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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Sensorelement für thermische Anemometrie. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Halbleiter-Sensorelement zur Bestimmung eines Massenflusses eines Gases.
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An Bord eines Kraftfahrzeugs soll ein Massenstrom von Umgebungsluft bestimmt werden, der in einen Verbrennungsmotor eintritt. Die Verbrennung des Verbrennungsmotors kann dann in Abhängigkeit des Massenstroms gesteuert werden. Zur Bestimmung des Massenstroms kann ein Heißflächenanemometer verwendet werden. Dazu befindet sich auf einem Halbleitersubstrat eine Membran, die von dem zu messenden Massenstrom überstrichen wird. Auf der Membran sind ein Heizelement und ein Temperatursensor angebracht. Die Erwärmung der Membran ist abhängig von einer Heizleistung und einer Fließgeschwindigkeit des vorbeistreichenden Mediums. In Kenntnis weiterer Größen wie beispielsweise dem Querschnitt einer Passage in dem Verbrennungsmotor kann so der aufgenommene Massenstrom bestimmt werden.
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Zur genauen Bestimmung der Bewegungsgeschwindigkeit der vorbeistreichenden Luft müssen das Heizelement und der Temperatursensor mit großer Präzision an der Membran angebracht sein. Die Membran muss so aufgehängt sein, dass eine Wärmeableitung an ihren Rändern möglichst gleichmäßig und auf eine vorbestimmte Art erfolgt. Üblicherweise ist das Sensorelement so aufgebaut, dass das Heizelement und der Temperatursensor an einer Vorderseite der Membran angebracht sind und eine Rückseite der Membran mittels eines ätztechnischen Prozesses freigelegt wird. Dazu müssen Prozessierschritte der Lithographie und des Ätzens auf der Vorderseite und der Rückseite präzise gegeneinander justiert werden. Dabei kann ein Justageversatz unvermeidbar sein, der in einer bekannten Technik bis zu ca. 5 µm betragen kann. Die Wärmeableitung von der Membran in das Halbleitersubstrat kann dadurch auf unvorhergesehene Weise beeinflusst sein. Insbesondere kann eine asymmetrische Wärmeableitung erfolgen, die ein Messergebnis verfälschen kann. Außerdem kann der Übergang zwischen dem Halbleitersubstrat und der Membran unsauber oder wenig genau definiert sein. Beispielsweise können seitliche Begrenzungen einer Kaverne an der Rückseite der Membran in einem Winkel ungleich 90° zur Membran verlaufen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Technik zur Bereitstellung eines hochpräzisen Sensorelements zur thermischen Anemometrie bereitzustellen. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
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Offenbarung der Erfindung
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Ein Sensorelement zur thermischen Anemometrie umfasst ein Halbleitersubstrat und eine am Halbleitersubstrat angebrachte Halbleitermembran, insbesondere eine Dünnschichtmembran, mit einer Vorderseite und einer Rückseite. An der Vorderseite sind ein resistives Heizelement und ein temperaturabhängiger Widerstand angebracht. Im Bereich der Rückseite der Dünnschichtmembran weist das Halbleitersubstrat eine Ausnehmung auf. Zwischen der Dünnschichtmembran und dem Halbleitersubstrat befindet sich eine Siliciumschicht mit einer Ausnehmung, die in die Ausnehmung des Halbleitersubstrats übergeht.
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Die Dünnschichtmembran wird bevorzugterweise nicht unmittelbar auf einer Oberfläche des Halbleitersubstrats abgeschieden, sondern auf der Siliciumschicht, die als Sockel dient. Die Strukturierung der Siliciumschicht erfolgt von der Seite, auf der die Dünnschichtmembran später ausgebildet wird. Der Übergang zwischen dem Sockel (der Siliciumschicht) und dem Halbleitersubstrat oder zwischen der Dünnschichtmembran und dem Halbleitersubstrat kann dadurch mit verbesserter Präzision hergestellt werden. Die Ausnehmung der Siliciumschicht und die Ausnehmung des Halbleitersubstrats können zusammen eine Kaverne bilden. Ein Winkel zwischen seitlichen Begrenzungen der Kaverne und der Dünnschichtmembran können mit verbesserter Genauigkeit eingehalten sein. Ein eventuelles Notching sowie eine eventuelle Partikelgenerierung bei der Freistellung der Dünnschichtmembran können vermieden werden.
