DE102015110711A1

DE102015110711A1 - MEMS Sensor zu Messung mindestens einer Messgröße eines strömenden Fluids

Info

Publication number: DE102015110711A1
Application number: DE102015110711.2A
Authority: DE
Inventors: Patrick Reith; Christof Huber; Hagen Feth
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; TrueDyne Sensors AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; TrueDyne Sensors AG
Priority date: 2015-07-02
Filing date: 2015-07-02
Publication date: 2017-01-05

Abstract

Es ist ein MEMS-Sensor zur Messung mindestens einer Messgröße, insb. eines Durchflusses, einer Dichte und/oder einer Viskosität, eines strömenden Fluids, insb. einer Flüssigkeit oder eines Gases, mit mindestens einem Messkanal (1), der einen im Messbetrieb vom Fluid durchströmten eine Leitung (5) bildenden Innenraum aufweist, beschrieben, der sich dadurch auszeichnet, dass der Messkanal (1) mit mindestens einem Drucksensor (3) ausgestattet ist, der eine in einer Kanalwand (7) des Messkanals (1) vorgesehene, zur Leitung (5) hin offene Ausnehmung (13) umfasst, über die der Drucksensor (3) mit einem in einem an die Ausnehmung (13) angrenzenden Leitungsbereich der Leitung (5) herrschenden Druck beaufschlagbar ist, der eine durch ein die Ausnehmung (13) in der Kanalwand (7) nach außen begrenzendes Wandsegment der Kanalwand (7) gebildete Messmembran (15) umfasst, und der einen elektromechanischer Wandler umfasst, der eine vom auf die Messmembran (15) einwirkenden Druck abhängige Durchbiegung der Messmembran (15) messtechnisch erfasst.

Description

Die Erfindung betrifft einen MEMS-Sensor zur Messung mindestens einer Messgröße, insb. eines Durchflusses, einer Dichte und/oder einer Viskosität, eines strömenden Fluids, insb. einer Flüssigkeit oder eines Gases, mit mindestens einem Messkanal, der einen im Messbetrieb vom Fluid durchströmten eine Leitung bildenden Innenraum aufweist.
MEMS-Sensoren sind Mikro-Elektromechanische Systeme, die in der Messtechnik zur messtechnischen Erfassung einer oder mehrerer Messgrößen eingesetzt werden. Diese MEMS-Sensoren werden regelmäßig unter Verwendung von in der Halbleitertechnologie üblichen Verfahren, wie z.B. Ätzprozessen, Oxidationsverfahren, Implantationsverfahren, Bondverfahren und/oder Beschichtungsverfahren, unter Verwendung von ein oder mehrlagigen Wafern, insb. Wafern auf Siliziumbasis, hergestellt.
MEMS-Sensoren, die dazu eingesetzt werden eine Messgröße eines strömenden Fluids, insb. einer Flüssigkeit oder eines Gases, zu bestimmen weisen mindestens einen Messkanal auf, dessen Innenraum eine Leitung bildet, die im Messbetrieb von dem Fluid durchströmt wird. Dabei werden zur Messung unterschiedlicher Messgrößen strömender Fluide je nach Messgröße unterschiedliche Messprinzipien eingesetzt.
Ein Beispiel ist die Coriolis-Massendurchfluss-Messung. Hierfür wird mindestens ein im Messbetrieb von dem Fluid durchströmter Messkanal eingesetzt, der mindestens einen mittels einer Erregereinrichtung zu Schwingungen anregbaren Kanalabschnitt umfasst. Aufgrund der Schwingungen treten Corioliskräfte auf, die sich auf die sich ausbildende Schwingungsform auswirken. Die resultierende Schwingungsbewegung des Kanalabschnitts wird z.B. durch einen einlassseitig und einen auslassseitig am Kanalabschnitt angeordneten Schwingungssensor erfasst. Die von den beiden Schwingungssensoren erfassten Schwingungen weisen übereinstimmende, der resultierenden Schwingungsform entsprechende Frequenzen auf. Sie sind jedoch gegen einander um eine vom Massendurchfluss abhängige Phasenverschiebung phasenverschoben.
Ein weiteres Beispiel ist die Coriolis-Dichte-Messung. Auch hierfür wird mindestens ein im Messbetrieb von dem Fluid durchströmter Messkanal eingesetzt, der mindestens einen mittels einer Erregereinrichtung zu Schwingungen anregbaren Kanalabschnitt umfasst. Bei diesem Messprinzip wird der Kanalabschnitt zu Schwingungen bei einer Resonanzfrequenz angeregt. Die Resonanzfrequenz ist abhängig von der Dichte des strömenden Fluids, und kann somit zur Bestimmung der Dichte herangezogen werden.
Entsprechende MEMS-Sensoren, mit mindestens einem Messkanal mit einem zu Schwingungen anregbaren Kanalabschnitt sind z. B. in der DE 10 2008 039 045 A1 , der US 2010/0037706 A1 und der US 2002/0194908 A1 beschrieben.
Die in der US 2002/01949908 A1 beschriebenen MEMS-Sensoren umfassen einen zentralen Sensorbereich, der mit einem im Messbetrieb vom Fluid durchströmten Messkanal ausgestattet ist, der einen zu Schwingungen anregbaren Kanalabschnitt umfasst. Zusätzlich weisen diese MEMS-Sensoren mindestens einen weiteren Sensorbereich auf, der dazu dient, mindestens eine weitere Messgröße zu messen. Ein in der US 2002/01949908 A1 beschriebenes Ausführungsbeispiel umfasst einen dem zentralen Sensorbereich vorgeschalteten und einen dem zentralen Sensorbereich nachgeschalteten, jeweils als Drucksensor ausgebildeten weiteren Sensorbereich. Diese Variante wird dazu eingesetzt, eine Druckdifferenz zwischen einem im vorgeschalteten Sensorbereich herrschenden Druck und einem im nachgeschalteten Sensorbereich herrschenden Druck zu bestimmen, die dann dazu verwendet wird eine Viskosität des Fluids zu bestimmen.
Die als Drucksensoren ausgebildeten weiteren Sensorbereiche umfassen jeweils einen im Messbetrieb vom Fluid durchströmten Kanal, der mit dem eigentlichen Messkanal verbunden ist. Dieser Kanal umfasst eine Kanalwand, die im Messbetrieb eine vom inneren des Kanals herrschenden Druck abhängige Durchbiegung erfährt, die mittels eines elektromechanischen Wandlers, z.B. eines kapazitiven oder eines piezoelektrischen Wandlers, messtechnisch erfasst wird. Dabei weisen die zur Druckmessung genutzten Kanäle gemäß der US 2002/01949908 A1 vorzugsweise eine deutlich größere Kanalbreite auf, als der Messkanal.
Diese MEMS-Sensoren bieten den Vorteil, dass mit nur einem zu montierenden und an eine Zu- und eine Ableitung anzuschließenden MEMS-Sensor neben dem Durchfluss und der Dichte des Fluids auch dessen Viskosität bestimmt werden kann. Diese MEMS-Sensoren weisen jedoch aufgrund der für die Druckmessungen vorgesehenen zusätzlichen Sensorbereiche, deutlich größere Abmessungen auf, als MEMS-Sensoren ohne zusätzliche Drucksensoren. Darüber hinaus wirken die zusätzlichen Sensorbereiche als dem eigentlichen Messkanal vor- bzw. nachgeschaltete Strömungswiderstände, die von dem hindurchströmenden Fluid überwunden werden müssen.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung einen MEMS-Sensor zur Messung mindestens einer Messgröße eines strömenden Fluids anzugeben, der die Nachteile des vorgenannten Standes der Technik überwindet.
Hierzu umfasst die Erfindung einen MEMS-Sensor zur Messung mindestens einer Messgröße, insb. eines Durchflusses, einer Dichte und/oder einer Viskosität, eines strömenden Fluids, insb. einer Flüssigkeit oder eines Gases, mit mindestens einem Messkanal, der einen im Messbetrieb vom Fluid durchströmten eine Leitung bildenden Innenraum aufweist, der sich dadurch auszeichnet, dass

– der Messkanal mit mindestens einem Drucksensor ausgestattet ist, – der eine in einer Kanalwand des Messkanals vorgesehene, zur Leitung hin offene Ausnehmung umfasst, über die der Drucksensor mit einem in einem an die Ausnehmung angrenzenden Leitungsbereich der Leitung herrschenden Druck beaufschlagbar ist, – der eine durch ein die Ausnehmung in der Kanalwand nach außen begrenzendes Wandsegment der Kanalwand gebildete Messmembran umfasst, und
– der einen elektromechanischer Wandler umfasst, der eine vom auf die Messmembran einwirkenden Druck abhängige Durchbiegung der Messmembran messtechnisch erfasst.

