the fluid on the sensor chip can be avoided and thus a malfunction of the sensor chip due to condensation formation can be prevented.

Als Kondensationstemperatur bezeichnet man die Temperatur, ab der ein Stoff bei einem gegebenen Druck kondensiert, d. h. vom gasförmigen in den flüssigen Aggregatszustand übergeht. Die Kondensationstemperatur ist stoffspezifisch und zudem abhängig vom Druck, wobei man Druck- und Temperaturbedingungen zusammen als Kondensationspunkt bezeichnet.The condensation temperature is the temperature at which a substance condenses at a given pressure, i. H. from the gaseous to the liquid state of aggregation. The condensation temperature is substance-specific and also dependent on the pressure, where pressure and temperature conditions together are referred to as the condensation point.

Gemäß einer anderen Vorgehensweise kann der Sensorchip bei einer bereits erfolgten Tröpfchenbedeckung der Messmembran, beispielsweise durch Aerosolbildung u. a., kurzzeitig mit hoher Energie durch den Kondensatheizer 30 geheizt werden, um das Aerosol wieder zu verdampfen. Im Falle eines Wasserdampf aufweisenden Gases kann also bei einer Tröpfchen- oder Aerosolbildung auf dem Sensorchip das Wasser mit Hilfe des Kondensatheizers 30 wieder sehr schnell verdampft werden, so dass durch den Sensorchip wieder korrekte Strömungsparameter bestimmt werden können. Als Taupunkttemperatur wird dabei die Temperatur bezeichnet, bei der sich auf einem Gegenstand bei vorhandener Feuchte ein Gleichgewichtszustand an kondensierenden und verdunstendem Wasser einstellt, also mit anderen Worten eine Kondensatbildung gerade einsetzt. Der Heizer 3 auf dem thermischen Membransensorelement kann im Gegensatz zu dem Kondensatheizer 30 eine Heizleistung aufweisen, die nicht ausreicht um ein Kondensat auf den zu verdampfen. Beispielsweise kann der Membranheizer 3 eine Heizleistung von 8 mW aufweisen, während der Kondensatheizer eine Heizleistung von mehr als 100 mW aufweist.According to another approach, the sensor chip in a previously completed droplet coverage of the measuring membrane, for example by aerosol formation, inter alia, for a short time with high energy through the condensate heater 30 be heated to re-evaporate the aerosol. In the case of a gas having water vapor, therefore, in the case of a droplet or aerosol formation on the sensor chip, the water can be used with the aid of the condensate heater 30 be evaporated again very quickly, so that again correct flow parameters can be determined by the sensor chip. The dew point temperature is the temperature at which an equilibrium state of condensing and evaporating water is established on an object when moisture is present, in other words condensate formation is beginning. The heater 3 on the thermal membrane sensor element, in contrast to the condensate heater 30 Have a heating capacity that is insufficient to evaporate a condensate on the. For example, the membrane heater 3 have a heating capacity of 8 mW, while the condensate heater has a heating capacity of more than 100 mW.

Der Kondensatheizer 30 kann also beispielsweise als integrierter Kondensatheizer in dem Sensorchip, also z. B. dem Siliziumrahmen, angeordnet sein oder auch als separates Heizelement auf dem Sensorchip ausgebildet sein. Falls der Sensorchip, wie in der 12a dargestellt ist, als dotierter Widerstand im Silizium integriert ist, können diese dotierten Widerstandsstrukturen vorteilhafterweise im gleichen Prozessschritt wie die Temperaturdiode 35 erzeugt werden.The condensate heater 30 Thus, for example, as an integrated condensate heater in the sensor chip, so z. B. the silicon frame, be arranged or be formed as a separate heating element on the sensor chip. If the sensor chip, as in the 12a is illustrated as doped resistor is integrated in the silicon, these doped resistor structures can advantageously in the same process step as the temperature diode 35 be generated.

In einigen Ausführungsbeispielen weist der Heizwiderstand einen elektrischen Widerstand kleiner 500 Ohm, 100 Ohm oder 50 Ohm auf. Wenn der Heizwiderstand beispielsweise unter 100 Ohm liegt, kann dann bereits mit geringen Betriebsspannungen von beispielsweise 3,3 V bis 6 V eine ausreichende Energiemenge zum schnellen Aufheizen des Sensorchips und damit zum Verdampfen eines Kondensats auf dem Sensorchip zur Verfügung gestellt werden. Damit sind batteriebetriebene Anwendungen möglich.In some embodiments, the heating resistor has an electrical resistance of less than 500 ohms, 100 ohms or 50 ohms. If, for example, the heating resistor is below 100 ohms, sufficient energy can be made available even at low operating voltages of, for example, 3.3 V to 6 V for quickly heating up the sensor chip and thus for evaporating a condensate on the sensor chip. This makes battery powered applications possible.

Der Kondensatheizer 30 kann ausgebildet sein, um den Sensorchip 5 bzw. das eine oder die mehreren thermischen Membransensorelemente 12, 12' über eine Temperatur zu erwärmen, die in einem messtechnisch sicheren Bereich oberhalb der Taupunkttemperatur des zu untersuchenden Fluides liegt, beispielsweise 5 K, 10 K oder 50 K oberhalb der Taupunkttemperatur.The condensate heater 30 may be formed to the sensor chip 5 or the one or more thermal membrane sensor elements 12 . 12 ' to heat above a temperature which is in a metrologically safe range above the dew point of the fluid to be examined, for example 5 K, 10 K or 50 K above the dew point temperature.

Der Kondensatheizer 30 kann gemäß einigen Ausführungsbeispielen eine Heizleistung größer 50 mW, 100 mW oder 500 mW aufweisen. Beispielsweise kann der Kondensatheizer eine Heizleistung zwischen 50 mW und 500 mW, oder zwischen 80 mW und 200 mW aufweisen.The condensate heater 30 may, according to some embodiments, have a heating power greater than 50 mW, 100 mW or 500 mW. For example, the condensate heater may have a heating power between 50 mW and 500 mW, or between 80 mW and 200 mW.

Der Kondensatheizer 30 kann ausgebildet sein, den Sensorchip auf eine Temperatur größer 50°C, 130°C, 150°C, 180°C oder 180°C zu erwärmen. Der Kondensatheizer 30, der ausgebildet ist, um eine Kondensation eines in dem Fluid enthaltenen kondensierbaren Stoffes zu verhindern und/oder ein solches Kondensat von dem Sensorchip zu entfernen bzw. zu verdampfen, weist eine größere bzw. stärkere Heizleistung auf als der Heizer 3, der auf den einen oder den mehreren thermischen Membransensorelementen 12, 12' angeordnet ist und der dazu verwendet wird, um einen Strömungsparameter des Fluides zu bestimmen.The condensate heater 30 can be configured to heat the sensor chip to a temperature greater than 50 ° C, 130 ° C, 150 ° C, 180 ° C or 180 ° C. The condensate heater 30 , which is designed to prevent condensation of a condensable contained in the fluid and / or to remove or evaporate such a condensate from the sensor chip, has a greater or higher heating power than the heater 3 that on the one or more thermal membrane sensor elements 12 . 12 ' which is used to determine a flow parameter of the fluid.

Die Aufgabe des Kondensatheizers, der eine im Vergleich zu den Heizern 3 auf dem thermischen Sensorelement stärkere Heizleistung aufweist, ist es zum einen, eine Kondensatbildung zu verhindern und/oder im Falle einer Kondensatbildung das Kondensat durch Verdampfen, beispielsweise innerhalb von einem Zeitraum von 5 s oder 10 s, zu entfernen. Gemäß einiger Ausführungsbeispiele kann der Heizer 3 eines Sensorelements, zum Beispiel des thermischen Membransensorelements 12 ausgebildet sein, um eine Heizleistung kleiner 50 mW, 10 mW oder 1 mW aufzubringen, und der Kondensatheizer 30 kann ausgebildet sein, eine Heizleistung größer 50 mW, 100 mW oder 500 mW zur Verfügung zu stellen.The task of the condensate heater, the one compared to the heaters 3 on the thermal sensor element has greater heating power, it is firstly to prevent condensation and / or in the case of condensation forming the condensate by evaporation, for example, within a period of 5 s or 10 s to remove. According to some embodiments, the heater 3 a sensor element, for example the thermal membrane sensor element 12 be designed to apply a heating power less than 50 mW, 10 mW or 1 mW, and the condensate heater 30 can be designed to provide a heating capacity greater than 50 mW, 100 mW or 500 mW.

