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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft das Gebiet der thermischen Anemometer und insbesondere thermische Anemometer, die zur Erfassung von Mikroluftströmen eingesetzt werden.
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Hintergrund der Erfindung
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Ein thermisches Anemometer misst eine Fluidgeschwindigkeit unter Anwendung von Wärmeübertragungserscheinungen. Thermische Anemometer als Mikrostromsensoren enthalten typischerweise identische stromaufwärts und stromabwärts angeordnete temperaturempfindliche Elemente und ein dazwischen angeordnetes Heizelement. Die Anordnung eines solchen Sensors ist gewöhnlich symmetrisch, einschließlich der räumlichen Positionierung aller Funktionselemente und der Verteilung ihrer elektrischen Parameter. Theoretisch sorgt diese Symmetrie für eine Abweichung null des Sensors und eine symmetrische Reaktion auf bidirektionale Eingangssignale. In der Praxis treten jedoch während des Fertigungsprozesses unvermeidlich Abweichungen in physikalischen Parametern auf und verursachen nichtverschwindende Abweichungen des Sensors. Diese Abweichung sowie Temperaturdrifts und durch Temperatur- und zeitliche Instabilität von Materialien des Sensors verursachte Langzeitdrift können die Genauigkeit von Messungen, die mit den Flusssensoren vorgenommen werden, stark beeinflussen. Nichtverschwindende Abweichungen müssen bei der Mehrzahl der Anwendungen kompensiert werden, um für einen erforderlichen Genauigkeitsgrad des Sensors zu sorgen.
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Zusammenfassung
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Hierin werden ein Flusssensorelement mit Abweichungskompensation und ein Abweichungskompensationsverfahren beschrieben, wobei das Flusssensorelement zwei getrennte und voneinander unabhängige thermische Flusssensoren aufweist, die je ein Heizelement und mindestens ein temperaturempfindliches Element enthalten. Die Komponenten der zwei thermischen Flusssensoren sind so miteinander verbunden, dass flussunabhängige Beiträge jedes Sensors zu einem gemeinsamen Ausgangssignal nach Durchgang durch einen Subtraktionsknoten entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen. An die Heizelemente der zwei thermischen Flusssensoren werden phasenverschoben Heizimpulse angelegt, und für jeden angelegten Heizimpuls wird ein Ausgangssignal gemessen. Dann wird durch Berechnen einer Differenz zwischen einem letzten Ausgangssignalmesswert und mindestens einem vorhergehenden Ausgangssignalmesswert ein Nettoausgangssignal bestimmt.
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Gemäß einem ersten allgemeinen Aspekt wird ein Verfahren zur Abweichungskompensation für ein Flusssensorelement bereitgestellt, das einen ersten thermischen Flusssensor mit einem ersten Heizelement und mindestens einem ersten temperaturempfindlichen Element und einen zweiten thermischen Flusssensor mit einem zweiten Heizelement und mindestens einem zweiten temperaturempfindlichen Element aufweist, wobei der erste thermische Flusssensor und der zweite thermische Flusssensor getrennt und voneinander unabhängig sind, den gleichen Durchfluss messen und flussabhängige Signale erzeugen. Das Verfahren beinhaltet das abwechselnde Anlegen von Heizimpulsen (i) an das erste Heizelement und das zweite Heizelement, so dass, wenn das erste Heizelement eingeschaltet wird bzw. ist, das zweite Heizelement ausgeschaltet wird bzw. ist und, wenn das zweite Heizelement eingeschaltet wird bzw. ist, das erste Heizelement ausgeschaltet wird bzw. ist. Aus den flussabhängigen Signalen wird ein Ausgangssignal Vout gebildet, so dass Beiträge der flussabhängigen Signale entgegengesetzte Flussempfindlichkeitsvorzeichen aufweisen. Das Ausgangssignal Vout des Flusssensorelements wird bei jedem der Heizimpulse (i) gemessen und gespeichert, und ein Nettoausgangssignal Vnet wird durch Subtraktion mindestens eines vorhergehenden Ausgangssignalmesswerts Vout(i – 1) von einem letzten Ausgangssignalmesswert Vout(i) bestimmt.