Die erfindungsgemäßen MEMS-Sensoren weisen den Vorteil auf, dass die Drucksensoren unmittelbar im Messkanal integriert sind. Für die Drucksensoren wird also kein zusätzlicher Platz benötigt.
Darüber hinaus weisen die erfindungsgemäß im Messkanal integrierten Drucksensoren einen deutlich geringeren Strömungswiderstand auf, als die im Stand der Technik zur Druckmessung eingesetzten, dem Messkanal vor- oder nachgeschalteten zusätzlichen Sensorbereiche.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen MEMS-Sensoren besteht darin, dass die Drucksensoren an nahezu jeder beliebigen Stelle entlang des Messkanals angeordnet werden können, so dass auch Druckmessungen entlang des Messkanals ausgeführt werden können.
Eine bevorzugte Ausgestaltung besteht darin, dass

– die Messmembran jedes Drucksensors eine Membranstärke, insb. eine Membranstärke in der Größenordnung von 5 µm bis 25 µm, aufweist, die gleich einer Differenz einer Wandstärke eines daran angrenzenden Bereichs der Kanalwand, insb. einer Wandstärke in der Größenordnung von 10 µm bis 100 µm, insb. von 40 µm bis 60 µm, und einer Tiefe der Ausnehmung ist, und/oder
– die Messmembran jedes Drucksensors eine einer Grundfläche der jeweiligen Ausnehmung entsprechende Membranfläche aufweist, deren senkrecht zur Längsachse des Messkanals im Bereich des Drucksensors verlaufende Breite kleiner gleich, insb. gleich, einer Breite der Querschnittfläche der Leitung im Bereich des jeweiligen Drucksensors ist.

Eine erste Weiterbildung besteht darin, dass

– einer der Drucksensoren in einem mittleren Abschnitt des Messkanals, insb. in der Mitte des Messkanals, angeordnet ist und einen Druck messtechnisch erfasst, der einem mittleren Druck der entlang der Leitungslänge des Messkanals herrschenden Drücke entspricht, und
– dieser Drucksensor an eine Messschaltung angeschlossen ist, die im Messbetrieb den mittleren Druck als Messgröße bestimmt.

Eine zweite Weiterbildung besteht darin, dass

– der Messkanal einen Eingang aufweist, über den das Fluid im Messbetrieb einlassseitig in den Messkanal eintritt,
– der Messkanal einen Ausgang aufweist über den das Fluid im Messbetrieb auslassseitig aus dem Messkanal austritt,
– einer der Drucksensoren in einem dem Eingang zugewandten Abschnitt des Messkanals angeordnet ist,
– einer der Drucksensoren in einem dem Ausgang zugewandten Abschnitt des Messkanals angeordnet ist, und
– die Drucksensoren an eine Messschaltung angeschlossen sind, die im Messbetrieb einen Druckabfall entlang eines zwischen diesen beiden Drucksensoren befindlichen Kanalsegments des Messkanals als Messgröße bestimmt, und/oder die einen mittleren Druck als Messgröße bestimmt, der einem Mittelwert der mit diesen beiden Drucksensoren gemessenen Drücken entspricht.

Eine dritte Weiterbildung besteht darin, dass

– die Drucksensoren mindestens ein durch zwei entlang des Messkanals voneinander beabstandete Drucksensoren gebildetes Drucksensorpaar umfassen,
– eine an diese Drucksensoren angeschlossene Messschaltung vorgesehen ist, und
– die Messschaltung derart ausgebildet ist, dass sie anhand der mit den Drucksensoren mindestens eines Drucksensorpaares gemessenen Drücken einen Druckabfall entlang eines zwischen den Drucksensoren des jeweiligen Drucksensorpaares befindlichen Kanalsegments des Messkanals als Messgröße bestimmt.

Eine Weiterbildung der dritten Weiterbildung besteht darin, dass

– die Messschaltung derart ausgebildet ist, dass sie im Messbetrieb anhand mindestens einem von ihr bestimmten Druckabfall bei bekanntem Massendurchfluss eine Viskosität des Fluids als Messgröße bestimmt, oder
– die Messschaltung derart ausgestaltet ist, dass sie im Messbetrieb anhand mindestens einem von ihr bestimmten Druckabfall bei bekannter Viskosität des Fluids einen Massendurchfluss als Messgröße bestimmt.

Eine vierte Weiterbildung besteht darin, dass

– mindestens ein Messkanal mindestens einen zu Schwingungen in einer Schwingungsebene anregbaren Kanalabschnitt umfasst,
– eine Erregereinrichtung vorgesehen ist, durch die der Kanalabschnitt in Schwingungen in der Schwingungsebene versetzbar ist, und
– eine Sensoreinrichtung vorgesehen ist, die im Messbetrieb mindestens eine von einer Eigenschaft, insb. einem Massendurchfluss oder einer Dichte, des durch den Messkanal hindurch strömenden Fluids abhängige Eigenschaft der Schwingungen messtechnisch erfasst, und
– eine an die Sensoreinrichtung angeschlossene Messschaltung vorgesehen ist, die anhand mindestens einer von der Sensoreinrichtung erfassten Eigenschaft der Schwingungen die zugehörige Eigenschaft des durch den Messkanal hindurch strömenden Fluids als Messgröße bestimmt.

Eine Weiterbildung eines MEMS-Sensor gemäß der dritten und der vierten Weiterbildung sieht vor, dass

– die Sensoreinrichtung eine vom Massendurchfluss durch den Messkanal abhängige Eigenschaft der Schwingung messtechnisch erfasst,
– die Messschaltung im Messbetrieb – anhand der mittels der Sensoreinrichtung messtechnisch erfassten vom Massendurchfluss durch den Messkanal abhängige Eigenschaft der Schwingungen den Massendurchfluss als Messgröße bestimmt, und – anhand mindestens einem von ihr bestimmten Druckabfall und dem von ihr bestimmten Massendurchfluss die Viskosität des Fluids als Messgröße bestimmt.

Eine Weiterbildung der letztgenannten Weiterbildung sieht vor, dass

– die Erregereinrichtung den Kanalabschnitt zu Schwingungen bei einer von der Dichte des Fluids abhängigen Resonanzfrequenz anregt,
– die Sensoreinrichtung die Resonanzfrequenz messtechnisch erfasst, und
– die Messschaltung entweder derart ausgebildet ist, dass sie die Resonanzfrequenz bestimmt, anhand der Resonanzfrequenz und einer zumindest näherungsweise vorbekannten Viskosität des Fluids eine Dichte des Fluids bestimmt, diese Dichte anhand der von ihr bestimmten Viskosität korrigiert und die korrigierte Dichte als Messgröße bestimmt, oder
– die Messschaltung derart ausgebildet ist, dass sie die Resonanzfrequenz bestimmt und anhand der Resonanzfrequenz und der von ihr bestimmten Viskosität die Dichte des Fluids als Messgröße bestimmt.