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Ein Justageversatz zwischen Prozessschritten an der Vorderseite und der Rückseite der Dünnschichtmembran können die Genauigkeit der gebildeten Strukturen nicht beeinflussen. Insbesondere kann die Lage des Heizelements oder des temperaturabhängigen Widerstands zueinander oder bezüglich Begrenzungen der Dünnschichtmembran oder der Kaverne mit verbesserter Genauigkeit eingehalten sein. Eine asymmetrische oder unvorhergesehene Wärmeableitung im Bereich der Dünnschichtmembran kann dadurch verhindert sein. Bei verbessert senkrechten Begrenzungen der Kaverne kann ein Platzbedarf der Kaverne in vertikaler Richtung reduziert sein. Wird die Kaverne verkleinert, so können Herstellungskosten gesenkt werden. Die Größe der Kaverne kann jedoch auch beibehalten werden, wodurch eine mechanische Stabilität des Sensorelements gesteigert sein kann.
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Bevorzugterweise ist zwischen der Siliciumschicht und dem Halbleitersubstrat eine erste Siliciumoxidschicht angeordnet. Die Siliciumoxidschicht kann einen Prozess, der Material auf der Rückseite der Dünnschichtmembran aus dem Halbleitersubstrat entfernt, begrenzen. Die Größe der Kaverne kann dadurch in vertikaler Richtung verbessert bestimmt sein.
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Es ist weiterhin bevorzugt, dass die Siliciumschicht im Bereich der Ausnehmung mit einer Siliciumoxidschicht überzogen ist. Die Siliciumoxidschicht soll insbesondere an lateralen (seitlichen) Rändern der Siliciumschicht vorgesehen sein. Die Ausdehnung der Dünnschichtmembran in horizontaler Richtung kann dadurch genau gesteuert werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Dünnschichtmembran als zweite Siliciumoxidschicht ausgebildet. Vorteilhafterweise sind die Dünnschichtmembran und die erste Siliciumoxidschicht einstückig miteinander ausgebildet. Dabei bildet der im seitlichen Bereich der Ausnehmung der Siliciumschicht abgeschiedene Teil Siliciumoxid bevorzugterweise ein verbindendes Element in vertikaler Richtung. Die Herstellung der Kaverne durch Entfernen von Material aus dem Halbleitersubstrat und der Siliciumschicht kann durch die Siliciumoxidschicht verbessert begrenzt sein, sodass Dimensionen und Lage der Dünnschichtmembran verbessert bestimmt sein können. Ein Justageversatz zwischen Prozessschritten an der Vorderseite und der Rückseite, insbesondere des Entfernens von Material für die Kaverne, kann für die Geometrie und Funktion des Sensorelements verbessert tolerierbar sein.
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Ein Luftmassenmesser umfasst das oben beschriebene Sensorelement und ferner eine Ansteuerschaltung für das Heizelement zur elektrischen Erwärmung der Dünnschichtmembran sowie eine Auswerteschaltung für den temperaturabhängigen Widerstand zur Bestimmung einer Temperatur der Dünnschichtmembran. Bevorzugterweise ist zusätzlich eine Verarbeitungseinrichtung vorgesehen, die auf der Basis der Erwärmung und der bestimmten Temperatur sowie gegebenenfalls noch weiteren Messwerten oder konstanten Vorgaben eine Luftmasse bestimmt, die pro Zeiteinheit am Luftmassenmesser vorbeistreicht bzw. durch ihn durchtritt.
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Ein Verfahren zum Herstellen eines Sensorelements zur thermischen Anemometrie, insbesondere des oben beschriebenen Sensorelements, umfasst Schritte des Aufbringens einer ersten Siliciumoxidschicht mit einer Ausnehmung auf einer Oberfläche eines Halbleitersubstrats, des Abdeckens der ersten Siliciumoxidschicht und des Halbleitersubstrats mittels einer Siliciumschicht, des Abdeckens der Siliciumschicht mittels einer zweiten Siliciumoxidschicht, des Aufbringens eines resistiven Heizelements und eines temperaturabhängigen Widerstands auf der zweiten Siliciumoxidschicht und des Entfernens von Halbleitersubstrat und Siliciumschicht im Bereich der Ausnehmung der ersten Siliciumoxidschicht.
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Durch das beschriebene Verfahren kann eine verbesserte Ausrichtung von gebildeten Strukturen an der Vorderseite und der Rückseite der Dünnschichtmembran sichergestellt werden. Eine Abweichung von der relativen Ausrichtung kann verminderten Einfluss auf die Qualität des hergestellten Sensorelements haben.
