DE19605180A1 - Anemometer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein vorzeichenrichtig messendes Anemometer gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Massenflußmesser beziehungsweise Anemometer sind in einer Vielzahl von Ausführungsbeispielen bekannt. So offenbart die DE 42 16 086 A1 einen thermischen Durchflußmesser mit zwei beheizbaren Widerständen, wobei der eine beheizbare Widerstand zur Flußmessung dient und der andere le­ diglich zur Kompensation der Schwankungen der Umgebungstemperatur dient. Hier kann nur der Betrag des Flusses, nicht aber dessen Richtung ge­ messen bzw. erkannt werden.

Durch die DE 42 22 499 A1 ist ein Mikro-Strömungs-Sensor bekanntge­ worden, dessen als Temperatursensoren dienende Thermosäulen vom Heizer extrem weit entfernt sind, um dadurch eine hohe Empfindlichkeit zu erhal­ ten. Nachteilig ist jedoch, daß für die Herstellung von Thermosäulen minde­ stens zwei Schichten mit unterschiedlichen Thermospannungen auf der dün­ nen Membran zu strukturieren sind.

Aus der DE 43 31 722 A1 ist ein Luftstrommengenmesser mit einem Mikro­ prozessor bekannt, dessen Sensorelemente immer einen Heizer und einen Temperaturfühler aufweisen, die sich durch ihren elektrischen Widerstand unterscheiden und eine Brückenschaltung die Differenztemperatur zwischen Fühler und Umgebungstemperatur ermittelt. Auch hier ist der Fluß nur in einer Richtung erfaßbar.

Dies gilt auch für das Ausführungsbeispiel nach DE 42 19 454 A1, das sich auf einen Massenflußsensor mit einer Membran und mindestens einem Hei­ zer, zwei Fühlern und einem Si-Rahmen bezieht. Hier kann nur der Betrag, nicht aber das Vorzeichen des Flusses ermittelt werden.

Aus der DE 40 41 578 A1 ist ein Sensor für Geschwindigkeitsmessungen bekannt, der auf einem Si-Träger angeordnet ist und nur einen Heizer und einen Temperaturfühler aufweist. Eine vorzeichenrichtige Messung ist mit diesem Gerät nicht möglich.

Durch die DE 43 24 040 A1 ist ein Massenstrom-Sensor mit mindestens ei­ nem Heizer und mindestens zwei Temperaturfühler bekanntgeworden, der zwar vorzeichenrichtig messen kann, aber in seiner Geometrie zu groß di­ mensioniert ist, die Gefahr der mechanischen Instabilität der Membran ge­ geben und insbesondere das Ansprechen noch zu langsam ist. Ferner ist das Sensorrauschen sowie der Leistungsbedarf zu hoch.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Anemometer der eingangs genannten Art zu schaffen, dessen Geometrie verkleinert ist, dessen Sensorrauschen und Leistungsbedarf reduziert sind und der Mes­ sungen in mindestens zwei Dimensionen durchführt.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen ge­ löst. In den Unteransprüchen sind Weiterbildungen und Ausgestaltungen an­ gegeben und in der nachfolgenden Beschreibung sind Ausführungsbeispiele erläutert und in den Figuren der Zeichnung skizziert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines Sensoraufbaus im Schnitt,

Fig. 2 ein feinmechanisches Ausführungsbeispiel nach dem Stand der Technik, wobei die Heizer in einer Brückenschaltung betrieben werden,

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel einer Heizerkonfiguration in der Drauf­ sicht,

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Heizerkonfiguration in der Draufsicht,

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel einer Heizerkonfiguration im Schnitt an der Unterseite der Membrane,

Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel einer Heizerkonfiguration zur vorzei­ chenrichtigen Flußmessung in gleichzeitig zwei Dimensionen.