Eine Weiterbildung eines MEMS-Sensor gemäß der ersten und der vierten Weiterbildung oder gemäß der gemäß der zweiten und der vierten Weiterbildung sieht vor, dass

– die Erregereinrichtung derart ausgebildet ist, dass sie den Kanalabschnitt zu Schwingungen bei einer von der Dichte des Fluids abhängigen Resonanzfrequenz anregt,
– die Sensoreinrichtung die Resonanzfrequenz messtechnisch erfasst, und
– die Messschaltung die Resonanzfrequenz bestimmt und anhand der Resonanzfrequenz eine Dichte des Fluids als bei dem von ihr bestimmten mittleren Druck bestimmte Messgröße bestimmt.

Eine Weiterbildung eines MEMS-Sensor gemäß der vierten Weiterbildung sieht vor, dass die Messmembranen der Drucksensoren durch Kanalwandsegmente einer parallel zur Schwingungsebene verlaufenden Kanalwand gebildet sind.
Eine Weiterbildung eines MEMS-Sensor gemäß der vierten Weiterbildung oder der letztgenannten Weiterbildung sieht vor, dass eine senkrecht zur Schwingungsebene verlaufende Höhe des Messkanals größer als eine parallel zur Schwingungsebene ausgerichteten Breite des Messkanals ist.
Ein weitere Weiterbildung erfindungsgemäßer MEMS-Sensoren ist dadurch gegeben, dass der elektromechanische Wandler jedes Drucksensors ein piezoresistiver Wandler ist, der auf einer Außenseite seiner Messmembran angeordnete piezoresistive Elemente aufweist, und der über Leiterbahnen an eine Messschaltung angeschlossen ist, die auf der die Messmembran umfassenden Kanalwand des Messkanals angeordnet sind.
Ein weitere Weiterbildung erfindungsgemäßer MEMS-Sensoren ist dadurch gegeben, dass

– der Messkanal in einem evakuierten Gehäuse angeordnet ist und jeder Drucksensor den von ihm messtechnisch erfassten Druck als auf einen Vakuumdruck im Inneren des Gehäuses bezogenen Absolutdruck erfasst, oder
– die Außenseite der Messmembran jedes Drucksensors einem Referenzdruck ausgesetzt ist und jeder Drucksensor den von ihm messtechnisch erfassten Druck als auf den Referenzdruck bezogenen Relativdruck erfasst.

Ein weitere Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass

– die Außenseite der Messmembran jedes Drucksensor einem Referenzdruck ausgesetzt ist und jeder Drucksensor den von ihm messtechnisch erfassten Druck als auf den Referenzdruck bezogenen Relativdruck erfasst, und
– jeder Drucksensor und ein dem Referenzdruck ausgesetzter Absolutdrucksensor an eine Messschaltung angeschlossen sind, die die Relativdrücke anhand des mit Absolutdrucksensor gemessenen Referenzdrucks in Absolutdrücke umrechnet.

