DE3617770A1

DE3617770A1 - Thermischer durchfluss-sensor

Info

Publication number: DE3617770A1
Application number: DE19863617770
Authority: DE
Inventors: Junichi Tenri Nara Tanaka
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1985-05-30
Filing date: 1986-05-27
Publication date: 1986-12-04
Also published as: GB2177212A; DE3617770C2; JPS61274222A; GB8613053D0

Description

«« SAMSON & BULOW

F R von SAMSON-HIMMELSTJERNA D-8000 MÜNCHEN 22 DIPL-PHYS O TELEFON· 0 89/22 94 61

DR.TAM AWonBÜLOW PATENTANWALTSKANZLEI TELEGRAMM:SAMPAT

DIPL.-ING.. DIPL-WIRTSCH-ING TELEX 521 4940 egsa d

O TELEFAX: O 89/29 94 65

Anmelder;

SHARP KABUSHIKI KAISHA

22-22, Nagaike-cho,

Abeno-ku,

Osaka 545 Japan

S 46/5-B 86 Pat

Thermischer Durchfluß-Sensor

Priorität: 30. Mai 1985; Japan; Patentanitieldg. 60-119103

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf einen thermischen Durchfluß-Sensor mit einem Heizwiderstand und ggf. einem die Temperatur eines Fluides erfassenden Widerstand, wobei beide aus einem dünnen Film eines fein verteilten Platins auf einer isolierenden Platte bestehen.

/ Thermische Durchfluß-Sensoren oder Durchflußmesser, auch Strömungsmesser genannt, bei denen ein Hauptstromrohr und ein by-pass-Rohr, durch welches ein Teil des Hauptstromes fließt, verwendet wird und an welches eine Heizeinrichtung angeschlossen ist, werden in großem Umfange verwendet. Derartige Durchflußmesser erfassen die Durchflußrate aus

der Wärmeverteilung, die sich einstellt, wenn das Fluid .0 durch das by-pass-Rohr fließt, während dieses -beheizt wird. Derartige Durchflußmesser haben eine ausgezeichnete Genauigkeit, so daß sie in großem Umfange für die Kontrolle oder Steuerung der Durchflußrate von Halbleitergasen etc. verwendet werden. Sie sind jedoch nicht geeignet für eine Miniaturisierung und/oder eine Massenproduktion. Darüber hinaus sind ihre Herstellkosten so IQ groß, daß sie nur für begrenzte Anwendungsfälle eingesetzt werden.

Ein weiterer bekannter thermischer Durchfluß-Sensor enthält einen Heizwiderstand und einen die Temperatur des Fluides messenden Widerstand, wobei die Durchflußmenge auf der Basis der Änderungen der von dem Heizwiderstand zu dem diesen Heizwiderstand umgebenden Fluid übertragenen Wärmemenge errechnet wird. Berücksichtigt man die Temperatur des Fluides, die durch den die Temperatur des Fluides messenden Widerstand ermittelt wird, so wird die Temperaturdifferenz zwischen dem Fluid und dem Heizwiderstand konstant gehalten, so daß eine Kompensation für Änderungen der Fluidtemperatur durchgeführt werden kann und eine schnelle Antwort erhalten werden kann, unabhängig von der Wärmekapazität des Heizwiderstandes. Darüber hinaus ist es möglich, den Ausgangswert des Durchflußmessers zu vergrößern, wenn die oben erwähnte Temperaturdifferenz auf einen großen Wert festgesetzt wird. Für den Heizwiderstand und den die Temperatur des Fluides

eg messenden Widerstand wird ein Draht aus Platin, Wolfram etc. verwendet. Allerdings ist der Widerstand des Drahtes klein und der Widerstandswert der Durchfluß-Sensoren streut in weiten Bereichen, so daß die Heiztemperatur schlecht eingestellt werden kann und die Genauigkeit der

gc Temperaturmessung ungenügend ist. Darüber hinaus ist die

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Herstellung des verwendeten dünnen Drahtes schwierig, so daß eine Massenproduktion nicht möglich ist.