Der allgemeine Erfindungsgedanke sieht vor, einen schnellen, mit mikrome­ chanischen Bauelementen in Mikrotechnologie realisierten Sensorchip für ein Anemometer zu konzipieren, das vorzeichenrichtig mißt. Hierbei wird die Schnelligkeit durch die Verwendung der Mikrosystemtechnik gewähr­ leistet und durch die mittels dieser Technik erzielbare Miniaturisierung wird gleichzeitig die Wärmekapazität des Bauelementes gering gehalten, was wiederum zu einer schnellen Ansprechzeit führt. Durch die Anordnung von zwei Heizern, die gleichzeitig als Temperaturfühler betrieben werden, wird nicht nur ein erheblich geringerer Platzbedarf erzielt - und dadurch das be­ reits angesprochene schnellere Ansprechen unterstützt - sondern auch das Sensorrauschen und der Leistungsbedarf reduziert.

Es hat sich gezeigt, daß die Empfindlichkeit eines Sensorchips - auch beim Stand der Technik - mit dem Abstand zwischen Heizer und Temperaturfüh­ ler, beziehungsweise mit dem Abstand der kombinierten Heizer und Tempe­ raturfühler, zunimmt. Hierbei besteht zwischen Sensorgröße und dessen Geometrie und der Sensor-Empfindlichkeit ein linearer Zusammenhang. Bei einer proportionalen Verkleinerung eines bestehenden Sensorchip um den Faktor "v" verkürzt sich auch die Ansprechzeit des Sensors um diesen Fak­ tor "v".

Die Heizwiderstände des Anemometer-Sensorchips sind aus dotiertem Sili­ zium hergestellt, wobei entweder die Heizer gemäß Fig. 5a in das darun­ terliegende Substrat implantiert werden oder aus Polysilizium bestehen und auf den dielektrischen Schichten aus Siliziumnitrid, Siliziumoxid oder Silizi­ umoxinitrid - die die Membran bilden - aufgebracht sind. (Fig. 1). Eine wei­ tere Möglichkeit nach Fig. 5b sieht vor, die Heizer direkt in die Membran zu implantieren, wenn die Membran aus einem hochohmigen, dotierbaren Material - z. B. SiC - besteht.

Das Freiätzen der Membran erfolgt üblicherweise mittels CMOS-Prozessen, jedoch müssen die Wafer anschließend nicht mehr in CMOS-Verfahren weiterbearbeitet werden; daher sind hier auch andere Verfahren - beispiels­ weise KOH - anwendbar.

Im folgenden wird die Empfindlichkeit eines Sensors nach Fig. 1 oder 5 mit dem Stand der Technik nach DE 43 24 040 A1 verglichen. Um von ver­ gleichbaren Geometrien auszugehen, sind Heizer und Temperaturfühler in DE 43 24 040 A1 parallel in einer Ebene angeordnet, wobei die Temperatur­ fühler den Abstand a vom Heizer haben. Weitere Gegenstände, wie z. B. der Siliziumrahmen B, der die Membran umgibt sollen vom bzw. von den Hei­ zern weit entfernt sein, verglichen mit dem Abstand a Heizer - Temperatur­ fühler, so daß der Abstand Heizer - Siliziumrahmen r_a»a ist.

Nach DE 43 24 040 A1 hat der Heizer ohne Fluidstrom eine Übertemperatur T_h gegenüber der Umgebungstemperatur. Die beiden Temperaturfühler ha­ ben ohne Fluidstrom eine Übertemperatur T_s gegenüber der Umgebungstem­ peratur. Mit Fluidstrom der Geschwindigkeit v wird der luvseitige (die Seite, aus der der Fluidstrom kommt) Temperaturfühler gekühlt und der leeseitige (die Seite, zu der der Fluidstrom fließt) Temperaturfühler geheizt. Der luvseitige Temperaturfühler hat dann die Temperatur (T_s + T_-). Dies ist die Definition für T_-. T_- ist negativ. Der leeseitige Temperaturfühler hat mit Fluidstrom der Geschwindigkeit v die Temperatur (T_s+T₊). Dies ist die De­ finition für T₊. T₊ ist positiv und betragsmäßig etwa so groß wie T_-. Die Temperaturdifferenz, die zwischen den Temperaturfühlern besteht, beträgt (T₊ - T_-). Damit sind T_h, T_s, T₊ und T_- definiert. Die Übertemperatur T_h des Heizers wird durch den Fluidstrom nur unwesentlich verändert, da der Tem­ peraturgradient nahe dem Heizer betragsmäßig viel größer ist, als nahe den Temperaturfühlern.