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Gemäß einem zweiten allgemeinen Aspekt wird ein Flusssensorelement mit kompensierter Abweichung bereitgestellt. Das Element weist eine Schaltung auf, die einen ersten thermischen Flusssensor mit einem ersten Heizelement und mindestens einem ersten temperaturempfindlichen Element und einen zweiten thermischen Flusssensor mit einem zweiten Heizelement und mindestens einem zweiten temperaturempfindlichen Element aufweist, wobei der erste thermische Flusssensor und der zweite thermische Flusssensor getrennt und voneinander unabhängig sind, den gleichen Durchfluss messen und flussunabhängige Signale mit entgegengesetzten Vorzeichen erzeugen, die zusammenwirken, um ein Ausgangssignal Vout zu bilden. Ein Heizmodul ist an einen Eingang der Schaltung angeschlossen und so konfiguriert, dass er Heizimpulse (i) abwechselnd an das erste Heizelement und das zweite Heizelement anlegt, so dass, wenn das erste Heizelement eingeschaltet ist bzw. wird, das zweite Heizelement ausgeschaltet ist bzw. wird und, wenn das zweite Heizelement eingeschaltet ist bzw. wird, das erste Heizelement ausgeschaltet ist bzw. wird. An den Ausgang der Schaltung ist ein Ausgangsmodul angeschlossen, um das Ausgangssignal Vout bei jedem Heizimpuls (i) zu messen und zu speichern und durch Subtrahieren mindestens eines vorhergehenden Ausgangssignalmesswerts Vout(i – 1) von einem letzten Ausgangssignalmesswert Vout(i) ein Nettoausgangssignal Vnet zu bestimmen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Dabei zeigen:
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1 ein Schaltbild, das eine typische Ausführungsform einer Abweichungskompensationsschaltung mit zwei synchron ein- und ausschaltenden Heizelementen nach dem Stand der Technik darstellt;
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2 ein Schaltbild, das eine typische Ausführungsform einer Abweichungskompensationsschaltung mit phasenverschoben betriebenen Heizelementen darstellt;
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3a, 3b und 3c Diagramme, die Ausgangssignale von Mikroflusssensoren gemäß den in den 1 und 2 gezeigten Schaltbildern darstellen;
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4a, 4b und 4c typische Wellenformen von einem Taktgenerator, die an die Heizelemente angelegten Heizimpulsen entsprechen;
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5a, 5b, 5c und 5d typische Messfehler des Flusssensorelements bei Verwendung unterschiedlicher Abweichungskompensationsalgorithmen für sinusförmige 15 Hz-Signale;
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6a, 6b, 6c und 6d typische Messfehler des Flusssensorelements bei Verwendung unterschiedlicher Abweichungskompensationsalgorithmen für sinusförmige 10 Hz-Signale;
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7a und 7b eine typische Reaktion des Flusssensorelements und Messfehler für ein 60 ms-Impulssignal mit einer Anstiegs- und Abfallzeit von 10 ms.
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Man wird feststellen, dass in allen beigefügten Zeichnungen gleiche Merkmale durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet sind.
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Ausführliche Beschreibung
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In 1 ist ein Mikroflusssensor eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS) dargestellt. Dieser Sensor hat zwei identische Heizelemente (Heizer) RH1 und RH2 und zwei Paare von identischen, stromaufwärts und stromabwärts angeordneten temperaturempfindlichen Elementen RU1, RD1 und RU2, RD2, die an gegenüberliegenden Seiten jedes Heizelements angeordnet und auf eine dünne dielektrische Brücke angeordnet sind, die über dem Kanal in einem Siliciumsubstrat aufgehängt ist, das für eine hohe Wärmeisolierung von einem massiven Substrat sorgt. Die thermischen Sensoren RU1, RD1 und RU2, RD2 sind in einer Wheatstone-Brücke konfiguriert, während die Heizelemente RH1 und RH2 durch einen Heizstrom von einer Heizspannungsquelle Vheat gespeist werden.