Der Kondensatheizer 30 kann in einigen Ausführungsbeispielen eine fünffach-, zehnfach- oder fünfzigfach höhere maximale Heizleistung aufweisen als ein Heizer 3, 3' eines auf dem Sensorchip angebrachten Sensorelements 12, 12', wobei dieser Heizer ausgebildet sein kann, um einen Strömungsparameter des Fluides zu bestimmen oder diese Bestimmung zu ermöglichen. Der Kondensatheizer kann bezüglich seiner Heizleistung so dimensioniert sein, dass er den Sensorchip oberhalb einer Kondensationstemperatur des in dem Fluid enthaltenen Stoffes erwärmen kann und/oder anderseits um ein schnelles Verdampfen eines auf dem Sensorchip bzw. dem Sensorelement des Sensorchips befindlichen Kondensats zu ermöglichen.The condensate heater 30 may in some embodiments have a fivefold, tenfold or fifty times higher maximum heating power than a heater 3 . 3 ' a mounted on the sensor chip sensor element 12 . 12 ' This heater may be configured to determine or facilitate a flow parameter of the fluid. The condensate heater can be dimensioned with respect to its heating power so that it can heat the sensor chip above a condensation temperature of the substance contained in the fluid and / or on the other hand to allow rapid evaporation of a located on the sensor chip or the sensor element of the sensor chip condensate.

Das Erwärmen eines Sensorchips 5 mittels eines auf dem Sensorchip angeordneten Kondensatheizers 30 über eine Kondensationstemperatur eines in dem Gas enthaltenen kondensierbaren Stoffes, um eine Kondensatbildung des Stoffes auf dem Sensorchip zu verhindern, kann so durchgeführt werden, dass der Sensorchip auf eine Temperatur zwischen 1 K und 50 K oder zwischen 5 K und 30 K über der Kondensationstemperatur des in dem Gas enthaltenen kondensierbaren Stoffes erwärmt wird.Heating a sensor chip 5 by means of a condensate heater arranged on the sensor chip 30 via a condensation temperature of a condensable substance contained in the gas to prevent condensation of the substance on the sensor chip, can be carried out so that the sensor chip to a temperature between 1 K and 50 K or between 5 K and 30 K above the condensation temperature of is heated in the condensable substance contained gas.

In Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann also ein Verfahren zur Bestimmung eines Strömungsparameters eines Gases so durchgeführt werden, dass vor/während oder nach dem Schritt des Bestimmens des Strömungsparameters des Gases mittels eines auf dem Sensorchip angeordneten Sensorelements, z. B. dem thermischen Membransensorelement, ein Erwärmen des Sensorchips mittels eines auf dem Sensorchip angeordneten Kondensatheizers 30 über eine Kondensationstemperatur eines in dem Gas enthaltenen kondensierbaren Stoffes durchgeführt wird, um so eine Kondensatbildung des Stoffes auf dem Sensorchip zu verhindern.In embodiments of the present invention, therefore, a method for determining a flow parameter of a gas can be carried out so that before / during or after the step of determining the flow parameter of the gas by means of a sensor element arranged on the sensor chip, for. B. the thermal membrane sensor element, a heating of the sensor chip by means of a arranged on the sensor chip condensate heater 30 is performed via a condensation temperature of a condensable substance contained in the gas, so as to prevent condensation of the substance on the sensor chip.

Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung kann das Verfahren zur Bestimmung eines Strömungsparameters eines Fluides, z. B. eines Gases, so durchgeführt werden, dass ein Strömungsparameter des Gases mittels eines thermischen Sensorelements 12, welches einen Heizer 3 aufweist, bestimmt wird und zeitlich davor, während dieser Bestimmung oder danach, ein Erwärmen des Sensorchips mittels eines auf dem Sensorchip angeordneten Kondensatheizers 30 über eine Kondensationstemperatur eines in dem Gas enthaltenen kondensierbaren Stoffes erfolgt, um so eine Kondensatbildung des Stoffes auf dem Sensorchip zu verhindern. Gemäß weiterer Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann bei einer bereits erfolgten Kondensation des in dem Fluid enthaltenen kondensierbaren Stoffes ein Schritt des Entfernens des Kondensats von dem Sensorchip durch Erwärmen des Sensorchips über eine Kondensationstemperatur des Stoffes mittels eines auf dem Sensorchip angeordneten Kondensatheizers erfolgen.According to further embodiments of the present invention, the method for determining a flow parameter of a fluid, e.g. As a gas, are performed so that a flow parameter of the gas by means of a thermal sensor element 12 which is a heater 3 , is determined, and before, during this determination or thereafter, a heating of the sensor chip by means of a arranged on the sensor chip condensate heater 30 via a condensation temperature of a condensable substance contained in the gas, so as to prevent condensation of the substance on the sensor chip. According to further embodiments of the method according to the invention, a condensation of the condensate from the sensor chip by heating the sensor chip via a condensation temperature of the substance by means of a condensate heater disposed on the sensor chip can take place in an already completed condensation of the condensable substance contained in the fluid.

Das Strömungsmesssystem bzw. der Strömungssensor kann auch eine Ansteuer-/Regeleinrichtung 40 (13) aufweisen, bei der unabhängig von einer Ansteuerung eines Sensorelements zur Bestimmung eines Strömungsparameters des Fluides, der Kondensatheizer 30 unabhängig davon angesteuert bzw. aufgeheizt werden kann.The flow measuring system or the flow sensor can also be a drive / control device 40 ( 13 ), in which regardless of a control of a sensor element for determining a flow parameter of the fluid, the condensate heater 30 can be independently controlled or heated.

Ist ein Sensorchip beispielsweise länglich ausgebildet und das Sensorelement auf dem Sensorchip so angeordnet, dass ein möglichst großer Abstand zur mechanischen Verankerung an einem Messkopf des Strömungssensors besteht, wird zum einen die Strömungsmessung des Fluides möglichst wenig durch die Verbindung zum Rumpf bzw. Messkopf des Sensorfingergehäuses beeinflusst und gleichzeitig kann erreicht werden, dass bei eingeschalteter Kondensatheizung 30 der aktive sensorische Bereich effektiv beheizt werden kann.If, for example, a sensor chip is designed to be elongate and the sensor element is arranged on the sensor chip such that there is as great a distance as possible from mechanical anchoring to a measuring head of the flow sensor, the flow measurement of the fluid is influenced as little as possible by the connection to the fuselage or measuring head of the sensor finger housing and at the same time it can be achieved that when the condensate heating is switched on 30 the active sensory area can be effectively heated.

Die Kondensatheizung 30 ist besonders vorteilhaft wenn sie, wie in einigen Ausführungsbeispielen, in einen Sensorchip aus Silizium integriert ist, da Silizium eine hohe Wärmeleifähigkeit besitzt und dadurch eine sehr homogene Temperaturverteilung erzielt werden kann. Eine Ausführung als dotierte Widerstände im Silizium unterstützt diesen Effekt besonders gut. Denkbar ist jedoch auch ein Kondensatheizer 30, der als Dünnschichtwiderstand beispielsweise aus Poly-Silizium oder Platin, wie auf Glas- oder Keramiksubstraten bei üblichem Heißfilm-Anemometern benutzt wird. Durch die geringe thermische Masse des freistehenden Sensorchips ist eine notwendige Übertemperatur oberhalb einer Kondensationstemperatur eines in dem Fluid enthaltenen kondensierbaren Stoffes mit relativ geringem Energieaufwand erreichbar, bzw. mit weniger Energieaufwand als bei üblichen Heißfilmanemometern, so dass sich diese Messvorrichtung auch gut für einen Batteriebetrieb eignet. Beispielsweise kann ein 1 μl Wassertropfen mit einer Heizleistung von 350 mW in 10 Sekunden verdampft werden.The condensate heater 30 is particularly advantageous if, as in some embodiments, it is integrated into a sensor chip of silicon, since silicon has a high thermal conductivity and thus a very homogeneous temperature distribution can be achieved. A version as doped resistors in silicon supports this effect particularly well. However, it is also conceivable a condensate heater 30 used as a thin film resistor of, for example, poly-silicon or platinum, such as on glass or ceramic substrates in conventional hot-film anemometers. Due to the low thermal mass of the freestanding sensor chip, a necessary excess temperature above a condensation temperature of a condensable substance contained in the fluid can be achieved with relatively little energy expenditure, or with less energy than in conventional Heißfilmanemometern, so that this measuring device is also well suited for battery operation. For example, a 1 μl water droplet with a heat output of 350 mW can be evaporated in 10 seconds.