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Das Entfernen von Halbleitersubstrat erfolgt bevorzugterweise mittels Deep Reactive Ion Etching, was auch als reaktives Ionentiefenätzen bezeichnet werden kann. Dieser Vorgang ist auch als Bosch-Prozess oder „Trenchen“ bekannt. Das Trenchen kann eine zyklische Bearbeitung mit wechselnden Gasen umfassen, typisch SF6, CFx, CHF3, C4F8. Dabei kann insbesondere eine seitliche Begrenzung der Kaverne, die durch das Entfernen von Material des Halbleitersubstrats entsteht, genau kontrolliert werden. Diese Begrenzung kann insbesondere senkrecht zur Dünnschichtmembran verlaufen. Die gebildete Kaverne kann in seitlicher Richtung eine sehr glatte Oberfläche erhalten. Ein Übergang zwischen der Begrenzung und der Dünnschichtmembran kann genau vorherbestimmt werden. In einer anderen Ausführungsform kann anstelle des Trenchens auch ein rein chemischer Prozess eingesetzt werden, etwa mittels Kalilauge (KOH).
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In einer weiter bevorzugten Ausführungsform wird die Siliciumschicht mit einem vertikalen Graben im Bereich der Begrenzung der Ausnehmung der ersten Siliciumoxidschicht versehen und die zweite Siliciumoxidschicht wird so angebracht, dass sie den Graben ausfüllt. In einer anderen Ausführungsform kann der Graben auch unabhängig von der zweiten Siliciumoxidschicht mit Siliciumoxid ausgefüllt werden. Dadurch kann eine seitliche Begrenzung der Kaverne im Bereich der als Sockel wirkenden Siliciumschicht erzielt werden.
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Es ist weiterhin bevorzugt, dass der Graben an der ersten Siliciumoxidschicht endet, sodass beide Siliciumoxidschichten am Graben vertikal miteinander verbunden werden. Die Definition der Dünnschichtmembran und der darunterliegenden Kaverne können so verbessert genau gesteuert werden.
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In einer Ausführungsform wird das Halbleitersubstrat in einem größeren Bereich entfernt als durch die Ausnehmung der ersten Siliciumoxidschicht definiert ist. Anders ausgedrückt kann die Kaverne von der Rückseite der Dünnschichtmembran aus breiter angelegt werden als die Dünnschichtmembran ist. Durch die oben beschriebenen Verfahrensschritte kann sichergestellt werden, dass die Dünnschichtmembran trotzdem die vorgesehenen Maße aufweist und eine vorgesehene Lage bezüglich der Kaverne einhält.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
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1. eine schematische Darstellung eines Luftmassenmessers; und
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2. Schritte eines Verfahrens zum Herstellen eines Sensorelements für den Luftmassenmesser von 1 sowie das fertige Sensorelement
darstellt.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Luftmassenmessers 100. Der Luftmassenmesser 100 ist allgemein dazu eingerichtet, die Strömungsgeschwindigkeit eines vorbeistreichenden Mediums zu bestimmen. Insbesondere ist der Luftmassenmesser 100 dazu eingerichtet, an Bord eines Kraftfahrzeugs zur Bestimmung eines Volumenstroms von Luft eingesetzt zu werden, der beispielsweise in einen Verbrennungsmotor eintritt. Dazu wird der Luftmassenmesser 100 bevorzugterweise im Bereich eines Ansaugrohrs 105 oder einer ähnlich definierten Passage zum Durchtritt von fluidem Medium 110, insbesondere Luft, angeordnet.
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Der Luftmassenmesser 100 umfasst eine Membran 115, auf der ein resistives Heizelement 120 und zwei temperaturabhängige Widerstände 125 angebracht sind. Dabei liegt das Heizelement 120 bezüglich einer Bewegungsrichtung des Mediums 110 bevorzugterweise zwischen dem ersten und dem zweiten temperaturabhängigen Widerstand 125.
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Ferner umfasst der Luftmassenmesser 100 bevorzugterweise eine Steuerung 130, die eine Ansteuerschaltung 135 für das resistive Heizelement 120 und eine Auswerteschaltung 140 zur Bestimmung der Temperatur der Membran 115, jeweils im Bereich des ersten und zweiten temperaturabhängigen Widerstands 125, umfasst.