Die Erfindung und weitere Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, näher erläutert; gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt: eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen MEMS-Sensor;
2 zeigt: eine Schnittzeichnung des MEMS-Sensors von 1;
3 zeigt: einen Schnittzeichnung eines mit einem Drucksensor ausgestatteten Bereichs des Messkanals des MEMS-Sensors von 1; und
4 zeigt: eine Draufsicht auf den in 3 im Schnitt dargestellten Bereich.
Die Erfindung ist in MEMS-Sensoren zur Messung mindestens einer Messgröße, insb. eines Durchflusses, einer Dichte und/oder einer Viskosität, eines strömenden Fluids einsetzbar, die mindestens einen im Messbetrieb von einem Fluid, insb. einem Gas oder einer Flüssigkeit, durchströmten Messkanal aufweisen.
1 zeigt eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen MEMS-Sensors. 2 zeigt den in 1 dargestellten Sensor in der in 1 eingezeichneten Schnittebene A-A'.
Das hier dargestellte Ausführungsbeispiel umfasst einen einzigen in der Draufsicht u-förmigen Messkanal 1. Die Erfindung ist aber völlig analog in Verbindung mit MEMS-Sensoren einsetzbar, die zwei oder mehr Messkanäle aufweisen. Dabei können die einzelnen Messkanäle unabhängig voneinander durchströmt werden oder aber in Strömungsrichtung parallel zu einander oder in Serie hintereinander angeordnet sein. Genauso ist sie völlig analog in Verbindung mit MEMS-Sensoren mit Messkanälen mit einer anderen, als der hier nur als Beispiel dargestellten u-förmigen Form einsetzbar. Als Beispiel seien hier zwei oder mehr gerade Messkanäle, sowie einen oder mehr Messkanäle mit in der Draufsicht v- oder -förmiger Formgebung aufweisende MEMS-Sensoren genannt.
Erfindungsgemäße MEMS-Sensoren zeichnen sich dadurch aus, dass sie mindestens einen Messkanal 1 aufweisen, der mit mindestens einem Drucksensor 3 ausgestattet ist. 3 zeigt hierzu eine Schnittzeichnung des Messkanals 1 von 1 im Bereich eines der drei in 1 dargestellten Drucksensoren 3.
Der Messkanal 1 weist einen Innenraum auf, der eine im Messbetrieb vom Fluid durchströmte Leitung 5 bildet. Die Leitung 5 weist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel in einer hier durch Pfeile dargestellten Strömungsrichtung eine im Wesentlichen rechteckförmigen Querschnittsfläche auf, die außenseitlich von vier den Messkanal 1 bildenden Kanalwänden 7 umgeben ist.
Der Messkanal 1 weist vorzugsweise eine Breite B von mindestens einem, vorzugsweise von mehreren 100 µm und eine Höhe H von mindestens einem, vorzugsweise von mehreren 100 µm auf. Die Kanalwände 7 bestehen z.B. aus Silizium, und weisen eine Wandstärke in der Größenordnung von 10 µm bis 100 µm auf. Vorzugsweise liegt die Wandstärke im Bereich von 40 µm bis 60 µm.
Die Leitung 5 wird über einen Eingang 9 des Messkanals 1 gespeist, über den das Fluid im Messbetrieb einlassseitig in den Messkanal 1 eintritt. Zusätzlich weist der Messkanal 1 einen Ausgang 11 auf, über den das eingangsseitig in die Leitung 5 eintretende Fluid nach dem durchströmen der Leitung 5 ausgangsseitig aus dem Messkanal 1 austritt.
Der hier als Beispiel dargestellte Messkanal 1 ist mit drei Drucksensoren 3 ausgestattet, von denen ein erster in einem dem Eingang 9 des Messkanals 1 zugewandten Abschnitt des Messkanals 1 angeordnet ist, ein zweiter in einem mittleren Bereich, vorzugsweise in der Mitte, des Messkanals 1 angeordnet ist, und ein dritter in einem dem Ausgang 11 zugewandten Abschnitt des Messkanals 1 angeordnet ist.
Die im Messkanal 1 integrierten Drucksensoren 3 umfassen jeweils eine in einer der vier Kanalwände 7 des Messkanals 1 vorgesehene, zur Leitung 5 hin offene Ausnehmung 13, die nach außen durch ein verbleibendes Kanalwandsegment abgeschlossen ist. Die verbleibenden Kanalwandsegmente bilden jeweils eine Messmembran 15 des jeweiligen Drucksensors 3.
Im Messbetrieb werden die Messmembranen 15 der Drucksensoren 3 über die jeweils daran angrenzende, zur Leitung 5 hin offene Ausnehmung 13 mit dem in der Leitung 5 in der Umgebung der jeweiligen Ausnehmung 13 herrschenden
Druck beaufschlagt. Die Messmembranen 15 weisen eine in Abhängigkeit vom darauf einwirkenden Druck auslenkbare Membranfläche auf, die im Wesentlichen gleich der Grundfläche der zugehörigen Ausnehmung 13 ist. Die Membranflächen sind vorzugsweise quadratisch, und weisen senkrecht zur Längsachse des Messkanals 1 eine Breite auf, die kleiner gleich der Breite b der Querschnittsfläche der Leitung 5 im Bereich des Drucksensors 3 ist. Zur Erzielung einer möglichst großen Membranfläche erstreckt sich die Messmembran 15 vorzugsweise über die gesamte Breite b der Leitung 5. Hierzu wird die Breite der Ausnehmung 13 derart bemessen, dass sie gleich der Breite b der Leitung 5 ist.
Die Messmembranen 15 weisen eine Membranstärke auf, die der Rest-Wandstärke des die jeweilige Ausnehmung 13 in der Kanalwand 7 nach außen begrenzenden Wandsegments der Kanalwand 7 entspricht. Die Membranstärke entspricht der Differenz der Wandstärke der Kanalwand 7 in der Umgebung der jeweiligen Ausnehmung 13 und der Tiefe der jeweiligen Ausnehmung 13. Die Membranstärke ist geringer als die Wandstärke der Kanalwand 7, wobei das Verhältnis von Wandstärke zu Membranstärke vorzugsweise größer gleich 2 ist. Zusätzlich ist die Membranstärke vorzugsweise deutlich kleiner als die Seitenlängen der Messmembran 15. Die Membranstärke wird in Abhängigkeit von einer durch einen darauf einwirkenden Druck auslenkbaren Membranfläche der Messmembran 15 und einem Druckmessbereich der vom jeweiligen Drucksensor 3 zu messenden Drücke vorzugsweise derart vorgeben, dass sie einerseits groß genug ist, um eine für die Anwendung ausreichende Berstfestigkeit des Drucksensors 3 sicher zu stellen, und andererseits klein genug ist, um eine möglichst hohe, vom Verhältnis der Seitenlängen der Messmembran 15 zur Membranstärke abhängige Messempfindlichkeit zu erzielen. Die Membranstärke liegt je nach Größe der Membranfläche und des Druckmessbereichs vorzugsweise im Bereich von 5 µm bis 25 µm. Hierdurch wird erreicht, dass ein auf die jeweilige Messmembran 15 einwirkender Druck auch dann noch eine messtechnisch erfassbare von diesem Druck abhängige Durchbiegung der jeweiligen Messmembran 15 bewirkt, wenn diese eine vergleichsweise geringe auslenkbare Membranfläche aufweist.
Jeder Drucksensor 3 umfasst einen elektromechanischen Wandler, der dazu dient die vom zu messenden Druck abhängigen Durchbiegung der jeweiligen Messmembran 15 messtechnisch zu erfassen und in ein dem jeweiligen Druck entsprechendes elektrisches Signal umzuwandeln. Als elektromechanische Wandler können aus der Druckmesstechnik bekannte Wandlertypen eingesetzt werden. Ein Beispiel hierzu sind kapazitive Wandler. In dem Fall besteht die die Messmembranen 15 umfassende Kanalwand 7 vorzugsweise aus einem leitfähigen Material, insb. positiv oder negativ dotiertem Silizium. Das bietet den Vorteil, dass die Messmembranen 15 unmittelbar als Elektroden eingesetzt werden können, die zusammen mit einer von der Messmembran 15 beabstandet anzuordnenden starren Gegenelektrode einen Kondensator mit einer vom zu messenden Druck p abhängigen Kapazität bilden. Anstelle einer leitfähigen und damit unmittelbar als Elektrode nutzbaren Messmembran 15 kann alternativ auch eine auf die Messmembran 15 aufgebrachte leitfähige Beschichtung, z.B. eine Metallisierung, als Elektrode des kapazitiven Wandlers eingesetzt werden.