Nun betrachtet man eine Zweiheizeranordnung nach Fig. 1 oder 5. Zunächst soll nur der Luvheizer auf die Übertemperatur T_h geheizt werden. Dazu ist die Heizleistung P_h erforderlich. Ohne Fluidfluß hat dann der Leeheizer die Übertemperatur T_s. Mit Fluidfluß der Geschwindigkeit v hat der Leeheizer die Übertemperatur (T_s + T₊), da die Geometrie der leeseitigen Hälfte von DE 43 24 040 A1 entspricht. Heizt man auf der anderen Seite nur den Lee­ heizer auf die Übertemperatur T_h, so beträgt ohne Fluidfluß die Übertempe­ ratur des Luvheizers T_s. Mit Fluidfluß der Geschwindigkeit v beträgt die Übertemperatur des Luvheizers (T_s + T_-), weil die Geometrie der luvseitigen Hälfte von DE 43 24 040 A1 entspricht.

Heizt man jetzt beide Heizer nach Fig. 1 oder 5 mit der gleichen Leistung wie vorher, so ergibt sich das Temperaturfeld als Superposition der Tempe­ raturfelder für die einzeln geheizten Heizer. Insbesondere haben beide Hei­ zer ohne Fluidfluß die Übertemperatur T_h + T_s. Mit Fluidfluß der Ge­ schwindigkeit hat der Luvheizer die Temperatur (T_h + T_s + T_-) und der Lee­ heizer (T_h + T_s + T₊).

Zusammengefaßt erzielt man mit beiden Anordnungen bei vergleichbarer Größe nach Fig. 1 und DE 43 24 040 A1 bei gleicher Flußgeschwindigkeit die gleiche Temperaturdifferenz T₊ - T_- wobei der Sensor nach Fig. 1 die doppelte Leistung braucht.

Gemessen wird die Temperatur über die Widerstandsänderung des Tempera­ tursensors bzw. des Heizers. Da nur die Geometrien verglichen werden, sollen die Sensoren nach DE 43 24 040 A1 und Fig. 1 dasselbe Heizer- und Temperaturfühlermaterial mit dem Temperaturkoeffizienten α verwenden. Zur Widerstandsmessung wird in den Heizern nach Fig. 1 und im Heizer nach DE 43 24 040 A1 jeweils die Leistung P_h umgesetzt. Um den Wider­ stand der Temperaturfühler zu messen, muß auch hier eine Leistung P_s zuge­ führt werden. P_s muß klein gegenüber P_h sein. Wäre es umgekehrt, hätte man ja zwei Heizer und einen Temperaturfühler in der Mitte. Es gelte:

wobei k»1. Ein ohm′scher Widerstand R rauscht im Frequenz­ band Δf bei der absoluten Temperatur T mit der Leistung P_R = 4πkT·Δf.

Die Unsicherheit ΔR bei der Widerstandsmessung des Widerstands R mit der Leistung P ergibt sich zu:

Daraus kann man wiederum die Temperaturunsicherheit ΔT berechnen:

Da aber die Leistung P_h um das k-fache höher ist als die Leistung P_s, kann im Sensor nach Fig. 1 die Temperaturdifferenz T₊ - T_- um den Faktor k genauer gemessen werden.

Ist aber nur die Genauigkeit erforderlich, die der Sensor nach DE 43 24 040 A1 erreicht, so kann die Heizleistung der Heizer um den Faktor √ gesenkt werden. Dadurch reduziert sich die Heizerübertemperatur T_h′ auf

und die Differenztemperatur (T₊ - T_-)′ zwischen den beiden Heizern bei Flußgeschwindigkeit v auf

Die Temperaturunsicher­ heit ΔT′ steigt wegen der geringeren Widerstandsmeßleistung um das √- fache an, so daß jetzt die relative Temperaturunsicherheit

sich um den Faktor k vergrößert hat und nach der Leistungsreduzierung genau so groß ist, wie beim Sensor nach DE 43 24 040 A1. Bei gleichem Rauschen verbraucht also der Sensor nach Fig. 1 die Leistung 2 P_h/√, während der Sensor nach DE 43 24 040 die Leistung P_h + 2 P_s = P_h (1 + 2/k) braucht.