Weiterhin existiert ein Durchflußmesser, der einen Heiztransistor und einen die Temperatur des Fluides messenden Transistor verwendet, wobei beide auf einem Silicium-Chip angeordnet sind. Diese Durchflußmesser erfassen die Durchflußrate in gleicher Weise wie die oben beschriebenen. Dieser Durchflußmesser wird unter Verwendung einer SiIicium-Verarbeitungstechnik hergestellt, so daß eine Massenproduktion gut möglich ist. Allerdings variieren die Temperaturcharakteristiken der Sensoren, so daß es schwierig ist, hohe Heiζtemperatüren zu erreichen.

Obwohl für Durchfluß-Sensoren weite Anwendungsgebiete existieren, wie z.B. die Überwachung der Durchflußrate von Halbleitergasen, die überwachung der Mischung einer Anzahl von Gasen, die Überwachung der Durchflußrate bei Verbrennungskraftmaschinen und die Messung der Windgeschwindigkeit für Klimaanlagen, so wurden sie gleichwohl aufgrund der oben geschilderten Probleme noch nicht in größerem Umfange in der Praxis eingesetzt.

Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen thermischen Durchfluß-Sensor zu schaffen, der obige Nachteile vermeidet. Insbesondere soll der Durchfluß-Sensor nach der Erfindung folgende Ziele erreichen:

(1) Er soll in Massenproduktion herstellbar sein, gleichförmige Sensor-Charakteristiken haben und unter Anwendung von Produktionsmethoden der Halbleiterfertigung herstellbar sein;

(2) der thermische Durchfluß-Sensor soll auch bei hohen Temperaturen stabil arbeiten;

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(3) der thermische Durchfluß-Sensor soll zu geringen Kosten herstellbar sein; ^

(4) der thermische Durchfluß-Sensor soll miniaturisiert herstellbar sein;

(5) der thermische Durchfluß-Sensor soll geringe elektrische Energie verbrauchen;

(6) der thermische Durchfluß-Sensor soll für die Messung unterschiedlicher Fluide eingesetzt werden können und

(7) der thermische Durchfluß-Sensor soll es ermöglichen, daß die Temperaturdifferenz zwischen dem Fluid und dem Heizwiderstand große Werte einnehmen kann, womit die Ausgangsspannung des Sensors vergrößert wird.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

^Der thermische Durchfluß-Sensor nach der Erfindung, der die oben erwähnten sowie weiteren Nachteile des Standes der Technik vermeidet, enthält einen Heizwiderstand, der Änderungen der Wärmemenge, die von dem Heizwiderstand, der sich in dem Fluid befindet, auf das Fluid übertragen wird, erfaßt, wobei der Heizwiderstand aus einem dünnen Metallfilm besteht, der in einem Muster auf einer isolierenden Platte verteilt ist.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel enthält der go thermische Durchfluß-Sensor weiterhin einen die Temperatur des Fluides messenden Widerstand, der aus einem dünnen Metallfilm besteht, der in einem Muster auf einer isolierenden Platte angeordnet ist, wodurch eine Kompensation von Änderungen des Ausgangssignales des Sensors aufgrund

von Änderungen der Temperatur des Fluides erreicht werden kann. ■*

Vorzugsweise ist der dünne Metallfilm aus Platin.

Das Platin ist insbesondere dafür verantwortlich, daß die obigen, unter Nr. (6) und (7) angegebenen Ziele erreicht werden. Platin ist nämlich auch gegen chemisch agressive Stoffe resistent und behält seine hier benötigten Eigenschaften auch bei hohen Temperaturen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles im Zusammenhang mit der Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1(A) und 1(B) eine Draufsicht bzw. eine Schnittansicht des Heizwiderstandes und/oder des die Temperatur des Fluides messenden Widerstandes des thermischen Durch

fluß-Sensors nach der Erfindung; und

Fig. 2 ein schematisches Schaltbild des

thermischen Durchfluß-Sensors nach der Erfindung.