In einer derzeit bevorzugten Ausführungsform sind die Wandler piezoresisitive Wandler, die auf der von der Ausnehmung 13 abgewandten Außenseite der Messemembran 15 angeordnete piezoresistive Elemente 17 umfassen. 4 zeigt hierzu eine Draufsicht auf die die Messmembran 15 umfassende obere Kanalwand 7 des in 3 im Schnitt dargestellten Bereichs des Messkanals 1. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst der Wandler vier piezoresistive Elemente 17, die über einen äußeren Randbereich der in 4 als gestricheltes Quadrat eingezeichneten Messmembran 15 verteilt angeordnet sind. Die Elemente 17 sind beispielsweise zu einer Wheatstone-Brücke verschaltet und an eine Messschaltung 19 angeschlossen, die anhand eines über die Wheatstone-Brücke abgeleiteten, von der Durchbiegung der Messmembran 15 abhängigen Messsignals den zu messenden Druck bestimmt.
Die Verschaltung der piezoresistiven Elemente 17, sowie deren elektrischer Anschluss an die Messschaltung 19 erfolgt vorzugsweise über auf die Außenseite der Kanalwand 7 aufgebrachte Leiterbahnen 21. Die Leiterbahnen 21 können z.B. als Metallisierung auf die Außenseite aufgebrachte Leiterbahnen 21 sein. Besteht die Kanalwand 7 aus einem elektrisch leitfähigen Material, z.B. aus leitfähigem dotiertem Silizium, so wird auf der Außenseite der Kanalwand 7 vorzugsweise eine Isolationsschicht 23, z.B. eine Siliziumdioxidschicht, vorgesehen, auf der die piezoresistiven Elemente 17 und die Leiterbahnen 21 angeordnet sind. Der Anschluss des Wandlers über auf der Kanalwand 7 aufgebrachte Leiterbahnen 21 bietet den Vorteil, dass die Leiterbahnen 21 auf der Kanalwand 7 an nahezu jeden beliebigen Zielort entlang des Messkanals 1 geführt werden können, wo sie dann an die Messschaltung 19 angeschlossen werden können.
Mit den erfindungsgemäßen Drucksensoren 3 können die zu messenden Drücke als Absolut- oder als Relativdrücke gemessen werden. Um die zu messenden Drücke absolut, also bezogen auf einen Vakuumdruck, zu messen, wird der die Drucksensoren 3 enthaltende Messkanal 1 in ein, in 2 schematisch dargestelltes Gehäuse 25 eingebracht, dessen den Messkanal 1 umgebender Innenraum evakuiert ist. Um die zu messenden Drücke relativ, also bezogen auf einen Referenzdruck, wie z.B. den Umgebungsdruck in der Umgebung des MEMS-Sensors, zu messen, werden die Außenseiten der Messmembranen 15 mit dem Referenzdruck beaufschlagt. In dem Fall kann anstelle des evakuierten Gehäuses 25 entweder ein zur Umgebung hin offenes Gehäuse eingesetzt werden oder sogar ganz auf ein Gehäuse verzichtet werden.
Sofern die Umgebung des Messkanals 1 z.B. aufgrund sonstiger Anforderungen an den MEMS-Sensor nicht evakuiert werden kann oder soll, kann mit den erfindungsgemäßen Drucksensoren 3 nur eine Relativdruckmessung vorgenommen werden. In dem Fall besteht jedoch die Möglichkeit an einem vom Messkanal 1 beabstandeten Ort innerhalb oder außerhalb des MEMS-Sensor bzw. dessen Gehäuses 25, an dem mehr Platz zur Verfügung steht, einen zusätzlichen ebenfalls an die Messschaltung 19 angeschlossenen Absolutdrucksensor 27 vorzusehen, mit dem der Referenzdruck als Absolutdruck gemessen wird. Bei dieser Variante ist die Messschaltung 19 vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie die mit den im Messkanal 1 integrierten Drucksensoren 3 als Relativdrücke gemessenen Drücke anhand des vom Absolutdrucksensor 27 als Absolutdruck gemessenen Referenzdrucks in entsprechende Absolutdrücke umrechnet.
Die erfindungsgemäß in den Messkanal 1 integrierten Drucksensoren 3 ermöglichen es Drücke im Inneren des Messkanals 1 zu bestimmen. Aufgrund der Integration der Drucksensoren 3 in den Messkanal 1 und der geringen Größe der Ausnehmungen 13 sind die Auswirkungen der Druckmessungen auf die Strömung des Fluids durch den Messkanal 1 vernachlässigbar gering. Im Unterschied zum Stand der Technik werden keine zusätzlichen dem eigentlichen Messkanal vor- und/oder nachgeschaltete mit einem Drucksensor ausgestatteten Sensorbereiche benötigt. Darüber hinaus können Drücke im Inneren des Messkanals 1 über eine entsprechende Anzahl und Positionierung der Drucksensoren 3 genau an den Orten entlang des Messkanals 1 gemessen werden, wo sie, insb. im Hinblick auf die sonstigen Funktionen und/oder Verwendungszwecke des MEMS-Sensors benötigt werden und/oder vorteilhaft sind.
Der Druck im Inneren des Messkanal 1 fällt ausgehend von einem eingangsseitig herrschenden Eingangsdruck über die gesamte Länge des Messkanals 1 stetig auf einen ausgangsseitig herrschenden Ausgangsdruck ab.
Entsprechend wird mit dem im mittleren Bereich des Messkanals 1, vorzugsweise in dessen Mitte, angeordneten Drucksensor 3 ein Druck messtechnisch erfasst, der einem mittleren Druck der entlang der Leitungslänge des Messkanals 1 herrschenden Drücke entspricht. Dieser mittlere Druck wird vorzugsweise mittels der Messschaltung 19 bestimmt, und von dieser als Messgröße angezeigt, ausgegeben und/ oder zur weiteren Auswertung, Nutzung und/oder Verarbeitung zur Verfügung gestellt.
Alternativ oder zusätzlich hierzu kann ein solcher mittlerer Druck als Mittelwert des mit dem eingangsseitig angeordneten Drucksensor 3 messtechnisch erfassten Eingangsdrucks und des mit dem ausgangsseitig angeordneten Drucksensor 3 messtechnisch erfassten Ausgangsdrucks mittels der Messschaltung 19 als Messgröße bestimmt und von dieser angezeigt, ausgegeben und/ oder zur weiteren Auswertung, Nutzung und/oder Verarbeitung zur Verfügung gestellt.
Alternativ oder zusätzlich hierzu kann anhand der von jeweils zwei voneinander beabstandeten, entlang des Messkanals 1 angeordneten Drucksensoren 3 messtechnisch erfassten Drücken mittels der Messschaltung 19 ein Druckabfall entlang eines zwischen den beiden Drucksensoren 3 des Drucksensorpaares befindlichen Kanalabschnitts als Messgröße bestimmt und von der Messschaltung 19 angezeigt, ausgegeben und/ oder zur weiteren Auswertung, Nutzung und/oder Verarbeitung zur Verfügung gestellt werden.
So kann beispielsweise anhand des mit dem eingangsseitig angeordneten Drucksensors 3 messtechnisch erfassten Eingangsdrucks und des mit dem ausgangsseitig angeordneten Drucksensors 3 messtechnisch erfassten Ausgangsdrucks mittels der Messschaltung 19 ein Druckabfall entlang der gesamten Länge des Messkanals 1 mittels der Messschaltung 19 als Messgröße bestimmt, und von dieser angezeigt, ausgegeben und/ oder zur weiteren Auswertung, Nutzung und/oder Verarbeitung zur Verfügung gestellt werden.