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Die thermischen Halbbrücken-Sensorelemente RH1, RU1, RD1 sind von den Halbbrücken-Sensorelementen RH2, RU2, RD2 wärmeisoliert. Dies bedeutet, dass eine Temperaturänderung des Heizelements RH1 ein Signal von dem zweiten Halbbrückensensor nicht beeinflusst und eine Temperaturänderung des Heizelements RH2 ein Signal von dem ersten Halbbrückensensor nicht beeinflusst. In einem so konstruierten Mikroflusssensor ist eine Temperatur der stromaufwärts und stromabwärts angeordneten thermischen Sensoren von der Heizelementtemperatur und der Flussgeschwindigkeit eines interessierenden Fluids abhängig. Zum Beispiel führt ein Anstieg der Flussgeschwindigkeit zu einem Temperaturanstieg des stromabwärts angeordneten thermischen Sensors und zu einem Temperaturabfall des stromaufwärts angeordneten thermischen Sensors, verändert daher ihren Widerstand und liefert ein von der Flussgeschwindigkeit abhängiges Ausgangssignal Vout.
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Ein durch einen Taktgenerator gesteuerter Schalter SW steuert einen EIN/AUS-Zustand von Heizelementen RH1, RH2. Wenn der Schalter SW eingeschaltet ist, wird Strom von einer Spannungsquelle Vheat oder von einem optionalen Digital-Analog-Wandler (DAC) den Heizelementen RH1, RH2 zugeführt, und das Ausgangssignal Vout1 = S2 – S1 + O2 – O1 wird erzeugt, wobei S1, S2 flussabhängige Signale von den ersten bzw. zweiten Halbbrückensensoren sind und O1, O2 Abweichungen von den ersten bzw. zweiten Halbbrückensensoren sind. Im Fall idealer Symmetrie aller vier thermischer Sensoren ist O1 = O2 = Vbr/2, wobei Vbr die Erregerspannung der Brücke ist.
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Wenn der Schalter SW ausgeschaltet ist, dann ist das Ausgangssignal Vout2 = O2 – O1. Ein Nettoausgangssignal Vnet ist als Differenz zwischen Vout1 und Vout2 definiert: Vnet = Vout1 – Vout2 = (S2 – S1) + (O2 – O1) – (O2 – O1) = S2 – S1 (1) wobei S2 ≈ S1 und daher Vnet ≈ 2S2 ≈ –2S1 ist.
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Eine Einschränkung der in 1 dargestellten Mikroflusssensorschaltung ist, dass, wenn die zwei Heizelemente ausgeschaltet sind, die Empfindlichkeit des Sensors abfällt und die Verfolgung des Eingangssignals verloren geht. Diese Zeitspanne ist völlig der Abweichungsmessung gewidmet, die entweder vor jeder Flussmessung automatisch wiederholt werden oder durch einen Anwender zu bestimmten vorgegebenen Zeitpunkten während des Betriebs des Systems durchgeführt werden kann.
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Um diese Einschränkung zu überwinden, wird in 2 eine alternative Ausführungsform dargestellt. Wie gezeigt wird, weist eine Schaltung 200 Heizelemente RH1 und RH2 auf, die individuell zugänglich sind und phasenverschoben so gespeist werden, dass eines der Heizelemente immer eingeschaltet ist. Außerdem ist die Schaltung der temperaturempfindlichen Elemente in dem ersten thermischen Halbbrückensensor im Vergleich zu der Konfiguration von 1 so modifiziert, dass der Widerstand RD1 an die Brückenerregerspannung VBR angeschlossen ist und der Widerstand RU1 mit Masse verbunden ist. Eine derartige Schaltung der vier temperaturempfindlichen Elemente ergibt eine Flussempfindlichkeit null, wenn beide Heizelemente eingeschaltet sind, da die flussunabhängigen Signale von den zwei thermischen Halbbrücken-Flusssensoren das gleiche Vorzeichen haben und durch einen Subtraktionsknoten 206 subtrahiert werden, der innerhalb oder außerhalb der Schaltung 200 vorgesehen werden kann. Bei dieser Konfiguration sind die Beiträge von flussabhängigen Signalen von den zwei Halbbrückensensoren zu einem Ausgangssignal nach dem Durchgang durch den Subtraktionsknoten 206 S2 und –S1 und weisen dadurch entgegengesetzte Vorzeichen der Flussempfindlichkeit auf. Ein Heizmodul 202 legt phasenverschobene Heizimpulse an die Schaltung an, und ein Ausgangsmodul 204 misst und speichert das Ausgangssignal Vout.