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Wird die Membran 115 im Bereich des Heizelements 120 erwärmt, so fließt die Wärme über die Membran 115 zu den temperaturabhängigen Widerständen 125. Eine Bewegungsgeschwindigkeit des fluiden Mediums 110 beeinflusst, wie stark sich der stromaufwärtige Widerstand 125 und der stromabwärtige Widerstand 125 erwärmen. Diese Temperaturdifferenz kann durch die Auswerteschaltung 140 in Abhängigkeit der durch die Ansteuerschaltung 135 und das resistive Heizelement 120 bewirkten Erwärmung bestimmt werden. Bevorzugterweise umfasst die Steuerung 130 zusätzlich eine Verarbeitungseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, auf der Basis der Temperaturdifferenz und des angesteuerten Heizeffekts die Geschwindigkeit des fluiden Mediums 110 oder die pro Zeiteinheit durch das Ansaugrohr 105 tretende Masse des Mediums 110 zu bestimmen. Die Verarbeitungseinrichtung kann mit der Auswerteschaltung 140 integriert ausgeführt sein und in einer Ausführungsform einen programmierbaren Mikrocomputer umfassen. Ein Ergebnis der Auswertung bzw. Verarbeitung kann über eine Schnittstelle 145 extern bereitgestellt werden.
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2 zeigt Schritte eines Verfahrens 200 zur Herstellung eines Sensorelements 205 für einen Luftmassenmesser 100 wie den von 1. Dabei soll das Sensorelement 205 wenigstens die Membran 115, das resistive Heizelement 120 und einen temperaturabhängigen Widerstand 125 umfassen. Es folgt zunächst eine Beschreibung von Schritten des Verfahrens 200 und anschließend eine genauere Erläuterung des gebildeten Sensorelements 205.
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In einem ersten Schritt 210 wird ein Halbleitersubstrat 235, insbesondere in Form eines Silicium-Wafers, bereitgestellt. Auf einer Oberfläche des Halbleitersubstrats 235 wird eine erste Siliciumoxidschicht 240 aufgebracht. Die erste Siliciumoxidschicht 240 umfasst bevorzugterweise Siliciumdioxid (SiO2). Das Aufbringen kann ein Anwachsen der ersten Siliciumoxidschicht 240 durch thermische Oxidation oder ein Abscheiden umfassen. Die erste Siliciumoxidschicht 240 umfasst eine Ausnehmung 245, die in einer Ausführungsform gebildet wird, indem die erste Siliciumoxidschicht 240 zunächst großflächig auf die Oberfläche des Halbleitersubstrats 235 aufgebracht und dann in einem vorbestimmten Bereich wieder entfernt wird. Die Größe der Ausnehmung 245 bestimmt später Form, Größe und Lage der Membran 115.
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In einem zweiten Schritt 215 werden die erste Siliciumoxidschicht 240 und das Halbleitersubstrat 235 im Bereich der Ausnehmung 245 mittels einer Siliciumschicht 250 abgedeckt. Die Siliciumschicht 250 kann insbesondere epitaktisch aufgewachsen werden. Die Dicke der Siliciumschicht 250 ist dabei so gewählt, dass Anforderungen an eine mechanische Stabilität und eine ausreichende thermische Leitfähigkeit erfüllt werden.
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Bevorzugterweise wird die Siliciumschicht 250 im Bereich einer Begrenzung der Ausnehmung 245 der ersten Siliciumoxidschicht 240 mit einem vertikalen Graben 255 versehen. Der Graben 255 endet in vertikaler Richtung bevorzugterweise an der ersten Siliciumoxidschicht 240, unmittelbar neben einer seitlichen Begrenzung der Ausnehmung 245. Der Graben 255 kann insbesondere anisotrop geätzt werden, wobei der Ätzprozess an der ersten Siliciumoxidschicht 240 endet.
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Der Graben 255 wird bevorzugterweise mit Siliciumoxid ausgefüllt. Dazu kann eine thermische Oxidation oder alternativ eine Abscheidung von Siliciumdioxid mittels LPCVD (low pressure chemical vapour deposition, chemische Niederdruck-Gasphasenabscheidung) durchgeführt werden. Der Graben 255 wird dadurch bevorzugterweise vollständig mit Siliciumoxid ausgefüllt.
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Optional kann eine Oberfläche der Siliciumschicht 250 mittels eines bekannten CMP-Schritts (chemical mechanical fabrication) der Halbleitertechnik planarisiert werden.