Die Fig. 1(A) und 1(B) zeigen den Heizwiderstand und/oder den Temperatursensor nach der Erfindung, die wie folgt hergestellt werden:

Auf einem Aluminiumsubstrat 1 wird durch eine Aufsprüh-

Technik ein dünner Platinfilm ausgebildet, worauf ein Glüh-Prozeß folgt, um seine Widerstandsfähigkeit zu stabilisieren. Danach wird auf dem dünnen Platinfilm eine gg Abdeckung (als Stz-Resist) in einem vorgegebenen Muster

ausgebildet, das als Maske für einen nachfolgenden Ätzprozeß mittels eineä Photalithographie-Technik dient. Danach wird der dünne Platinfilm geätzt und zwar unter Anwendung einer Sprüh-Ä'tz-Technik. Nach dem Ä'tzen wird das Abdeckmaterial durch eine Sauerstof fplasma-Ä'tzmethode entfernt. Man erhält dann einen mäanderförmig verlaufenden Widerstandsdraht 2 aus einem dünnen Platinfilm mit einem festen Widerstandswert. Auf diese Weise können der gewünschte Heizwiderstand und der gewünschte, die Fluidtemperatur messende, Meßwiderstand erhalten werden.

Als Substrat können bei der Erfindung verwendet werden: ein Glassubstrat; ein Halbleitersubstrat, das durch Ausbildung eines isolierenden Filmes hergestellt wird, beispielsweise eines Aluminium-Oxid-Filmes oder eines Silicium-Oxid-Filmes auf einem Silicium-Plättchen bzw. Silicium-Waver, etc. Der dünne Platinfilm kann auch durch andere Abscheidungstechniken als das Aufsprühverfahren hergestellt werden, beispielsweise durch ein Druckverfahren usw. Das Ätzen und das Entfernen der Abdeckschicht kann auch in einem "nassen" Verfahren durchgeführt werden.

Fig. 2 zeigt einen Durchfluß-Sensor, der den oben beschriebenen Heizwiderstand und den die Temperatur des Fluides messenden Widerstand besitzt, wobei eine Anordnung aus dem die Temperatur des Fluides messenden Widerstandes 3 und des Heizwiderstandes 4 in den Durchflußweg 7, durch den das Fluid in Richtung des Pfeiles fließt, eingesetzt ist. Der die Temperatur des Fluides messende Widerstand 3 liegt stromaufwärts des Heizwiderstandes 4. Der Fluidtemperatur-Meßwiderstand 3 und der Heizwiderstand 4 sind mit elektrischen Widerstandselementen 5 bzw. 6 verbunden und zwar in einer Brückenschaltung. Der Verbindungspunkt zwischen den elektrischen Widerstandsele-

menten 5 und 6 ist geerdet. Die Brückenschaltung ist mit eineijj Rückkopplungsschaltkreis verbunden,- in weichem die Poteritialdifferenz zwischen dem einem Brückenzweig (Fluidtemperatur-Meßwiderstand 3 und elektrischer Widerstand 5) und dem anderen Brückenzweig (Heizwiderstand 4 und elektrischer Widerstand 6) von einem Differentialverstärker 8 verstärkt wird, welcher das Basispotential eines Transistors 9 steuert. Der Emitteranschluß des Transistors 9 ist gleichzeitig mit dem Fluidtemperatur-Meßwiderstand 3 und dem Heizwiderstand 4 verbunden, worüber der Transistor 9 getrieben wird. Sowohl der Fluidtemperatur-Meßwiderstand 3 als auch der Heizwiderstand 4 werden von dem Rückkopplungsschaltkreis so gesteuert, daß die Temperaturdifferenz zwischen dem Widerstand 3 und dem Widerstand 4 auf einem vorgegebenen festen Wert gehalten wird, unabhängig von Temperaturänderungen des Fluides, das durch den Weg 7 fließt und das beispielsweise ein Öl, eine chemische Reagenzflüssigkeit, ein Gas etc. sein kann.