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Das Ausgangssignal V
net des Mikroflusssensors mit kompensierter Abweichung kann dann durch den Ausgangsmodul
204 als Differenz zwischen einem letzen Ausgangssignalmesswert und vorhergehenden Ausgangssignalmesswerten entsprechend den Kenndaten von Tabelle 1 weiter unten und Gleichung 2 ermittelt werden. Ein bei ausgeschaltetem Heizelement R
H1 gemessenes Sensorausgangssignal wird von einem bei eingeschaltetem Heizelement R
H2 gemessenen Ausgangssignal subtrahiert.
| Heizelemente | V1 | V2 | Vout1, Vout2 |
| RH1 = AUS, RH2 = EIN | O1 | S2 + O2 | Vout1 = V2 – V1 = S2 + O2 – O1 |
| RH1 = EIN, RH2 = AUS | S1 + O1 | O2 | Vout2 = V2 – V1 = O2 – S1 – O1 |
Tabelle 1
Vnet = Vout1 – Vout2 = (S2 + O2 – O1) – (O2 – S1 – O1) = S2 + S1 (2) wobei:
S
1 ein Signal von dem ersten Halbbrücken-Mikroflusssensor R
U1, R
D1 ist;
S
2 ein Signal von dem zweiten Halbbrücken-Mikroflusssensor R
U2, R
D2 ist;
O
1 eine Abweichung von dem ersten Halbbrücken-Mikroflusssensor R
U1, R
D1 ist;
O
2 eine Abweichung von dem zweiten Halbbrücken-Mikroflusssensor R
U2, R
D2 ist;
S
2 ≈ S
1 und daher V
net ≈ 2S
2 ≈ 2S
1 ist.
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Die 3b und 3c veranschaulichen das Ergebnis einer Simulation der Reaktion der Sensoren für ein in 3a dargestelltes halbsinusförmiges 15 Hz-Eingangssignal, wobei Messungen des Eingangssignals in Intervallen von 5 ms durchgeführt werden. 3b zeigt eine Reaktion des Sensors bei gleichphasigem Umschalten der Heizelemente gemäß der Ausführungsform von 1. Jede zweite Messung des Sensors erfolgt mit ausgeschalteten Heizelementen für die Abweichungsmessung, und das flussabhängige Signal wird dann subtrahiert. 3c zeigt eine Reaktion des Sensors mit phasenverschobenem Umschalten der Heizelemente gemäß der Ausführungsform von 2. Der Sensor mit phasenverschobenem Umschalten der Heizelemente demonstriert eine genauere Verfolgung eines zeitlich variierenden Signals.
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Zurück zu der Schaltung von 2: dort ist ein Taktgenerator dargestellt, der verwendet wird, um den Schalter zum Anlegen der Erregerspannung Vheat1 und Vheat2 entweder an das Heizelement RH1 oder an das Heizelement RH2 ein- und auszuschalten. Beispiele des Taktsignals und der zwei Erregerspannungen sind in den 4a, 4b bzw. 4c dargestellt. Wenn ein logisches Ausgangssignal des Generators Vclk(i) = 1 ist, dann ist das Heizelement RH2 eingeschaltet und das Heizelement RH1 ist ausgeschaltet. Wenn Vclk(i) = 0 ist, dann ist das Heizelement RH1 eingeschaltet und das Heizelement RH2 ist ausgeschaltet. Ausgangssignalwerte Vout(i) des Sensors werden mit einem Zeitintervall T für jeden Heizimpuls i gemessen und gespeichert. Dieses Abweichungskompensationsverfahren basiert auf einer Subtraktion der letzten zwei Messwerte Vout(i) und Vout(i – 1) gemäß Gleichung (2), die mathematisch wie folgt dargestellt werden kann: Vnet(i) = (Vout(i) – Vout(i – 1))(2Vclk(i) – 1) (3) wobei die Funktion 2Vclk(i) – 1 gleich 1 ist, wenn Vclk(i) = 1 ist, oder gleich –1, wenn Vclk(i) = 0 ist.