Alternativ oder zusätzlich hierzu kann anhand des mit dem eingangsseitig angeordneten Drucksensor 3 messtechnisch erfassten Eingangsdrucks und des im mittleren Bereich des Messkanals 1 angeordneten Drucksensors 3 messtechnisch erfassten mittleren Drucks und/oder anhand des im mittleren Bereich des Messkanals 1 angeordneten Drucksensors 3 messtechnisch erfassten mittleren Drucks und des mit dem ausgangsseitig angeordneten Drucksensors 3 messtechnisch erfassten Ausgangsdrucks mittels der Messschaltung 19 ein zwischen dem jeweiligen Drucksensorpaar abfallender Druckabfall als Messgröße bestimmt, und von dieser angezeigt, ausgegeben und/ oder zur weiteren Auswertung, Nutzung und/oder Verarbeitung zur Verfügung gestellt werden.
Jeder dieser Druckabfälle entspricht der Differenz der mit den beiden Drucksensoren 3 des jeweiligen Sensorpaars gemessenen Drücke und ist gemäß dem für laminiare Strömungen newtonscher Fluide geltenden Gesetz von Hagen-Poiseuille abhängig vom Abstand x zwischen den beiden Drucksensoren 3, der Höhe h der Leitung 5, der Breite b der Leitung 5, und dem Produkt von Massendurchfluss F_m und kinematischer Viskosität des durch den Messkanal 1 hindurch strömenden Fluids. Abstand x, Höhe h und Breite b sind bekannte konstante Größen. Entsprechend kann jeder dieser Druckabfälle bei bekannter kinematischer Viskosität des Fluids dazu verwendet werden, als weitere Messgröße den Massendurchfluss F_m durch den Messkanal 1 bzw. den zwischen den beiden Drucksensoren 3 eingeschlossenen Kanalabschnitt zu bestimmen.
Alternativ kann jeder der Druckabfälle bei bekanntem Massedurchfluss F_m dazu verwendet werden, als weitere Messgröße die kinematischer Viskosität des Fluids zu bestimmen.
Die erfindungsgemäß in den Messkanal 1 integrierten Drucksensoren 3 können an nahezu jeder beliebigen Stelle entlang des Messkanals 1 eingesetzt werden.
Wird die Erfindung in Verbindung mit einem MEMS-Sensor mit mindestens einem starren mit einem Drucksensor ausgestatten Messkanal genutzt, so weist dieser vorzugsweise eine quadratische Querschnittsfläche auf. Ein solcher Messkanal kann zum Beispiel eine Breite B von 300 µm, eine Höhe H von 300 µm und eine Wandstärke von 60 µm aufweisen. Für dieses Bemessungsbeispiel ergibt sich eine durchströmte Querschnittsfläche der Leitung 5 mit einer Breite b von 180 µm und einer Höhe h von 180 µm. Bei diesem Bemessungsbeispiel weisen die Messmembranen 15 eine vorzugsweise quadratische Membranfläche, z.B. eine Membranfläche von 180 µm × 180 µm, auf. Dabei weist die Messmembran 15 eine Berstfestigkeit auf, die deutlich über der Berstfestigkeit von zur Herstellung von MEMS-Sensoren üblicher Weise eingesetzten Bondverbindungen. Dabei ergibt sich für eine Messmembran 15 aus reinem Silizium mit perfekter Kristallstruktur theoretisch bei einer Membranfläche von 180 µm × 180 µm und einer Membranstärke von 5 µm eine Berstfestigkeit gegenüber darauf einwirkenden Drücken von bis zu 150 bar und bei einer Membranfläche von 180 µm × 180 µm und einer Membranstärke von 25 µm eine Berstfestigkeit gegenüber darauf einwirkenden Drücken von bis zu 3300 bar. Demgegenüber liegt die Berstfestigkeit von Bondverbindungen in der Regel in der Größenordnung von 100 bar.
Die Messempfindlichkeit der Drucksensoren 3 ist abhängig von der Membranstärke. Als Beispiel seien hier mit den oben beschriebenen elektromechanischen Wandlern mit zu einer Wheatstone-Brücke verschalteten piezoresistiven Elementen ausgestattete Drucksensoren 3 genannt. Bei diesen Drucksensoren 3 ist die Messempfindlichkeit z.B. durch eine vom auf die Messmembran 15 einwirkenden Druck abhängige Änderung einer über die Wheatstone-Brücke abfallenden Brückenspannung gegeben. Diese Messempfindlichkeit liegt bei einer Messmembran 15 mit einer Membranfläche von 180 µm × 180 µm und einer Membranstärke von 5 µm in der Größenordnung von 0,6 µV/Pa und bei einer Membranfläche von 180 µm × 180 µm und einer Membranstärke von 25 µm in der Größenordnung von 0,02 µV/Pa.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf MEMS-Sensoren mit starren Messkanälen beschränkt. Sie ist völlig analog auch in Verbindung mit MEMS-Sensoren einsetzbar, die mindestens einen Messkanal aufweisen, der mindestens einen zu Schwingungen in einer Schwingungsebene anregbaren Kanalabschnitt aufweisen. Letzteres ist bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel der Fall. Der hier als Beispiel dargestellte u-förmige Messkanal 1 umfasst zwei parallel zueinander angeordnete voneinander beabstandete Kanalsegmente 29 und ein die beiden parallelen Kanalsegmente 29 miteinander verbindendes Kanalsegment 31.
Der Messkanal 1 ist auf zwei auf einem Träger 33 angeordneten Stützkörpern 35, 37 angeordnet. Der erste Stützkörper 35 trägt die den Eingang 7 bzw. den Ausgang 11 umfassenden, unverbundenen Enden der beiden parallelen Kanalsegmente 29. Der zweite Stützkörper 37 ist in Längsrichtung der parallelen Kanalsegmente 29 vom ersten Stützkörper 35 beabstandet, und trägt einen dem die beiden parallelen Kanalsegmente 29 miteinander verbindenden Kanalsegment 31 zugewandten Bereich der beiden parallelen Kanalsegmente 29.
Der Träger 33 umfasst einen Einlass 39, der über einen durch den ersten Stützkörper 35 verlaufenden Anschluss 41 mit dem Eingang 9 des Messkanals 1 verbunden ist. Zusätzlich umfasst der Träger 33 einen vorzugsweise identisch zum Einlass 39 ausgebildeten Auslass, der über einen durch den ersten Stützkörper 35 verlaufenden, vorzugsweise identisch zum einlassseitig vorgesehenen Anschluss 41 ausgebildeten Anschluss mit dem Ausgang 11 des Messkanals 1 verbunden ist.
Jedes der beiden parallel verlaufenden Kanalsegmente 29 umfasst jeweils einen zwischen den beiden Stützkörpern 35, 37 frei liegenden Kanalabschnitt 43, der mittels einer hier nur schematisch dargestellten Erregereinrichtung E in Schwingungen in einer durch die in 1 durch die Koordinaten x und y angezeigten Schwingungsebene versetzt werden kann. Die Erregereinrichtung E ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie die beiden Kanalabschnitte 43 in gegenphasige, in 4 durch Doppelpfeile dargestellte Schwingungen senkrecht zur Längsachse der parallelen Kanalabschnitte 43 versetzt. Zur Schwingungsanregung können in der Erregereinrichtung E Antriebe, wie z.B. elektrostatische, piezoelektrische oder magnetische Antriebe, eingesetzt werden, durch die die Erregereinrichtung E die Kanalabschnitte 43 in Schwingungen versetzt. Entsprechende Antriebe sind dem Fachmann bekannt, und daher hier nicht im Detail beschrieben.
Wird der Messkanal 1 im Messbetrieb vom Fluid durchströmt, so bildet der Messkanal 1 zusammen mit dem hindurch strömenden Fluid ein Schwingungssystem, indem aufgrund der Schwingung Corioliskräfte entstehen, die sich auf die resultierende Schwingungsform des Messkanals 1 auswirken.