Diese Leistungsreduzierung ist besonders beim Bau von batteriebetriebenen Sensoren von Bedeutung, die speziell für Durchflußmesser von Gasleitungen hergestellt werden, denn hier muß die Gasversorgung vollkommen unab­ hängig von der Stromversorgung sein. Je länger aber eine Batterie hält, umso besser ist es für den "Service".

In diesem Zusammenhang ist anzuführen, daß zur Flußmessung von explosi­ ven Gasgemischen auch die Temperatur eine wesentliche Rolle spielt, denn hier darf die höchste Temperatur eine bestimmte Obergrenze keinesfalls überschreiten. Auch hier zeichnet sich das vorgeschlagene Anemometer bzw. dessen Sensorchip gegenüber dem Stand der Technik aus, da bei glei­ chem Rauschen und gleichen Abmessungen die Übertemperatur um den Faktor √k niedriger ist.

Das aus Heizern, die gleichzeitig Temperaturfühler sind, sich zusammenset­ zende Sensorchipelement zeichnet sich aber auch - wie bereits erwähnt - durch seinen nahezu um die Hälfte reduzierten Platzbedarf aus, woraus sich die erhebliche Reduzierung der Dimensionierung für das komplette Anemo­ meter ergibt. Eine noch viel drastischere Größenreduktion wird erreicht, wenn der Abstand a zwischen den beiden Heizern des Sensors so verkleinert wird, bis Signal-Rauschabstand und Heizleistungsbedarf mit demjenigen des oben genannten Ausführungsbeispiels nach DE 42 24 240 A1 des Standes der Technik übereinstimmt. Durch die Verkleinerung des Heizerabstandes a um den Faktor k sinkt die Empfindlichkeit, wie oben angegeben, und bringt so den Rauschspannungsabstand auf dieselbe Größe wie sie der erheblich grö­ ßere Sensor des zitierten Standes der Technik aufweist, der dies nicht er­ kannt hat.

Aus vorstehend vorgeschlagenen Maßnahmen zur Verkleinerung des Hei­ zerabstandes a resultiert weiterhin, daß auch die Membrangröße in einer Dimension um den Faktor k verkleinert wird, wobei gleichzeitig die Mem­ bran selbst stabiler wird und der Sensor auch um den Faktor k schneller ar­ beitet. Dadurch, daß die Membran deutlich kleiner geworden ist, wird die Chipgröße ebenfalls verkleinert, was zu einer größeren Zahl von Sensoren pro Wafer führt.

Ein spezielles Ausführungsbeispiel sieht vor, aus zwei kombinierten Heizern und Temperaturfühlern in der vorgeschlagenen Weise ein Regelsignal abzu­ leiten, das proportional der Mitteltemperatur beider Heizer ist. Werden nun beide Heizer in Brückenspannung betrieben, so ist die Differenzspannung zwischen den beiden Brückenzweigabgriffen proportional dem Temperatu­ runterschied und damit dem Medienfluß. Die Summenspannung der beiden Brückenzweigabgriffe ist proportional der Mitteltemperatur beider Heizer und wird als Regelsignal für die Übertemperatur der Heizer verwendet. Mit diesem Regelsignal wird der Meßbereich linearisiert und/oder der Einfluß von Medientemperaturschwankungen und/oder die Medienviskosität kom­ pensiert.