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Man vergleiche Messungen der Flusssensoren mit unterschiedlichen Speisungsarten der Heizelemente. Wenn beide Heizelemente des in 1 dargestellten Sensors ständig eingeschaltet sind, arbeitet der Sensor im traditionellen Gleichstrombetrieb ohne jede Abweichungskompensation und mit einer bestimmten Nennempfindlichkeit. Wenn der Sensor im Gleichstrombetrieb arbeitet, liefert er eine ideale Verfolgung des Signals. Dieser Sensor kann auch in einem Modus mit gleichphasiger Umschaltung der Heizelemente arbeiten.
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Der in 2 dargestellte Sensor hat, wenn beide Heizelemente eingeschaltet sind, wegen der durch den Subtraktionsknoten durchgeführten Subtraktion der Signale V2 und V1 von zwei im Wesentlichen identischen Halbbrücken die Empfindlichkeit null. Wenn nur eines der zwei im Wesentlichen identischen Heizelemente eingeschaltet ist, erreicht eine Empfindlichkeit des Sensors annähernd 50% der Empfindlichkeit des Sensors von 1. Daher enthält jeder Messwert Vout(i) eine Sensorabweichungskomponente und eine von dem mit verminderter Empfindlichkeit registrierten Fluss abhängige Komponente. Subtraktion von zwei aufeinanderfolgenden Messwerten Vout(i) und Vout(i – 1) (gemäß Gleichung (3)) alle T Millisekunden kompensiert die Abweichung und stellt die Empfindlichkeit effektiv auf das Niveau des Sensors von 1 zurück. Eine Aktualisierung des Sensorausgangssignals wegen Änderungen des Eingangssignals wird in Zeitintervallen T durchgeführt, wenn entweder das Heizelement RH1 oder das Heizelement RH2 eingeschaltet wird.
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Die Simulationsergebnisse der Messgenauigkeit sind in den 5a–5d und 6a–6d dargestellt. Die ausgefüllten Kreise in den 5a und 6a repräsentieren Messwerte des Ausgangssignals VDC des Sensors bei ständig eingeschalteten Heizelementen (gemäß 1). Die Messungen werden mit einem Intervall T = 5 ms für sinusförmige Signale von 15 Hz bzw. 10 Hz durchgeführt. Abweichungen der Ausgangssignale von VDC für Sensor 1 (gleichphasige Umschaltung der Heizelemente; Schaltung von 1) und Sensor 2 (phasenverschobene Umschaltung der Heizelemente; Schaltung von 2) sind in den 5b, 5c (15 Hz) und 6b, 6c (10 Hz) dargestellt. Die Ausführungsform gemäß 2 demonstriert einen niedrigeren Messfehler als die Ausführungsform von 1.
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Die Genauigkeit von Messungen unter Anwendung der vorgeschlagenen Technik kann weiter verbessert werden, wenn gemäß einer anderen Ausführungsform mehr als die letzten zwei gespeicherten Messungen Vout(i) bei der Bestimmung des Nettoausgangssignals des Sensors verwendet werden. Gleichung (4) ist eine mathematische Darstellung des Sensorausgangssignals, das aus den letzten drei Messungen Vout(i), Vout(i – 1) und Vout(i – 2) bestimmt wird: Vnet2 = ((1 + k)Vout(i) – Vout(i – 1) – Vout(i – 2))(2Vclk(i) – 1) (4) wobei ein Justierkoeffizient k von 0 bis 1 variiert.