Der MEMS-Sensor umfasst eine – hier nur schematisch dargestellte – an die Messschaltung 19 angeschlossene Sensoreinrichtung S, die dazu dient, im Messbetrieb mindestens eine von einer Eigenschaft, insb. einem Massendurchfluss F_m oder einer Dichte, des durch den Messkanal 1 hindurch strömenden Fluids, abhängige Eigenschaft der resultierenden Schwingungen messtechnisch zu erfassen. Hierzu kann die Sensoreinrichtung S aus dem Stand der Technik bekannte hierzu geeignete Sensoren S1, S2 z.B. kapazitive, piezoelektrische oder magnetische Sensoren umfassen. Entsprechende Sensoren S1, S2 sind aus dem Stand der Technik bekannt und daher hier nicht im Detail beschrieben.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist für jeden in Schwingung versetzbaren Kanalabschnitt 43 jeweils ein einlassseitig am jeweiligen Kanalabschnitt 43 angeordneter Schwingungssensor S1 und ein auslassseitig am jeweiligen Kanalabschnitt 43 angeordneter Schwingungssensor S2 vorgesehen. Die Sensoren S1, S2 dienen dazu, die Schwingungen des jeweiligen Kanalabschnitts 43 im Bereich des jeweiligen Sensors S1, S2 messtechnisch zu erfassen. Die jeweils von den jeweils einem der beiden Kanalabschnitte 43 zugeordneten Sensoren S1 und S2 erfassten Schwingungen weisen übereinstimmende, der resultierenden Schwingungsform des jeweiligen Kanalabschnitts 43 entsprechende Frequenzen auf. Sie sind jedoch um eine vom Massendurchfluss F_m durch den jeweiligen Kanalabschnitt 43 abhängige Phasenverschiebung gegen einander phasenverschoben.
Die Messschaltung 19 ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie für mindestens einen der beiden Kanalabschnitte 29 anhand der von den zugehörigen Sensoren S1 und S2 erfassten Schwingungen die vom Massendurchfluss F_m durch den Messkanal 1 abhängige Phasenverschiebung zwischen den sich an den Orten der beiden Schwingungssensoren S1 , S2 ausbildenden Schwingungen bestimmt und hieraus den Massendurchfluss F_m als Messgröße bestimmt, die sie dann anzeigt, ausgibt und/oder zu einer weiteren Auswertung und/oder Verarbeitung zur Verfügung stellt.
Vorzugsweise wird der auf diese Weise gemessene Massendurchfluss F_m von der Messschaltung 19 dazu verwendet, um anhand der oben beschriebenen Messung des Druckabfalls zwischen zwei der Drucksensoren 3 auf die oben beschriebene Weise die Viskosität des Fluids als Messgröße zu bestimmen, die sie dann anzeigt, ausgibt und/oder zu einer weiteren Auswertung und/oder Verarbeitung zur Verfügung stellt.
Vorzugsweise werden die Kanalabschnitte 43 im Messbetrieb mittels der Erregereinrichtung E zu Schwingungen bei einer Resonanzfrequenz anregt. Die Resonanzfrequenz ist abhängig von der Dichte des strömenden Fluids. In dem Fall ist die an die Sensoreinrichtung S angeschlossenen Messschaltung 19 vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie für mindestens einen der beiden Kanalabschnitte 43 anhand der von den zugehörigen Sensoren S1 und S2 erfassten Schwingungen die von der Dichte des Fluids abhängige Resonanzfrequenz bestimmt und hieraus die Dichte des Fluids als Messgröße ermittelt, die sie dann anzeigt, ausgibt und/oder zu einer weiteren Auswertung und/oder Verarbeitung zur Verfügung stellt.
Vorzugsweise wird zusätzlich zu der Dichtemessung auf mindestens eine der oben beschriebenen Weisen der mittlere Druck im Messkanal 1 bestimmt, bei dem die gemessene Dichte bestimmt wurde. Das ist insb. bei gasförmigen Fluiden relevant, da die Dichte von Gasen in hohem Maße druckabhängig ist. In dem Fall wird sowohl die Dichte als auch der mittlere Druck mittels der Messschaltung 19 als Messgröße bestimmt und die Dichte als bei dem mittleren Druck bestimmte Messgröße angezeigt, ausgeben und/oder zur Auswertung und/oder zur weiten Verarbeitung zur Verfügung gestellt.
Die gemessenen Resonanzfrequenzen sind nicht nur abhängig von der Dichte des Fluids, sondern auch von dessen Viskosität. Dabei kann die Dichtemessung grundsätzlich unter Berücksichtigung einer zumindest näherungsweise vorbekannten Viskosität des Fluids ausgeführt werden. Die erzielbare Messgenauigkeit der Dichtemessung kann jedoch deutlich verbessert werden, indem die Bestimmung der Dichte unter Verwendung der auf die oben beschriebene Weise mit dem MEMS-Sensor gemessenen Viskosität erfolgt, oder indem die unter Berücksichtigung einer zumindest näherungsweise vorbekannten Viskosität des Fluids ausgeführte Dichtemessung anhand der auf die oben beschriebene Weise mit dem MEMS-Sensor gemessenen Viskosität korrigiert wird.
Die erfindungsgemäßen Drucksensoren können grundsätzlich auch in MEMS-Sensoren mit Messkanälen mit in einer Schwingungsebene zu Schwingungen anregbaren Kanalabschnitten, an nahezu jeder beliebigen Position entlang des Messkanals vorgesehen werden. Bei diesen MEMS-Sensoren werden Messkanal und Erregereinrichtung vorzugsweise derart ausgebildet, dass die Schwingungen aller zu Schwingungen anregbaren Kanalabschnitte alle in einer allen Schwingungen gemeinsamen Schwingungsebene liegen. Zusätzlich werden vorzugsweise Maßnahmen ergriffen, die bewirken, dass der Messkanal nach Möglichkeit keinerlei senkrecht zu dieser Schwingungsebene verlaufenden Bewegungen ausführt. Ein Beispiel einer solchen Maßnahme besteht darin, die Messkanäle derart auszubilden, dass deren senkrecht zur Schwingungsebene verlaufende Höhe H größer als deren parallel zur Schwingungsebene ausgerichteten Breite B ist. So kann der hier dargestellte Messkanal 1 zum Beispiel bei einer parallel zur Schwingungsebene ausgerichteten Breite B in der Größenordnung von 150 µm eine senkrecht zur Schwingungsebene verlaufende Höhe H in der Größenordnung von 300 µm aufweisen.
Zusätzlich werden die Drucksensoren 3 vorzugsweise in einer parallel zur Schwingungsebene verlaufenden Kanalwand 7 angeordnet. Durch die parallele Ausrichtung der Membranebenen 15 zur Schwingungsebene wird erreicht, dass die Messmembranen 15 je nach Position des Drucksensors 3 entlang des Messkanals 1 allenfalls parallel zur Membranebene bewegt werden. Die Messmembranen 15 weisen gegenüber parallel zur Membranebene erfolgenden Bewegungen eine hohe Steifigkeit auf, so dass parallel zur Membranebene verlaufende Bewegungen praktisch keine Auswirkungen auf die Messgenauigkeit der Drucksensoren 3 haben.
In dem Fall weisen die Messmembranen 15 bei einer Breite B des Messkanals 1 von 150 µm und einer Wandstärke von 60 µm vorzugsweise eine Membranfläche von 30 µm × 30 µm auf. Hierbei bietet die mit einer geringen Membranfläche einhergehende hohe Berstfestigkeit den Vorteil, dass geringere Membranstärken verwendet werden können. Dabei ergibt sich für eine Messmembran 15 aus reinem Silizium mit perfekter Kristallstruktur theoretisch bei einer Membranfläche von 30 µm × 30 µm bereits bei einer Membranstärke von 5 µm eine Berstfestigkeit der Messmembran 15 gegenüber darauf einwirkenden Drücken von bis zu 5000 bar. Dabei liegt die durch die vom auf die Messmembran 15 einwirkenden Druck abhängige Änderung der über die Wheatstone-Brücke abfallenden Brückenspannung gegebene Messempfindlichkeit bei einer Membranfläche von 30 µm × 30 µm und einer Membranstärke von 5 µm in der Größenordnung von 0,02 µV/Pa.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Messgrößen und die zu deren Messung eingesetzten Messprinzipien beschränkt. Sie kann völlig analog auch in Verbindung mit anderen aus dem Stand der Technik bekannten MEMS-Sensoren eingesetzt werden, die mindestens einen im Messbetrieb von einem Fluid durchströmten Messkanal aufweisen, und andere Messprinzipien verwenden und/oder andere Messgrößen messtechnisch erfassen.
Bezugszeichenliste