Ein weiteres - spezielles - Ausführungsbeispiel ist in der Fig. 6 veran­ schaulicht. Hier wird der Aufbau für eine Flußmessung in zwei Dimensionen (11, 12, 21, 22) gezeigt. Die vier Heizer sind kreuzweise angeordnet. Mit U₁ und U₂ sind die Meßspannungen bezeichnet. Durch die um 90° gegeneinan­ der verdrehte Anordnung von zwei vorzeichenrichtig messende Anemometer wird nicht nur vorzeichenrichtig in einer Dimension, sondern auch gleich in zwei Dimensionen gemessen. Eine solche Ausführungsform erbringt vor­ zugsweise erhebliche Vorteile für meteorologische Wetterstationen, wobei hierfür spezielle Anforderungen an des Anemometergehäuse - wie bei­ spielsweise Verschmutzungssicherheit etc. - zu stellen sind. Dieses Gehäuse ist weitgehend rotationssymmetrisch auszubilden.

Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen ist nun gegenüber dem bisherigen Stand der Technik, der die vorgeschlagenen Möglichkeiten nicht erkannt hat, ein Sensorchip für ein Anemometer geschaffen, sondern ein Bauelement konzipiert, das problemlos in eine Elektronik oder in anderen Sensoren inte­ grierbar ist und sich durch wesentliche Minimierung der Baugröße und des Leistungsverbrauchs auszeichnet, eine schnelle Ansprechzeit gewährleistet und eine hohe Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit aufweist.

Claims (11)

1. Vorzeichenrichtig messendes Anemometer mit Heizer und Temperatur­ fühler in mikromechanischer Technik, wobei die Temperaturfühler und Heizer symmetrisch zueinander angeordnet sind und Regelelemente die Übertemperatur des Heizers in Abhängigkeit von der Temperatur des Mediums regeln, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorchip (10) des Anemometers sich aus zwei Heizern (1, 2a) zusammensetzt, die gleichzeitig als Temperaturfühler betrieben werden und auf der Vorder- und/oder der Rückseite der thermisch und elektrisch gut isolierenden Membranschicht (3) angeordnet sind und aus einem Material bestehen, dessen Widerstand sich monoton mit der Temperatur ändert, wobei der Abstand (a) der beiden Heizer zueinander klein ist und den Dimensio­ nen der Temperaturfühler entspricht.

2. Anemometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hei­ zer (1, 2) des Sensorchips (10) aus Polysilizium oder einem Metall - z. B. Platin - und die sie tragenden dielektrischen Membran - Schichten (3) aus Siliziumnitrid, Siliziumoxid oder Siliziumoxinitrid oder einem anderen hochohmigem Material bestehen (Fig. 1).

3. Anemometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hei­ zer (1, 2) des Sensorchips (10) in das Substrat implantiert wurden und die sie tragenden dielektrischen Membran - Schichten (3) aus Silizi­ umnitrid, Siliziumoxid oder Siliziumoxinitrid oder einem anderen hochohmigem Material bestehen (Fig. 5a), wobei die Membran die Heizer gegenüber aggressiven Medien oberhalb des Sensors schützt.

4. Anemometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hei­ zer (1, 2) des Sensorchips (10) durch Dotierung - z. B. durch Implanta­ tion - der aus hochohmigem Material - z. B. SiC - bestehenden Mem­ bran hergestellt wird (Fig. 5b).

5. Anemometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Heizer durch eine Passivierungsschicht vor widrigen Umwelteinflüssen geschützt werden.

6. Anemometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich auf der Membran oder dem Sensorchip ein Medien­ temperaturfühler angebracht ist.

7. Anemometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Sensorchip (10) und damit die Hei­ zer/Temperaturfühler (1, 1a, 2, 2a) batteriebetrieben sind.

8. Anemometer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden Heizer (1, 1a, 2, 2a) in Brückenspannung be­ trieben werden.

9. Anemometer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenspannung oder die Summenspannung beider Brückenzweige dazu verwendet wird, die Heizerspannung so zu regeln, daß die Kenn­ linie linearisiert wird.

10. Anemometer nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Summenspannung beider Brückenzweige und/oder das Signal des Medientemperaturfühlers zur Regelung der Übertemperatur verwendet wird um Medientemperaturschwankungen und/oder Viskositätsände­ rungen zu kompensieren.

11. Anemometer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Messung in zwei oder mehr Dimensionen jeweils zwei oder mehr um 90° gegeneinander versetzt angeordnete, vorzei­ chenrichtig messende Anemometer angeordnet sind.