In 12b ist in einer schematischen Querschnittsdarstellung eines Sensorchips 5, wie er im Zusammenhang mit der 9C beschrieben wurde, mit einem Verschluss 35 der rückseitigen Ätzgrube 28 unterhalb der Sensormembran 9 dargestellt. Auf einer Rückseite 5b des Sensorchips, die den auf der Vorderseite 5a ausgebildeten thermischen Membransensorelementen gegenüberliegt, beispielsweise eine Glasplatte 35 angeordnet sein, die die oben erwähnte rückseitige Ätzgrube, Kammer oder Aussparung 28, verschließt. Das heisst, der rückseitige Raum unter der Membran 9 wird von der Wafer-Rückseite her versiegelt. Der Verschluss 35 der rückseitigen Ätzgrube unter der Sensormembran kann beispielsweise durch einen auf Waferlevel gebondeten Glaswafer zum Schutz der Messmembran 9 vor rückseitiger Feuchteanlagerung und um Wirbelbildung im LEE-Gebiet des Sensors zu vermeiden, gebildet werden. Ferner wird als Nebeneffekt die mechanische Stabilität des mit den Ätzgruben 28 perforierten Sensorchips 5 durch den Glasdeckel 35 erhöht.In 12b is a schematic cross-sectional view of a sensor chip 5 as he related to the 9C described with a closure 35 the back etching pit 28 below the sensor membrane 9 shown. On a back 5b of the sensor chip, the one on the front 5a opposed thermal membrane sensor elements, for example, a glass plate 35 be arranged, which is the above-mentioned back etching pit, chamber or recess 28 , closes. That is, the back space under the membrane 9 is sealed from the back of the wafer. The closure 35 the backside etch pit below the sensor membrane may be protected by, for example, a glass wafer bonded to wafer level to protect the measurement membrane 9 before backside moisture buildup and to avoid vortex formation in the LEE area of the sensor. Furthermore, as a side effect, the mechanical stability of the etching with the pits 28 perforated sensor chips 5 through the glass lid 35 elevated.

In anderen Ausführungsbeispielen kann der Glaswafer 35 durch andere Materialien, die sich zur Versiegelung 35 der Aussparung 28 eignen, verwendet werden. Eine Rückseite 9a des auf dem Sensorchip angeordneten thermischen Membransensorelements 12, die einer Vorderseite des Sensorchips, die das Heizelement 3 aufweist, gegenüberliegt, kann so versiegelt sein, dass eine Anlagerung eines Kondensates an der direkten Rückseite 9a des thermischen Membransensorelements 12 verhindert wird.In other embodiments, the glass wafer 35 through other materials that are used for sealing 35 the recess 28 suitable to be used. A backside 9a the arranged on the sensor chip thermal membrane sensor element 12 , which is a front of the sensor chip, which is the heating element 3 opposite, may be sealed so that an attachment of a condensate on the direct back 9a the thermal membrane sensor element 12 is prevented.

In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Membrankaverne bzw. die Kammer 28, welche eine Rückseite 9a der Membran 9, der Versiegelung 35 und den Seitenwänden 20a, 20b der Ätzgrube gebildet wird einen leichten Unterdruck aufweist. Der Einschluss von leichtem Unterdruck in der Membrankaverne 28 kann dazu dienen, um eine Membrandurchwölbung im Arbeitsbereich des Sensors unter Umgebungsdruck immer in Richtung der Grube gewölbt zu halten. Der Unterdruck in der Membrankaverne bzw. der versiegelten Ätzgrube 28 kann beispielsweise kleiner oder weniger 800 mbar, 500 mbar oder 300 mbar betragen. Das heißt, in der Kammer 28 kann ein Unterdruck von weniger 800 mbar, 500 mbar oder 300 mbar herrschen. Durch den Einschluss des Unterdruckes kann zudem die Sensorempfindlichkeit erhöht werden, da die thermische Masse des Gasvolumens auf der Membranrückseite geringer ist und somit sich auch das nicht zum Messeffekt beitragende parasitäre Signal verringert.In further embodiments, the membrane cavern or the chamber 28 which a back 9a the membrane 9 , the seal 35 and the side walls 20a . 20b the etching pit is formed has a slight negative pressure. The inclusion of slight negative pressure in the membrane cavern 28 can be used to keep a membrane bulge in the working area of the sensor under ambient pressure always arched towards the pit. The negative pressure in the membrane cavern or the sealed etching pit 28 For example, it may be less than or equal to 800 mbar, 500 mbar or 300 mbar. That is, in the chamber 28 There may be a negative pressure of less than 800 mbar, 500 mbar or 300 mbar. By including the negative pressure, the sensor sensitivity can also be increased since the thermal mass of the gas volume on the back of the diaphragm is lower and thus also the parasitic signal which does not contribute to the measuring effect is reduced.

In 13 ist die schematische Darstellung eines Strömungsmesssystems 99 zur Bestimmung eines Strömungsparameters eines Fluides gemäß einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das Strömungsmesssystem 99 weist einen Strömungssensor 10 mit einem Sensorchip 5 auf, wobei der Sensorchip 5 ein erstes thermisches Membransensorelement 12 aufweist, das ausgebildet ist, um den Strömungsparameter des Fluides in einem ersten Messbereich zu bestimmen oder um eine Fluidtemperatur zu bestimmen. Das erste thermische Membransensorelement 12 weist ferner zwei zueinander beabstandete Thermoelementübergänge 8a, 8b auf und ein zwischen den Thermoelementübergängen 8a, 8b angeordnetes Heizelement 3. Der Sensorchip 5 ist ausgebildet, um beim Betrieb des Strömungsmesssystems 99 mit dem Strömungsmesser 10 als freistehender Sensorfinger von einem zu untersuchenden Fluid umströmt zu werden. Der Sensorchip 5 weist ferner ein zweites thermisches Membransensorelement 12' auf, das ausgebildet ist, um den Strömungsparameter des Fluides in einem zweiten Messbereich zu bestimmen oder um eine Fluidtemperatur des Fluides zu bestimmen. Das zweite thermische Membransensorelement 12' weist wiederum zwei beabstandete Thermoelementübergänge 8a' und 8b' auf und ein zwischen den Thermoelementübergängen angeordnetes Heizelement 3'. Ein Abstand D1 der zwei Thermoelementübergänge 8a, 8b des ersten thermischen Membransensorelements 12 zu dem dazwischen angeordneten Heizelement 3a ist unterschiedlich zu einem Abstand D2 der zwei Thermoelementübergänge 8a' und 8b' des zweiten thermischen Membransensorelements 12' von dem dazwischen angeordneten Heizelement 3'.In 13 is the schematic representation of a flow measuring system 99 for determining a flow parameter of a fluid according to some embodiments of the present invention. The flow measuring system 99 has a flow sensor 10 with a sensor chip 5 on, with the sensor chip 5 a first thermal membrane sensor element 12 which is configured to determine the flow parameter of the fluid in a first measuring range or to determine a fluid temperature. The first thermal membrane sensor element 12 also has two spaced-apart thermocouple junctions 8a . 8b on and on between the thermocouple junctions 8a . 8b arranged heating element 3 , The sensor chip 5 is designed to operate during flow measurement 99 with the flowmeter 10 to be flowed around as a freestanding sensor fingers of a fluid to be examined. The sensor chip 5 further comprises a second thermal membrane sensor element 12 ' configured to determine the flow parameter of the fluid in a second measurement range or to determine a fluid temperature of the fluid. The second thermal membrane sensor element 12 ' again has two spaced thermocouple junctions 8a ' and 8b ' and a heating element disposed between the thermocouple junctions 3 ' , A distance D1 of the two thermocouple junctions 8a . 8b the first thermal membrane sensor element 12 to the heating element arranged therebetween 3a is different from a distance D2 of the two thermocouple junctions 8a ' and 8b ' the second thermal membrane sensor element 12 ' from the heating element interposed therebetween 3 ' ,

Das Strömungsmesssystem 99 kann ferner eine Ansteuereinrichtung 40 für den Sensorchip 5 aufweisen, wobei die Ansteuereinrichtung 40 die thermischen Membransensorelemente 12, 12' so ansteuern kann, dass in einem ersten Zustand das erste thermische Membransensorelement 12 den Strömungsparameter in dem ersten Messbereich bestimmt und das zweite thermische Membransensorelement 12' die Fluidtemperatur bestimmt. In einem zweiten Zustand bestimmt das erste thermische Membransensorelement 12 die Fluidtemperatur und das zweite thermische Membransensorelement 12' den Strömungsparameter in einem zweiten Messbereich.The flow measuring system 99 can also have a drive device 40 for the sensor chip 5 have, wherein the drive means 40 the thermal membrane sensor elements 12 . 12 ' so that, in a first state, the first thermal membrane sensor element 12 determines the flow parameter in the first measuring range and the second thermal membrane sensor element 12 ' the fluid temperature is determined. In a second state, the first thermal membrane sensor element determines 12 the fluid temperature and the second thermal membrane sensor element 12 ' the flow parameter in a second measuring range.