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Die 5d und 6d zeigen Abweichungen des Ausgangssignals des Sensors gemäß 2 von VDC-Werten, basierend auf Gleichung (4) mit einem Koeffizienten k = 0,5. Der Koeffizient k wird benutzt, um eine Zeitverzögerung zwischen einer idealen Signalreaktion des im Gleichstrombetrieb arbeitenden Sensors und einer Reaktion des Sensors, der die phasenverschobene Umschaltung der Heizelemente realisiert, zu minimieren. In einigen Ausführungsformen liegen die Werte des Koeffizienten k im Bereich von 0 bis 1.
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Um den Einfluss von k zu verstehen, betrachte man eine Reaktion des Sensors für einen Impuls von 60 ms mit einer Anstiegs- und Abfallzeit τ = 10 ms. 7a zeigt eine simulierte Reaktion VDC der Sensorschaltung gemäß 1, in der beide Heizelemente ständig eingeschaltet sind (ausgefüllte Kreise) im Vergleich zu der simulierten Reaktion des Sensors mit einer auf Gleichung (4) basierenden Signalverarbeitung mit verschiedenen Koeffizienten k. Man beachte, dass bei k = 0 Gleichung (4) mit Gleichung (3) übereinstimmt. 7b zeigt Abweichungen der Messwerte des Sensors vom Ausgangssignal des Sensors, bei dem beide Heizelemente eingeschaltet sind, bei k = 0; 0,5; 1 unter Anwendung eines auf Gleichung (4) basierenden Algorithmus. Ein minimaler Fehler wird bei k = 0,5 erreicht. Der Zustand k = 1 führt zur Signalüberregelung mit assoziierter Abnahme der Sensorgenauigkeit.
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Der gegenwärtig beschriebene Mikroflusssensor zur Durchführung des Abweichungskompensationsverfahrens enthält zwar zwei identische thermische Halbbrückensensoren mit getrennten Heizelementen, aber es sollte klar sein, dass im Allgemeinen das Abweichungskompensationsverfahren auf jedes Paar von identischen thermischen Anemometertyp-Sensoren unterschiedlicher Konstruktionen angewandt werden kann, die den gleichen Fluss messen. Außerdem kann anstelle von zwei nur ein temperaturempfindliches Element für jeden Sensor des Paars von weitgehend identischen Sensoren eingesetzt werden.
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Die Heizelemente und temperaturempfindlichen Elemente können zum Beispiel Polysiliciumwiderstände sein, die in einem normalen CMOS-Prozess gefertigt werden. Sie können unterschiedliche Dotierung aufweisen, die einen optimalen Widerstandswert und TCR (Widerstands-Temperaturkoeffizienten) für diese verschiedenen Funktionselemente liefert.
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Die optimale Breite von Heizelement-Anregungsimpulsen T kann durch den Fachmann bestimmt werden. Die Zeit T kann mehrfach länger sein als eine typische thermische Reaktionszeit für den thermischen Sensor vom Anemometertyp, um zu ermöglichen, dass das Ausgangssignal seinen stabilen Wert während des Aufheiz- oder Abkühlungsprozesses der temperaturempfindlichen Elemente erreicht. Durch Geometrie, thermisch wirksame Masse und Wärmeleitfähigkeit der Sensormikrostruktur definierte Reaktionszeiten betragen typischerweise etwa 1–2 ms für thermische Anemometer, die in bekannten MEMS-Prozessen gefertigt werden. Daher kann ein Abtastintervall von etwa 4–5 ms und länger für das beschriebene Abweichungskompensationsverfahren verwendet werden.
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Das Abweichungskompensationsverfahren kann angewandt werden, um nicht nur die statische Langzeitdrift und Temperaturdrift der Abweichung zu kompensieren, sondern auch kurzzeitige Abweichungsschwankungen. Bei einem Abtastintervall von 5 ms können Abweichungsschwankungen mit einer Frequenz unter –50 Hz wirksam kompensiert werden. Dies vermindert das niederfrequente Rauschen des Sensors und verbessert sein Signal-Rausch-Verhältnis.
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Zu beachten ist, dass die vorliegende Erfindung als Verfahren ausgeführt und als System realisiert werden kann. Die oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung sollen nur als Beispiele dienen. Der Umfang der Erfindung soll daher allein durch den Umfang der beigefügten Patentansprüche beschränkt sein.