1: Messkanal
3: Drucksensor
5: Leitung
7: Kanalwand
9: Eingang
11: Ausgang
13: Ausnehmung
15: Messmembran
17: piezoresistives Element
19: Messschaltung
21: Leiterbahn
23: Isolationsschicht
25: Gehäuse
27: Absolutdrucksensor
29: Kanalsegment
31: Kanalsegment
33: Träger
35: Stützkörper
37: Stützkörper
39: Einlass
41: Anschluss
43: Kanalabschnitt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008039045 A1 [0006]
US 2010/0037706 A1 [0006]
US 2002/0194908 A1 [0006]
US 2002/01949908 A1 [0007, 0007, 0008]

Claims

MEMS-Sensor zur Messung mindestens einer Messgröße, insb. eines Durchflusses, einer Dichte und/oder einer Viskosität, eines strömenden Fluids, insb. einer Flüssigkeit oder eines Gases, mit – mindestens einem Messkanal (1), der einen im Messbetrieb vom Fluid durchströmten eine Leitung (5) bildenden Innenraum aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass – der Messkanal (1) mit mindestens einem Drucksensor (3) ausgestattet ist, – der eine in einer Kanalwand (7) des Messkanals (1) vorgesehene, zur Leitung (5) hin offene Ausnehmung (13) umfasst, über die der Drucksensor (3) mit einem in einem an die Ausnehmung (13) angrenzenden Leitungsbereich der Leitung (5) herrschenden Druck beaufschlagbar ist, – der eine durch ein die Ausnehmung (13) in der Kanalwand (7) nach außen begrenzendes Wandsegment der Kanalwand (7) gebildete Messmembran (15) umfasst, und – der einen elektromechanischer Wandler umfasst, der eine vom auf die Messmembran (15) einwirkenden Druck abhängige Durchbiegung der Messmembran (15) messtechnisch erfasst.
MEMS-Sensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Messmembran (15) jedes Drucksensors (3) eine Membranstärke, insb. eine Membranstärke in der Größenordnung von 5 µm bis 25 µm, aufweist, die gleich einer Differenz einer Wandstärke eines daran angrenzenden Bereichs der Kanalwand (7), insb. einer Wandstärke in der Größenordnung von 10 µm bis 100 µm, insb. von 40 µm bis 60 µm, und einer Tiefe der Ausnehmung (13) ist, und/oder – die Messmembran (15) jedes Drucksensors (3) eine einer Grundfläche der jeweiligen Ausnehmung (13) entsprechende Membranfläche aufweist, deren senkrecht zur Längsachse des Messkanals (1) im Bereich des Drucksensors (3) verlaufende Breite kleiner gleich, insb. gleich, einer Breite (b) der Querschnittfläche der Leitung (5) im Bereich des jeweiligen Drucksensors (3) ist.
MEMS-Sensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – einer der Drucksensoren (3) in einem mittleren Abschnitt des Messkanals (1), insb. in der Mitte des Messkanals (1), angeordnet ist und einen Druck messtechnisch erfasst, der einem mittleren Druck der entlang der Leitungslänge des Messkanals (1) herrschenden Drücke entspricht, und – dieser Drucksensor (3) an eine Messschaltung (19) angeschlossen ist, die im Messbetrieb den mittleren Druck als Messgröße bestimmt.
MEMS-Sensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – der Messkanal (1) einen Eingang (9) aufweist, über den das Fluid im Messbetrieb einlassseitig in den Messkanal (1) eintritt, – der Messkanal (1) einen Ausgang (11) aufweist über den das Fluid im Messbetrieb auslassseitig aus dem Messkanal (1) austritt, – einer der Drucksensoren (3) in einem dem Eingang (9) zugewandten Abschnitt des Messkanals (1) angeordnet ist, – einer der Drucksensoren (3) in einem dem Ausgang (11) zugewandten Abschnitt des Messkanals (1) angeordnet ist, und – die Drucksensoren (3) an eine Messschaltung (19) angeschlossen sind, die im Messbetrieb einen Druckabfall entlang eines zwischen diesen beiden Drucksensoren (3) befindlichen Kanalsegments des Messkanals (1) als Messgröße bestimmt, und/oder die einen mittleren Druck als Messgröße bestimmt, der einem Mittelwert der mit diesen beiden Drucksensoren (3) gemessenen Drücken entspricht.
MEMS-Sensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Drucksensoren (3) mindestens ein durch zwei entlang des Messkanals (1) voneinander beabstandete Drucksensoren (3) gebildetes Drucksensorpaar umfassen, – eine an diese Drucksensoren (3) angeschlossene Messschaltung (19) vorgesehen ist, und – die Messschaltung (19) derart ausgebildet ist, dass sie anhand der mit den Drucksensoren (3) mindestens eines Drucksensorpaares gemessenen Drücken einen Druckabfall entlang eines zwischen den Drucksensoren (3) des jeweiligen Drucksensorpaares befindlichen Kanalsegments des Messkanals (1) als Messgröße bestimmt.
MEMS-Sensor gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass – die Messschaltung (19) derart ausgebildet ist, dass sie im Messbetrieb anhand mindestens einem von ihr bestimmten Druckabfall bei bekanntem Massendurchfluss (F_m) eine Viskosität des Fluids als Messgröße bestimmt, oder – die Messschaltung (19) derart ausgestaltet ist, dass sie im Messbetrieb anhand mindestens einem von ihr bestimmten Druckabfall bei bekannter Viskosität des Fluids einen Massendurchfluss (F_m) als Messgröße bestimmt.
MEMS-Sensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – mindestens ein Messkanal (1) mindestens einen zu Schwingungen in einer Schwingungsebene anregbaren Kanalabschnitt (43) umfasst, – eine Erregereinrichtung (E) vorgesehen ist, durch die der Kanalabschnitt (43) in Schwingungen in der Schwingungsebene versetzbar ist, und – eine Sensoreinrichtung (S) vorgesehen ist, die im Messbetrieb mindestens eine von einer Eigenschaft, insb. einem Massendurchfluss (F_m) oder einer Dichte, des durch den Messkanal (1) hindurch strömenden Fluids abhängige Eigenschaft der Schwingungen messtechnisch erfasst, und – eine an die Sensoreinrichtung (S) angeschlossene Messschaltung (19) vorgesehen ist, die anhand mindestens einer von der Sensoreinrichtung (S) erfassten Eigenschaft der Schwingungen die zugehörige Eigenschaft des durch den Messkanal (1) hindurch strömenden Fluids als Messgröße bestimmt.
MEMS-Sensor gemäß Anspruch 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass – die Sensoreinrichtung (S) eine vom Massendurchfluss (F_m) durch den Messkanal (1) abhängige Eigenschaft der Schwingung messtechnisch erfasst, – die Messschaltung (19) im Messbetrieb – anhand der mittels der Sensoreinrichtung (S) messtechnisch erfassten vom Massendurchfluss (F_m) durch den Messkanal (1) abhängige Eigenschaft der Schwingungen den Massendurchfluss (F_m) als Messgröße bestimmt, und – anhand mindestens einem von ihr bestimmten Druckabfall und dem von ihr bestimmten Massendurchfluss (F_m) die Viskosität des Fluids als Messgröße bestimmt.
MEMS-Sensor gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass – die Erregereinrichtung (E) den Kanalabschnitt (43) zu Schwingungen bei einer von der Dichte des Fluids abhängigen Resonanzfrequenz anregt, – die Sensoreinrichtung (S) die Resonanzfrequenz messtechnisch erfasst, und – die Messschaltung (19) entweder derart ausgebildet ist, dass sie die Resonanzfrequenz bestimmt, anhand der Resonanzfrequenz und einer zumindest näherungsweise vorbekannten Viskosität des Fluids eine Dichte des Fluids bestimmt, diese Dichte anhand der von ihr bestimmten Viskosität korrigiert und die korrigierte Dichte als Messgröße bestimmt, oder – die Messschaltung (19) derart ausgebildet ist, dass sie die Resonanzfrequenz bestimmt und anhand der Resonanzfrequenz und der von ihr bestimmten Viskosität die Dichte des Fluids als Messgröße bestimmt.
MEMS-Sensor gemäß Anspruch 3 und 7 und/oder gemäß Anspruch 4 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass – die Erregereinrichtung (E) derart ausgebildet ist, dass sie den Kanalabschnitt (43) zu Schwingungen bei einer von der Dichte des Fluids abhängigen Resonanzfrequenz anregt, – die Sensoreinrichtung (S) die Resonanzfrequenz messtechnisch erfasst, und – die Messschaltung (19) die Resonanzfrequenz bestimmt und anhand der Resonanzfrequenz eine Dichte des Fluids als bei dem von ihr bestimmten mittleren Druck bestimmte Messgröße bestimmt.
MEMS-Sensor gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Messmembran (15) jedes Drucksensors (3) durch das Kanalwandsegment einer parallel zur Schwingungsebene verlaufenden Kanalwand (7) gebildet ist.
MEMS-Sensor gemäß Anspruch 7 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine senkrecht zur Schwingungsebene verlaufende Höhe (H) des Messkanals (1) größer als eine parallel zur Schwingungsebene ausgerichteten Breite (B) des Messkanals (1) ist.
MEMS-Sensor gemäß mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromechanische Wandler jedes Drucksensors (3) ein piezoresistiver Wandler ist, der auf einer Außenseite seiner Messmembran (15) angeordnete piezoresistive Elemente (17) aufweist, und der über Leiterbahnen (21) an eine Messschaltung (19) angeschlossen ist, die auf der die Messmembran (15) umfassenden Kanalwand (7) des Messkanals (1) angeordnet sind.
MEMS-Sensor gemäß mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – der Messkanal (1) in einem evakuierten Gehäuse (25) angeordnet ist und jeder Drucksensor (3) den von ihm messtechnisch erfassten Druck als auf einen Vakuumdruck im Inneren des Gehäuses (25) bezogenen Absolutdruck erfasst, oder – die Außenseite der Messmembran (15) jedes Drucksensors (3) einem Referenzdruck ausgesetzt ist und jeder Drucksensor (3) den von ihm messtechnisch erfassten Druck als auf den Referenzdruck bezogenen Relativdruck erfasst.
MEMS-Sensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Außenseite der Messmembran (15) jedes Drucksensors (3) einem Referenzdruck ausgesetzt ist und jeder Drucksensor (3) den von ihm messtechnisch erfassten Druck als auf den Referenzdruck bezogenen Relativdruck erfasst, und – jeder Drucksensor (3) und ein dem Referenzdruck ausgesetzter Absolutdrucksensor (27) an eine Messschaltung (19) angeschlossen sind, die die Relativdrücke anhand des mit Absolutdrucksensor (27) gemessenen Referenzdrucks in Absolutdrücke umrechnet.