Zusätzlich kann der Sensorchip 5, wie oben beschrieben, einen Kondensatheizer 30 sowie einen Temperatursensor 35, z. B. eine Diode, aufweisen. Diese können ebenfalls von der Ansteuereinrichtung bzw. Regeleinrichtung 40 so angesteuert werden, dass eine absolute Fluidtemperatur bestimmbar ist und/oder dass der Sensorchip, wie oben beschrieben, über eine Kondensationstemperatur eines in dem Fluid enthaltenen kondensierbaren Stoffes hält oder falls eine solche Kondensation bereits eingetreten ist, das entsprechende Kondensat durch Erwärmen des Sensorchips verdampft bzw. entfernt.In addition, the sensor chip 5 as described above, a condensate heater 30 and a temperature sensor 35 , z. As a diode, have. These can also be from the control device or control device 40 be controlled so that an absolute fluid temperature can be determined and / or that the sensor chip, as described above, holds about a condensation temperature of a condensable substance contained in the fluid or if such condensation has already occurred, evaporates the corresponding condensate by heating the sensor chip or . away.

In der Ansteuer/Regeleinrichtung 40 oder auch als eine separate Einrichtung kann ferner eine Auswerteeinrichtung ausgebildet sein, die basierend auf dem von dem Sensorchip und beispielsweise einem externen Druckmesssensor 45 ermittelten Druckwert mit Hilfe der realen Gasgleichung einen Massendurchfluss bzw. Volumendurchfluss bestimmen kann.In the drive / control device 40 or as a separate device may further be formed an evaluation, based on the of the sensor chip and, for example, an external pressure measuring sensor 45 determined pressure value using the real gas equation can determine a mass flow or volume flow.

In Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann das Fluid ein Wasserdampf aufweisendes Gas sein und die Kondensationstemperatur kann dementsprechend der Taupunktstemperatur von Wasser entsprechen. In einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann der Sensorchip ein Sensorelement, z. B. ein thermisches Membransensorelement aufweisen und außerdem zumindest ein weiteres Sensorelement oder Membransensorelement, das ausgebildet ist, um lediglich eine Fluidtemperatur zu bestimmen. Dieses weitere Sensorelement kann beispielsweise keinen Strömungsparameter in einem zweiten Messbereich bestimmen, aber dafür einen Temperatursensor oder einen Thermoelementübergang aufweisen zur Bestimmung einer Fluidtemperatur. Das heißt, in einigen Ausführungsbeispielen kann das zweite Sensorelement auf dem Sensorchip lediglich zur Bestimmung einer Fluidtemperatur, z. B. einer relativen Fluidtemperatur oder aber auch einer absoluten Fluidtemperatur verwendet werden. In embodiments of the present invention, the fluid may be a water vapor-bearing gas, and the condensation temperature may accordingly correspond to the dew point temperature of water. In some embodiments of the present invention, the sensor chip may include a sensor element, e.g. B. comprise a thermal membrane sensor element and also at least one further sensor element or membrane sensor element which is designed to determine only a fluid temperature. This further sensor element, for example, can not determine a flow parameter in a second measuring range, but instead have a temperature sensor or a thermocouple junction for determining a fluid temperature. That is, in some embodiments, the second sensor element on the sensor chip only for determining a fluid temperature, for. B. a relative fluid temperature or even an absolute fluid temperature can be used.

Die Ansteuereinrichtung 40 kann beispielsweise ausgebildet sein, den Sensorchip eines Strömungssensors, so anzusteuern, dass ein thermisches Membransensorelement 12 in einem ersten Zustand den Strömungsparameter in dem Messbereich des thermischen Membransensorelements 12 bestimmt und dass in einem zweiten Zustand das thermische Membransensorelement 12 die Fluidtemperatur des den Sensor umströmenden Fluides bestimmt. In dieser Ausführungsform kann also die Messung von Fluidtemperatur und Bestimmung des Strömungsparameters zeitlich sequenziell hintereinander von einem einzelnen thermischen Membransensorelement erfolgen. Der Sensorchip ist wie oben bereits beschrieben, im Betrieb als freistehender Nacktchip von dem zu untersuchenden Fluid umströmt.The drive device 40 For example, it may be configured to drive the sensor chip of a flow sensor in such a way that a thermal membrane sensor element 12 in a first state the flow parameter in the measuring range of the thermal membrane sensor element 12 determined and that in a second state, the thermal membrane sensor element 12 determines the fluid temperature of the fluid flowing around the sensor. In this embodiment, therefore, the measurement of fluid temperature and determination of the flow parameter can take place chronologically in succession from a single thermal membrane sensor element. As already described above, the sensor chip flows around the fluid to be examined during operation as a freestanding nude chip.

Der Sensorchip 5 des Strömungssensors kann ferner so betrieben werden, dass eine Kondensatbildung eines aus dem Fluid kondensierbaren Stoffes auf dem Sensorchip detektiert wird. Dies kann beispielsweise auch während des Schrittes des Bestimmens eines Strömungsparameters mit Hilfe des thermischen Membransensorelements durch Anlegen eines zeitlich veränderbaren elektrischen Signals an den Heizer 3 und anschließendem Vergleichen des durch die Temperatursensoren 8, 8' gemessenen Antwortsignals mit einem zu erwartenden gemessenen Antwortsignal ohne Kondensatbildung auf dem thermischen Membransensorelement 12 erfolgen.The sensor chip 5 The flow sensor can furthermore be operated in such a way that condensate formation of a material which can be condensed from the fluid is detected on the sensor chip. This may, for example, also during the step of determining a flow parameter by means of the thermal membrane sensor element by applying a time-variable electrical signal to the heater 3 and then comparing that by the temperature sensors 8th . 8th' measured response signal with an expected measured response signal without condensation on the thermal membrane sensor element 12 respectively.

Das heißt, der Strömungssensor 10 mit dem Sensorchip 5 kann gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung auch zur Detektion von Feuchte auf den Sensorchip verwendet werden. Dies kann beispielsweise durch das Anlegen eines zeitlich veränderbaren elektrischen Signals an den Heizer 3 durch die Ansteuereinrichtung 40 erfolgen. Bei den zeitlich veränderbaren elektrischen Signalen kann es sich beispielsweise um Rechteck- oder Sinussignale handeln. Zur Detektion von kritischer Feuchte kann auch während der Strömungsmessung der Heizer 3 hin und wieder mit einem sich zeitlich veränderten Signal, wie z. B. einem Rechteck- oder Sinussignal so moduliert werden, um über die Verformung eines Antwortsignals an den Thermopiles 7, 7' die Gegenwart eines Kondensators wie z. B. Wasser oder Verunreinigungen zu detektieren.That is, the flow sensor 10 with the sensor chip 5 may also be used to detect moisture on the sensor chip according to embodiments of the present invention. This can be achieved, for example, by applying a time-variable electrical signal to the heater 3 through the drive device 40 respectively. The time-variable electrical signals can be, for example, rectangular or sinewave signals. For the detection of critical humidity, the heater can also be used during the flow measurement 3 every now and then with a time-varying signal, such. B. a rectangular or sinusoidal signal to be modulated to the deformation of a response signal to the thermopiles 7 . 7 ' the presence of a capacitor such as. B. to detect water or impurities.

Eine Ansteuerung des Kondensatheizers 30 durch die Ansteuereinrichtung 40 kann beispielsweise so durchgeführt werden, dass ein auf der Messmembran befindlicher Wassertropfen das Thermopilesignal in unzulässiger Weise einbrechen lässt und deshalb der Kondensatheizer 30 mit voller Leistung betrieben wird, um den Wassertropfen bzw. das Kondensat schnell zu entfernen und über die Thermopiles 7, 7' bzw. über die Thermolemente 8, 8' der beiden Membranen zu detektieren, ob der Tropfen verdampft ist. Das Gerät kann während des Vorgangs des Bestimmens eines Strömungsparameters durch Anlegen eines zeitlich veränderbaren elektrischen Signals an den Heizer und Vergleichen des Antwortsignals mit einem erwartenden Antwortsignal eine Kondensatbildung detektieren.A control of the condensate heater 30 through the drive device 40 can for example be carried out so that a water droplet located on the measuring membrane can break the thermopile signal in an inadmissible manner and therefore the condensate heater 30 is operated at full power to quickly remove the water droplet or condensate and the thermopiles 7 . 7 ' or over the thermo-elements 8th . 8th' the two membranes to detect whether the droplet has evaporated. The apparatus may detect condensate formation during the process of determining a flow parameter by applying a time-varying electrical signal to the heater and comparing the response signal to an expected response signal.