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In einem Schritt 220 werden mittels bekannter Prozessschritte zunächst die Membran 115 in Form einer zweiten Siliciumoxidschicht 260, eine Passivierungsschicht 265, insbesondere in Form einer Nitridschicht, eine dritte Siliciumoxidschicht 270 und das resistive Heizelement 120, bevorzugterweise in Form einer Platinschicht 275, nacheinander auf der gleichen Seite des Halbleitersubstrats 235 angebracht. Die Platinschicht 275 ist bevorzugterweise sowohl auf ihrer Oberseite als auch auf ihrer Unterseite durch die dritte Siliciumoxidschicht 270 abgedeckt. Bevorzugterweise ist ein Anschlusselement 280, beispielsweise in Form eines Aluminium-Leitelements, vorgesehen, um einen elektrischen Kontakt zur Platinschicht 275 durch die Umhüllung der dritten Siliciumoxidschicht 270 bereitzustellen. Das Bereitstellen der Schichten 260 bis 275 und des Anschlusselements 280 ist im Stand der Technik bekannt und kann in einer beliebigen Variante übernommen werden.
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In einem letzten Schritt 225 werden im Bereich der Ausnehmung 245 der ersten Siliciumoxidschicht 240 Teile des Halbleitersubstrats 235 und der Siliciumschicht 250 entfernt. Dazu kann es erforderlich sein, Lithografieschritte auszuführen, die bezüglich der an der gegenüberliegenden Seite durchgeführten Schritte in ihrer Position kalibriert werden (Vorderseiten-Rückseiten-Justage). Das Entfernen erfolgt bevorzugterweise mittels Reaktivem Ionenätzen von einer Rückseite der Membran 115 aus, also von der Seite des Halbleitersubstrats 235. Das Entfernen erfolgt bevorzugterweise mittels Reaktivem Ionenätzen im Bosch-Prozess oder einer seiner Weiterentwicklungen. Dadurch entsteht unterhalb der ersten Siliciumoxidschicht 240 eine Kaverne 290, sodass die zweite Siliciumoxidschicht 260 im Bereich der Ausnehmung 245 der ersten Siliciumoxidschicht 240 die Membran 115 bildet. Das Tiefenätzen der Kaverne 290 endet in vertikaler Richtung an der ersten Siliciumoxidschicht 240 oder der zweiten Siliciumoxidschicht 260. Wurde im zweiten Schritt 215 der Graben 255 eingebracht und mit Siliciumoxid verfüllt, so bildet das eingefüllte Siliciumoxid im Bereich der ersten Ausnehmung 245 eine seitliche Begrenzung der Kaverne 290.
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Das in 2D gezeigte Sensorelement 205 umfasst eine Membran 115 und einen temperaturabhängigen Widerstand 125, deren Lagen zueinander und zu einer Kaverne 290 unterhalb der Membran 115 genau definiert sind. Die Membran 115 ist in einem Ausführungsbeispiel ca. 400 × 400 μm groß. Ein Übergang zwischen der Membran 115 und einer Begrenzung der Kaverne 290 im Bereich des Halbleitersubstrats 235 kann genau bestimmt sein. Eine Ableitung von Wärme von der Membran 115 an das Halbleitersubstrat 235 auf eine unvorhergesehene oder unerwünschte Weise kann verhindert sein. Verfahrensschritte zur Definition der Membran 115 und des Widerstands 125 erfolgen von der gleichen Seite (Oberseite) aus. Dabei wird in das Halbleitersubstrat 235 eine Ausnehmung 285 eingebracht, die zusammen mit der Ausnehmung 245 eine Kaverne 290 bildet. Das Ausbilden der Kaverne 290 erfolgt von der entgegengesetzten Seite (Rückseite), stoppt aber an einer Siliciumoxidschicht 240, 260, die in Prozessschritten von der Vorderseite ausgebildet wurden und daher genau zueinanderpassen können.
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Das bereitgestellte Sensorelement 205 kann in verbesserter Weise am Luftmassenmesser 100 von 1 eingesetzt werden, um eine Temperatur an einer vorbestimmten Stelle der Membran 115 zu bestimmen und in der Folge, wie oben ausgeführt ist, auf der Basis dieser Bestimmung eine Strömungsgeschwindigkeit oder einen Massenstrom des fluiden Mediums 110 zu bestimmen.