14a zeigt ein schematisches Blockschaltbild zum Verfahren zur Bestimmung eines Strömungsparameters eines Gases gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Demnach kann das Verfahren einen Schritt des Bestimmens 100 eines Strömungsparameters eines Gases mittels eines auf dem Sensorchip angeordneten Sensorelements aufweisen und ferner, vor, während oder nach dem Bestimmen 100 eines Strömungsparameters eines Gases mittels eines Sensorelements einen Schritt des Erwärmens 110 des Sensorchips mittels eines Kondensatheizers 30 über eine Kondensationstemperatur eines in dem Gas enthaltenen kondensierbaren Stoffes. Dadurch kann eine Kondensatbildung des Stoffes auf dem Sensorchip verhindert oder unterdrückt werden. 14a shows a schematic block diagram of the method for determining a flow parameter of a gas according to an embodiment of the present invention. Thus, the method may include a step of determining 100 a flow parameter of a gas by means of a sensor chip arranged on the sensor element and further, before, during or after the determination 100 a flow parameter of a gas by means of a sensor element, a step of heating 110 of the sensor chip by means of a condensate heater 30 via a condensation temperature of a condensable substance contained in the gas. As a result, condensation of the substance on the sensor chip can be prevented or suppressed.

In 14b ist das schematische Blockschaltbild des Verfahrens zur Bestimmung eines Strömungsparameters eines Gases gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das Verfahren weist einen Schritt des Bestimmens 120 eines Strömungsparameters eines Gases mittels eines thermischen Sensorelements mit einem eigenen Heizer 3 auf. Ferner weist das Verfahren vor, während oder nach dem Schritt des Bestimmens 120 einen Schritt des Erwärmens 130 des Sensorchips mittels eines Kondensatheizers über eine Kondensationstemperatur eines in dem Gas enthaltenen Stoffes, um eine Kondensatbildung des Stoffes auf dem Sensorchip zu verhindern, auf oder alternativ, falls bereits ein Kondensat oder ein Aerosol auf den Sensorchip detektiert wird, einen Schritt des Entfernens 140 des Kondensates eines in dem Gas enthaltenen kondensierbaren Stoffes durch Erwärmung des Sensorchips über die Kondensationstemperatur des Stoffes. Handelt es sich bei dem in dem Gas enthaltenen kondensierbaren Stoff z. B. um Wasserdampf bzw. Wasser, so findet also eine Erwärmung über die entsprechende Taupunkttemperatur von Wasser statt.In 14b the schematic block diagram of the method for determining a flow parameter of a gas according to another embodiment of the present invention is shown. The method has a step of determining 120 a flow parameter of a gas by means of a thermal sensor element with its own heater 3 on. Furthermore, the method before, during or after the step of determining 120 a step of heating 130 of the sensor chip by means of a condensate heater via a condensation temperature of a substance contained in the gas to a condensation of the Substance on the sensor chip to prevent, or alternatively, if already a condensate or an aerosol is detected on the sensor chip, a step of removing 140 the condensate of a condensable substance contained in the gas by heating the sensor chip on the condensation temperature of the substance. If the condensable substance contained in the gas z. As to water vapor or water, so there is a warming over the corresponding dew point of water instead.

Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung kann das Verfahren ferner einen Schritt des Detektierens einer Feuchte aufweisen. Dazu kann beispielsweise während der Strömungsmessung bzw. während der Bestimmung des Strömungsparameters des Gases der Heizer 3 des Sensorelementes hin und wieder mit einem sich zeitlich verändernden elektrischen Signal, wie z. B. einem Rechteck oder Sinussignal, moduliert werden, um so über die Verformung des Antwortsignals an einem Thermoelement bzw. Temperatursensor die Gegenwart eines Kondensators, z. B. Wasser oder Verunreinigungen zu detektieren. Lässt also ein auf das Sensorelement 12 gelandeter Wassertropfen das Antwortsignal eines Thermoelementes, welches auf dem Sensorelement angeordnet ist, einbrechen, so wird eine Heizleistung des Kondensatheizers stark erhöht und über das Ausgabesignal eines Thermoelements, welches sich auf dem Sensorelement befinden kann, detektiert, ob das Kondensat bzw. der Tropfen verdampft ist. Das Gerät kann in dieser Zeit nach außen die Zustandsmeldung über nicht korrekt ermittelte Strömungsparameterwerte an einen Benutzer ausgeben.According to further embodiments of the present invention, the method may further comprise a step of detecting a humidity. For this purpose, for example, during the flow measurement or during the determination of the flow parameter of the gas, the heater 3 the sensor element now and then with a time-varying electrical signal, such. B. a square wave or sinusoidal signal to be modulated so as to the deformation of the response signal to a thermocouple or temperature sensor, the presence of a capacitor, for. B. to detect water or impurities. So lets one on the sensor element 12 landed water droplet break the response signal of a thermocouple, which is arranged on the sensor element, a heating power of the condensate heater is greatly increased and detected via the output signal of a thermocouple, which may be located on the sensor element, whether the condensate or the droplet is evaporated , During this time, the device can output to the outside the status message about incorrectly determined flow parameter values to a user.

In Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann ein Strömungssensor einen Sensorchip 5 aufweisen, wobei der zur Strömungsmessung benötigte Teil des Sensorchips 5 im direkten Kontakt zum Medium bzw. Fluid ist. Insbesondere ist bei einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung in der Nähe der Sensormembran kein Gehäuseteil oder eine sonstige Vorrichtung vorhanden, die eine Anlagerung eines Kondensators, wie z. B. von Wassertröpfchen, z. B. aufgrund von Kapillarkräften, begünstigt. Das heißt, man kann diese Anordnung als freistehenden Nacktchip in einem Fluidmesskanal bezeichnen. In einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann neben der thermischen Sensormembran zur Strömungsmessung der Sensorchip eine oder mehrere weitere Membranen besitzen, die zur dynamischen Temperaturmessung beispielsweise eines Atemgases in der Medizintechnik und zur Detektion von Feuchte verwendet werden.In embodiments of the present invention, a flow sensor may include a sensor chip 5 have, wherein the required flow measurement part of the sensor chip 5 is in direct contact with the medium or fluid. In particular, in some embodiments of the present invention in the vicinity of the sensor membrane, no housing part or other device is present, the attachment of a capacitor such. B. of water droplets, z. B. due to capillary forces favored. That is, one can call this arrangement a freestanding nude chip in a fluid measurement channel. In some embodiments of the present invention, in addition to the thermal sensor membrane for flow measurement, the sensor chip may have one or more other membranes used for dynamic temperature measurement of, for example, a breathing gas in medical technology and for detection of moisture.

Gemäß einiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung kann der Sensorchip auch einen Kondensatheizer aufweisen bzw. kann dieser in dem Sensorchip integriert sein. Mit Hilfe des Kondensatheizers kann die notwendige Wärmemenge eingetragen werden, um ein auf dem Sensorchip vorhandenes Kondensat, wie z. B. Wasser, kurzzeitig zu verdampfen oder den gesamten Sensorchip auf eine Temperatur oberhalb einer Kondensationstemperatur, z. B. für Wasser oberhalb einer Taupunkttemperatur, zu erwärmen.According to some embodiments of the present invention, the sensor chip can also have a condensate heater or it can be integrated in the sensor chip. With the help of the condensate heater, the necessary amount of heat can be entered to a present on the sensor chip condensate such. As water, for a short time to evaporate or the entire sensor chip to a temperature above a condensation temperature, for. As for water above a dew point temperature to heat.

In einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann ferner eine zur Temperaturmessung benutzte, im Silizium strukturierte Diode ausgebildet sein, die zusammen mit einer dynamischen Temperaturmessung, die mittels eines weiteren thermischen Membransensorelements durchgeführt wird, die Bestimmung einer Fluidtemperatur, also z. B. eine Gastemperatur ermöglicht.In some embodiments of the present invention may also be used for temperature measurement, silicon-structured diode which, together with a dynamic temperature measurement, which is carried out by means of another thermal membrane sensor element, the determination of a fluid temperature, ie, for. B. allows a gas temperature.

Aus dem Massestrom, der Gastemperatur und dem Gasdruck, welcher beispielsweise über einen externen Drucksensor 45 bestimmt werden kann, kann aufgrund der zeitlich genauen Messung über die Realgasgleichung ein Volumenstrom berechnet werden.From the mass flow, the gas temperature and the gas pressure, which for example via an external pressure sensor 45 can be determined, a volume flow can be calculated due to the timely accurate measurement on the real gas equation.

Gemäß einiger Ausführungsbeispiele kann sich das erfindungsgemäße Verfahren bezüglich der Strömungsmessung am bekannten kalorimetrischen Messprinzip, mit dem ein Massestrom bestimmt werden kann, orientieren. Im einfachsten Fall kann dabei die Heizstruktur 3 auf das Sensormembran 9 mit konstanter Spannung oder mit konstanter Leistung betrieben werden. Ausgewertet wird die sich durch die Strömung leicht verschobene Temperaturverteilung über der Membran, die mit den Thermopiles 7, 7' vor und nach dem Heizer 3 gemessen wird. Die Thermopiles 7, 7' liefern dabei eine Differenzspannung, die proportional zur Temperaturdifferenz zwischen Sensormembran und Siliziumrahmen ist.According to some embodiments, the method according to the invention with respect to the flow measurement on the known calorimetric measurement principle, with which a mass flow can be determined, orientate. In the simplest case, the heating structure can be used 3 on the sensor membrane 9 be operated with constant voltage or with constant power. The temperature distribution over the membrane, which is slightly shifted by the flow, is evaluated with the thermopiles 7 . 7 ' before and after the heater 3 is measured. The thermopiles 7 . 7 ' provide a differential voltage that is proportional to the temperature difference between the sensor membrane and silicon frame.

Die resultierende Kennlinie, also die Differenz beider Thermopilespannung in Abhängigkeit des Massestroms ist nichtlinear und besitzt die höchste Empfindlichkeit bei geringer Strömung. Die Zuordnung eines Massenstromwertes zu einer bestimmten Thermopilespannung erfolgt üblicherweise durch Kalibrieren. Der Vorteil der Differenzmessung (Differenz zwischen Thermopilesignal vor und nach der Heizstruktur) besteht nun ähnlich wie bei einer Brückenschaltung darin, dass die Messgröße vom Offset befreit und bei korrektem Nullabgleich durch Vorzeichenwechsel auch eine Strömungsrichtung des Fluides angezeigt werden kann. Differenzschaltungen sind robust gegenüber Störsignalen, da parasitäre Effekte in der Regel beide Thermopiles gleich beeinflusst (Gleichtaktunterdrückung).The resulting characteristic, ie the difference between the two thermopile voltage as a function of the mass flow is non-linear and has the highest sensitivity at low flow. The assignment of a mass flow value to a specific thermopile voltage is usually done by calibration. The advantage of the difference measurement (difference between thermopile signal before and after the heating structure) is now similar to a bridge circuit in that the measured variable freed from offset and at correct zero balance by sign change and a flow direction of the fluid can be displayed. Differential circuits are robust to interference signals, since parasitic effects usually affect both thermopiles equally (common-mode rejection).

In Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann die Ermittlung der absoluten Gastemperatur bzw. Fluidtemperatur durch Addition der mit dem Temperatursensor, wie z. B. der Temperaturdiode 35 gemessenen Absoluttemperatur des Sensorchips 5 bzw. Siliziumrahmens und der dynamischen Temperaturdifferenz zwischen dem zweiten nicht beheizten thermischen Membransensorelement und dem Siliziumrahmen erfolgen.In embodiments of the present invention, the determination of the absolute gas temperature or fluid temperature by adding the with the temperature sensor, such. B. the temperature diode 35 measured absolute temperature of the sensor chip 5 or silicon frame and the dynamic temperature difference between the second unheated thermal membrane sensor element and the silicon frame.

Die Temperaturspannungskennlinien der Diode und der Thermopiles sollten dazu bekannt sein. Aus vom Membransensor bzw. dem thermischen Membransensorelement ermitteltem Massestrom wird unter Verwendung der Realgasgleichung das korrekte Gasvolumen bzw. der Volumenstrom ermittelt. In diese Rechnung fließt neben der Gastemperatur auch der Gasdruck ein, der aus einem zusätzlichen barometrischen und gegebenenfalls einem Differenzdrucksensor 45 gewonnen wird. Dieser kann auf dem Sensorchip integriert werden oder es kann sich um einen externen Druckmesser handeln.The temperature-voltage characteristics of the diode and thermopiles should be known. From the mass flow determined by the membrane sensor or the thermal membrane sensor element, the correct gas volume or the volume flow is determined using the real gas equation. In addition to the gas temperature, the gas pressure, which consists of an additional barometric and possibly a differential pressure sensor, also flows into this calculation 45 is won. This can be integrated on the sensor chip or it can be an external pressure gauge.

Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung weist der Sensorchip 5 den Kondensatheizer 30 auf, mit dem der Sensorchip 5 im einfachsten Fall auf einer Konstanten oberhalb einer Kondensationstemperatur eines in dem Fluid enthaltenen kondensierbaren Stoffes gehalten wird, die in allen Betriebsfallen sicher über den Kondensationspunkt bzw. im Fall von im Gas enthaltenen Wasserdampf über dem Taupunkt liegt. Auf diese Übertemperatur wird das Massestromsignal kalibriert. Für einen tragbaren Einsatz, bei dem es auf einen geringen Energieverbrauch ankommt, kann der Kondensatheizer je nach Einsatzbedingungen auf die jeweilige Temperatur kurz oberhalb einer Kondensationstemperatur erwärmt werden, also z. B. in einem Temperaturbereich von 1 K bis 20 K oberhalb des Kondensationspunktes bzw. Taupunktes.According to further embodiments of the present invention, the sensor chip 5 the condensate heater 30 on, with which the sensor chip 5 is kept in the simplest case at a constant above a condensation temperature of a condensable substance contained in the fluid, which is safe in all operating traps on the condensation point or in the case of water vapor contained in the gas above the dew point. At this excess temperature, the mass flow signal is calibrated. For a portable application in which it depends on low energy consumption, the condensate heater can be heated to the respective temperature just above a condensation temperature depending on the conditions of use, ie z. B. in a temperature range of 1 K to 20 K above the condensation point or dew point.

Dazu ist es notwendig, den Einfluss der Chiptemperatur auf das Kennlinienfeld zu kennen und diesen als weiteren Parameter in der Kontrollelektronik bzw. der Auswerte- und Regeleinrichtung zu hinterlegen.For this purpose, it is necessary to know the influence of the chip temperature on the characteristic field and to deposit this as a further parameter in the control electronics or the evaluation and control device.

Die Unterschreitung des Taupunktes kann mit Hilfe von Rechtecksignalen auf dem Heizer und der Auswertung des typischen Signalanstiegsverhalten der Thermopilespannung erfolgen. Dies ist beispielsweise in der Patentschrift DE 10 113 190 beschrieben, deren Offenbarung hiermit in die Beschreibung aufgenommen werden soll. Dazu wird die nicht beheizte Temperaturmessmembran benutzt und in größeren zeitlichen Abständen mit den notwendigen Signalformen beaufschlagt.Falling below the dew point can be done with the help of square wave signals on the heater and the evaluation of the typical signal rise behavior of the thermopile voltage. This is for example in the patent DE 10 113 190 described, the disclosure of which is hereby incorporated into the description. For this purpose, the unheated temperature measuring membrane is used and applied at longer intervals with the necessary signal forms.

Lässt ein auf der Messmembran angelagerter Wassertropfen das Signal unzulässig einbrechen, so wird gemäß einiger Ausführungsbeispiele eine volle Heizleistung des Kondensatheizers eingestellt und über die Thermopiles der beiden thermischen Membransensorelemente detektiert, ob der Tropfen verdampft ist. Das Gerät kann in dieser Zeit nach außen die Zustandsmeldung über nicht korrekte Strömungsmesswerte abgeben.If a water droplet deposited on the measuring membrane causes the signal to break impermissibly, a full heating power of the condensate heater is set in accordance with some embodiments and detected via the thermopiles of the two thermal membrane sensor elements whether the droplet has evaporated. During this time, the device can output the status message about incorrect flow measurement values to the outside.

Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung kann der Strömungssensor auch zur Detektion von kritischer Feuchte verwendet werden, wobei während der Strömungsmessung der Heizer 3 hin und wieder mit einem sich zeitlich veränderten Signal, z. B. einem Rechteck oder Sinussignal moduliert wird, um über die Verformung eines Antwortsignals an dem Thermopile die Gegenwart von Wasser oder Verunreinigungen zu detektieren.According to further embodiments of the present invention, the flow sensor can also be used for the detection of critical humidity, wherein during the flow measurement of the heater 3 now and then with a time-varying signal, z. B. a rectangular or sinusoidal signal is modulated to detect the presence of water or contaminants via the deformation of a response signal to the thermopile.

In einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist eine Messvorrichtung in Form von Eintauchfühler und dem oben beschriebenen MEMS-Sensorchip, der als „Nacktchip” ausgebildet ist, dargestellt. In Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann ein Strömungssensor bzw. ein Sensorchip dazu verwendet werden, eine Volumenstrommessung feuchter Gase mit Hilfe zumindest einer, zwei oder mehrerer thermischer Membransensorelemente, einem Thermometer, z. B. der Diode 35, einer passiven Membran, die nicht geheizt wird und mittels einem Ansteuerungsmanöver eines Kondensatheizers 30 zur Verhinderung von Kondensatbildung durchzuführen. Ferner kann der Strömungssensor zur Beherrschung der Tröpfchenablagerung auf dem Sensorchip verwendet werden.In some embodiments of the present invention, a measuring device in the form of immersion probe and the MEMS sensor chip described above, which is designed as a "nude chip" is shown. In embodiments of the present invention, a flow sensor or a sensor chip may be used to measure a volumetric flow of moist gases using at least one, two or more thermal membrane sensor elements, a thermometer, e.g. B. the diode 35 , a passive membrane that is not heated and by means of a driving maneuver of a condensate heater 30 to prevent condensation. Further, the flow sensor may be used to control droplet deposition on the sensor chip.

Gemäß einiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung wird vorteilhafterweise eine wesentliche Reduzierung der thermischen Sensormasse erzielt. So kann nämlich die Membrandicke eines Sensorelements, z. B. eines thermischen Membransensorelementes beispielsweise nur 1 μm bis 5 μm, also z. B. 2 μm betragen.According to some embodiments of the present invention, a substantial reduction of the thermal sensor mass is advantageously achieved. Namely, the membrane thickness of a sensor element, for. B. a thermal membrane sensor element, for example, only 1 micron to 5 microns, ie z. B. 2 microns.

Die resultierende Membran kann also in einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden eine sehr geringe thermische Masse aufweisen. Dadurch wird eine gegenüber konventionellen Sensoren enorm verringerte bzw. geringe Heizleistung für den Messbetrieb des Membransensorelementes benötigt. Die Heizleistung eines Heizers 3 für einen Messbetrieb des Strömungssensors kann beispielsweise zwischen 1 mW und 50 mW liegen, also z. B. bei 30 mW oder bei 5 mW. Ferner kann durch die geringe thermische Masse der Membran eine schnelle Ansprechzeit des Sensors von beispielsweise 0.1 ms bis 5 ms, also z. B. von 1 ms erzielt werden. Vorteilhafterweise kann auch eine höhere Sensorempfindlichkeit von beispielsweise 2 mV/mW bis 30 mV/mW, also z. B. von 16 mV/mW erreicht werden. Durch die oben genannten Vorteile kann ein Batteriebetrieb des Strömungssensors, sowie ein Einsatz des Sensors für tragbare Anwendungen und letztendlich eine Energieverbrauchs- und Gewichtsreduzierung ermöglicht werden.Thus, in some embodiments of the present invention, the resulting membrane may have a very low thermal mass. As a result, compared to conventional sensors enormously reduced or low heating power for measuring operation of the membrane sensor element is required. The heating power of a heater 3 for a measuring operation of the flow sensor, for example, between 1 mW and 50 mW are, so z. At 30 mW or at 5 mW. Furthermore, due to the low thermal mass of the membrane, a fast response time of the sensor of, for example, 0.1 ms to 5 ms, so z. B. of 1 ms can be achieved. Advantageously, a higher sensor sensitivity of, for example, 2 mV / mW to 30 mV / mW, so z. B. of 16 mV / mW can be achieved. Due to the above advantages can be a battery operation of the flow sensor, as well as use of the sensor for portable applications and ultimately an energy and weight reduction are enabled.

Der Sensorchip kann gemäß einiger Ausführungsbeispiele als Mikro-Elektro-Mechanischer(MEMS-)Chip mit einem dementsprechend hohen Integrationsgrad ausgebildet sein. Der Sensorchip mit dem entsprechenden Heizer kann also mittels Mikrosystemtechnik hergestellt werden. Mit dem Sensorfinger bzw. Sensorchip können in Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung Strömungsmengen, Strömungsrichtungen und eine Fluid- bzw. Medien-Temperatur hochdynamisch gemessen werden. Der Sensorchip kann mehr als ein Membransensorelement, also z. B. zwei thermische Membransensorelemente aufweisen. So kann durch ein entsprechendes Ansteuern bzw. durch ein entsprechendes Manöver, beispielsweise auf der zweiten Membran, eine oder mehrere zusätzliche Zustands- bzw. stoffspezifische Größen des Mediums bzw. des Fluides abgeleitet werden. So kann, gemäß einigen Ausführungsbeispielen beispielsweise eine Feuchte oder eine Zusammensetzung des Fluides bestimmt werden.The sensor chip may be formed according to some embodiments as a micro-electro-mechanical (MEMS) chip with a correspondingly high degree of integration. The sensor chip with the corresponding heater can thus be produced by microsystem technology. With the sensor finger or sensor chip, in embodiments of the present invention, flow quantities, flow directions and a fluid or media temperature can be measured highly dynamically. The sensor chip can more than one membrane sensor element, ie z. B. have two thermal membrane sensor elements. Thus, by a corresponding control or by a corresponding maneuver, for example on the second membrane, one or more additional state or substance-specific variables of the medium or of the fluid can be derived. Thus, according to some embodiments, for example, a moisture or a composition of the fluid can be determined.

Zudem ist in einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung eine gezielte Temperierung des Sensors bzw. Sensorchips mittels eines in oder auf dem Sensorchip angeordneten Kondensatheizers 30 möglich. Dies ermöglicht vorteilhafterweise Messungen bzw. eine Bestimmung eines Strömungsparameters des Fluides unter kondensierenden Bedingungen durch Temperierung des Sensorchips auf Temperaturen oberhalb eines Kondensationspunktes eines in dem Fluid enthaltenen kondensierbaren Stoffes, also bei Wasser oberhalb des Taupunktes. Ferner kann mittels des Kondensatheizers auch ein Kondensat bzw. Tröpfchen auf dem Sensorchip durch kurzzeitiges Ausheizen beseitigt werden.In addition, in some embodiments of the present invention, a targeted temperature control of the sensor or sensor chip by means of a arranged in or on the sensor chip condensate heater 30 possible. This advantageously makes it possible to carry out measurements or to determine a flow parameter of the fluid under condensing conditions by controlling the temperature of the sensor chip to temperatures above a condensation point of a condensable substance contained in the fluid, ie, water above the dew point. Furthermore, by means of the condensate heater and a condensate or droplets on the sensor chip can be eliminated by short-term heating.

Es sollte ferner darauf hingewiesen werden, dass alle gegenständlichen Merkmale der vorliegenden Anmeldung auch als Verfahrensschritte in den entsprechenden erfindungsgemäßen Verfahren umgesetzt werden können.It should also be pointed out that all the subject features of the present application can also be implemented as process steps in the corresponding inventive process.

Zusammenfassend ist im Übrigen festzuhalten, dass einige Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung sich dynamisch ändernder und mit Wasser gesättigter Luftströmungen schaffen.In summary, it should be noted that some embodiments according to the invention provide an apparatus and method for measuring dynamically changing and water saturated air flows.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (16)

Sensorchip (5) zur Bestimmung eines Strömungsparameters eines Gases, mit folgenden Merkmalen: einem Sensorelement (12) zur Bestimmung des Strömungsparameters, und einem Kondensatheizer (30), der ausgebildet ist, den Sensorchip (5) über eine Kondensationstemperatur eines in dem Gas enthaltenen Stoffes zu erwärmen, um eine Kondensatbildung des Stoffes auf dem Sensorchip (5) zu verhindern.Sensor chip ( 5 ) for determining a flow parameter of a gas, comprising: a sensor element ( 12 ) for determining the flow parameter, and a condensate heater ( 30 ), which is formed, the sensor chip ( 5 ) to heat above a condensation temperature of a substance contained in the gas, in order to prevent condensation of the substance on the sensor chip ( 5 ) to prevent. Sensorchip (5) gemäß Anspruch 1, wobei die Kondensationstemperatur einer Taupunktstemperatur von in dem Gas enthaltenem Wasser entspricht.Sensor chip ( 5 ) according to claim 1, wherein the condensation temperature corresponds to a dew point temperature of water contained in the gas. Sensorchip (5) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei der Kondensatheizer (30) mindestens einen in dem Sensorchip (5) integrierten Heizwiderstand (30) aufweist.Sensor chip ( 5 ) according to one of claims 1 to 2, wherein the condensate heater ( 30 ) at least one in the sensor chip ( 5 ) integrated heating resistor ( 30 ) having. Sensorchip (5) gemäß Anspruch 3, wobei der Widerstand des Heizwiderstandes kleiner 500 Ohm, 100 Ohm oder 50 Ohm ist.Sensor chip ( 5 ) according to claim 3, wherein the resistance of the heating resistor is less than 500 ohms, 100 ohms or 50 ohms. Sensorchip (5) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Kondensatheizer (30) ausgebildet ist, um den Sensorchip (5) auf eine Temperatur zu erwärmen, die mindestens 5 K oberhalb einer Taupunkttemperatur des Fluids liegt.Sensor chip ( 5 ) according to one of claims 1 to 4, wherein the condensate heater ( 30 ) is adapted to the sensor chip ( 5 ) to a temperature which is at least 5 K above a dew point temperature of the fluid. Sensorchip (5) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Kondensatheizer (30) eine Heizleistung größer 50 mW, 100 mW oder 500 mW aufweist.Sensor chip ( 5 ) according to one of claims 1 to 5, wherein the condensate heater ( 30 ) has a heating capacity greater than 50 mW, 100 mW or 500 mW. Sensorchip (5) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Kondensatheizer (30) ausgebildet ist, den Sensorchip (5) auf eine Temperatur größer 130°C, 150°C oder 200°C zu erwärmen.Sensor chip ( 5 ) according to one of claims 1 to 6, wherein the condensate heater ( 30 ) is formed, the sensor chip ( 5 ) to a temperature greater than 130 ° C, 150 ° C or 200 ° C to heat. Sensorchip (5) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Sensorelement (12) ein thermisches Membransensorelement ist und der Kondensatheizer (30) symmetrisch auf gegenüberliegenden Seiten des Membransensorelementes angeordnet ist.Sensor chip ( 5 ) according to one of claims 1 to 7, wherein the sensor element ( 12 ) is a thermal membrane sensor element and the condensate heater ( 30 ) is arranged symmetrically on opposite sides of the membrane sensor element. Sensorchip (5) zur Bestimmung eines Strömungsparameters eines Gases, mit folgenden Merkmalen: einem Sensorelement (12) zur Bestimmung des Strömungsparameters, wobei das Sensorelement einen Heizer (3) aufweist, der ausgelegt ist, einen Temperaturgradienten für eine Bestimmung des Strömungsparameters zu erzeugen, einem Kondensatheizer (30), der ausgebildet ist, den Sensorchip (5) über eine Kondensationstemperatur eines in dem Gas enthaltenen Stoffes zu erwärmen, um eine Kondensatbildung des Stoffes auf dem Sensorchip zu verhindern, oder um ein auf dem Sensorchip (5) befindliches Kondensat des Stoffes zu entfernen, wobei eine Heizleistung des Kondensatheizers (309 größer ist als eine Heizleistung des Heizers (3) des Sensorelements (12).Sensor chip ( 5 ) for determining a flow parameter of a gas, comprising: a sensor element ( 12 ) for determining the flow parameter, wherein the sensor element is a heater ( 3 ), which is designed to generate a temperature gradient for a determination of the flow parameter, a condensate heater ( 30 ), which is formed, the sensor chip ( 5 ) to heat above a condensation temperature of a substance contained in the gas in order to prevent condensation of the substance on the sensor chip, or to a on the sensor chip ( 5 ) remove condensate of the substance, wherein a heating capacity of the condensate heater ( 309 is greater than a heat output of the heater ( 3 ) of the sensor element ( 12 ). Sensorchip (5) gemäß Anspruch 9, wobei der Heizer (3) des Sensorelements (12) eine Heizleistung aufweist, die kleiner 50 mW, 10 mW oder 1 mW ist, und wobei der Kondensatheizer (30) eine Heizleistung größer 50 mW, 100 mW oder 500 mW aufweist.Sensor chip ( 5 ) according to claim 9, wherein the heater ( 3 ) of the sensor element ( 12 ) has a heating power that is less than 50 mW, 10 mW or 1 mW, and wherein the condensate heater ( 30 ) has a heating capacity greater than 50 mW, 100 mW or 500 mW. Sensorchip (5) gemäß einem der Ansprüche 9 bis 10, wobei der Kondensatheizer (30) zumindest eine fünffach höhere, zehnfach höhere oder fünfzigfach höhere maximale Heizleistung aufweist als der Heizer (3) des Sensorelements (12), so dass ein auf dem Sensorelement befindliches Kondensat mit dem Kondensatheizer (30) schneller entfernt werden kann, als mit dem Heizer (3) des Sensorelements (12).Sensor chip ( 5 ) according to one of claims 9 to 10, wherein the condensate heater ( 30 ) has at least a five times higher, ten times higher or fifty times higher maximum heating power than the heater ( 3 ) of the sensor element ( 12 ), so that a condensate located on the sensor element with the condensate heater ( 30 ) can be removed faster than with the heater ( 3 ) of the sensor element ( 12 ). Verfahren zur Bestimmung eines Strömungsparameters eines Gases, mit folgenden Schritten: Bestimmung (100) des Strömungsparameters des Gases mittels eines auf dem Sensorchip angeordneten Sensorelements, und Erwärmen (110) des Sensorchips mittels eines auf dem Sensorchip angeordneten Kondensat-Heizers über eine Kondensationstemperatur eines in dem Gas enthaltenen Stoffes, um eine Kondensatbildung des Stoffes auf dem Sensorchip zu verhindern.Method for determining a flow parameter of a gas, comprising the following steps: determination ( 100 ) of the flow parameter of the gas by means of a sensor element arranged on the sensor chip, and heating ( 110 ) of the sensor chip by means of a arranged on the sensor chip condensate heater on a condensation temperature of a substance contained in the gas to prevent condensation of the substance on the sensor chip. Verfahren gemäß Anspruch 12, bei dem das Erwärmen (110) so durchgeführt wird, dass der Sensorchip auf einen Temperaturbereich erwärmt werden, der zwischen 1 K und 50 K oder zwischen 5 K und 30 K über der Kondensationstemperatur des in dem Gas enthaltenen kondensierbaren Stoffes liegt.Process according to claim 12, wherein the heating ( 110 ) is performed so that the sensor chip is heated to a temperature range which is between 1 K and 50 K or between 5 K and 30 K above the condensation temperature of the condensable substance contained in the gas. Verfahren zur Bestimmung eines Strömungsparameters eines Gases, mit folgenden Schritten: Bestimmen (120) des Strömungsparameters des Gases mittels eines thermischen Sensorelements (12) mit einem Heizer (3) und, Erwärmen (130) des Sensorchips mittels eines auf dem Sensorchip angeordneten Kondensatheizers (30) über eine Kondensationstemperatur eines in dem Gas enthaltenen Stoffes, um eine Kondensatbildung des Stoffes auf dem Sensorchip zu verhindern, oder Entfernen (140) eines Kondensats eines in dem Gas enthaltenen Stoffes von dem Sensorchip durch Erwärmung des Sensorchips über eine Kondensationstemperatur des Stoffes mittels eines auf dem Sensorchip angeordneten Kondensat-Heizers.Method for determining a flow parameter of a gas, comprising the following steps: determining ( 120 ) of the flow parameter of the gas by means of a thermal sensor element ( 12 ) with a heater ( 3 ) and, heating ( 130 ) of the sensor chip by means of a arranged on the sensor chip condensate heater ( 30 ) over a condensation temperature of a substance contained in the gas to prevent condensation of the substance on the sensor chip, or removing ( 140 ) condensate of a substance contained in the gas from the sensor chip by heating the sensor chip via a condensation temperature of the substance by means of a arranged on the sensor chip condensate heater. Verfahren gemäß Anspruch 14, das ferner einen Schritt des Detektierens einer Kondensatbildung eines in dem Gas enthaltenen kondensierbaren Stoffes auf dem Sensorelement durch Vergleichen des gemessenen Strömungsparameters mit einem zu erwartenden Strömungsparameter aufweist, wobei basierend auf dem Vergleich bei einer Kondensatbildung auf dem Sensorelement ein Entfernen (140) des Kondensates durch Erwärmung mittels des Kondensatheizers durchgeführt wird.The method of claim 14, further comprising a step of detecting a condensate formation of a condensable substance contained in the gas on the sensor element by comparing the measured flow parameter with one expected flow parameter, wherein based on the comparison in a condensate formation on the sensor element, a removal ( 140 ) of the condensate is carried out by heating by means of the condensate heater. Das Verfahren gemäß Anspruch 15, das ferner einen Schritt des Detektierens einer Kondensatbildung eines kondensierbaren Stoffes aus dem Fluid auf dem Sensorchip während des Schrittes des Bestimmens (120) des Strömungsparameters in einem Messbereich aufweist, wobei der Schritt des Detektierens ein Anlegen eines zeitlich veränderbaren elektrischen Signals an den Heizer (3) und ein Vergleichen des Antwortsignals an den Thermoelementübergängen mit einem zu erwartenden Antwortsignal ohne Kondensatbildung aufweist.The method of claim 15, further comprising a step of detecting condensate formation of the condensable material from the fluid on the sensor chip during the step of determining (FIG. 120 ) of the flow parameter in a measuring range, wherein the step of detecting an application of a time-variable electrical signal to the heater ( 3 ) and comparing the response signal at the thermocouple junctions with an expected response signal without condensation.
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