Wenn der Transistor 9 eingeschaltet ist, fließt elektrischer Strom von einem Eingangsanschluß 10 zu dem Heizwiderstand 4, so daß in diesem Wärme erzeugt wird. Ist die Durchflußrate des Fluides, das durch den Weg 7 fließt, groß, so wird eine große Wärmemenge von dem Heizwiderstand 4 an das Fluid abgegeben. Umgekehrt wird bei geringer Durchflußrate nur eine geringe Wärmemenge von dem Heizwiderstand 4 an das Fluid abgegeben.

Folglich kann die Durchflußrate des Fluides dadurch bestimmt werden, daß Änderungen der von dem Heizwiderstand an das Fluid abgegebenen bzw. übertragenen Wärmemenge in folgender Weise bestimmt wird:

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der durch den Heizwiderstand 4 fließende (elektrische) Strom wird auf einem festen Wert gehalten; die Temperatur des Heizwiderstandes 4 wird gemessen, während das Fluid fließt. Alternativ hierzu kann die Temperaturdifferenz zwischen dem Fluid und dem Heizwiderstand auf einem festen Wert dadurch gehalten werden, daß der elektrische Strom, der durch den Heizwiderstand 4 fließt, geregelt wird, worauf die Durchflußrate des Fluides aus den Änderungen des elektrischen Stromes errechnet werden kann.

Das Ausführungsbeispiel der Fig. 2 zeigt die letztere Betriebsweise, bei der die Temperaturdifferenz zwischen dem Fluid und dem Heizwiderstand 4 auf einem festen Wert gehalten wird. Obwohl dieses Ausführungsbeispiel eine Brückenschaltung zeigt, die sowohl den die Fluidtemperatur messenden Widerstand 3 und den Heizwiderstand 4 aufweist, um die Temperaturdifferenz zwischen dem Fluid und dem Heizwiderstand auf einem festen Wert zu halten, ist der die Temperatur des Fluides messende Widerstand 3 hier nicht wesentlich. Für den Fall, daß der die Fluidtemperatur messende Widerstand nicht mit integriert ist oder für den Fall, daß die Temperatur des Fluides sich in sehr großem Umfange ändert, kann man einen Temperaturdetektor wie z. B. einen Thermokoppler oder ähnliches mit dem Heizwiderstand verbinden und den Strom dadurch überwachen, daß das Schalten des Transistors 9 so gesteuert wird, daß die Temperatur des Heizwiderstandes auf einem festen Wert ist.

Will man die Durchflußrate auch dann bestimmen, wenn die

Temperatur des Fluides sich ändert, so ist nach dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 vorgesehen, den die Temperatur des Fluides messenden Widerstand 3 stromaufwärts des Heizg5 Widerstandes 4 anzuordnen und zwar in einer Brückenschal-

tung, wodurch die Temperatur des Pluides gemessen wird und der dem Heizwiderstand 4 zugeführte Strom durch den Rückkopplungsschaltkreis so geregelt wird, daß die Temperaturdifferenz zwischen dem Fluid und dem Heizwiderstand 4 auf einem festen Wert gehalten wird. Diese Temperaturdifferenz zwischen dem Fluid und dem Heizwiderstand wird in oben beschriebener Weise auf einem festen Wert gehalten, so daß eine schnelle Antwort auf A'nderun- IQ gen der Durchflußrate erhalten werden kann, unabhängig von der Wärmekapazität des Heizwiderstandes. Wenn die Temperaturdifferenz auf einem großen Wert liegt, so kann auch das Ausgangssignal des Temperatursensors vergrößert werden.

Es sei darauf hingewiesen, daß verschiedene Modifikationen von einem Fachmann durchgeführt werden können, ohne daß der Schutzumfang und das Wesen der Erfindung verlassen werden. Entsprechend sei darauf hingewiesen, daß der Schutzumfang der Patentansprüche nicht durch die obige Beschreibung eingeschränkt wird und daß die Patentansprüche alle patentfähigen Merkmale der vorliegenden Erfindung enthalten, einschließlich all diejenigen Merkmale, die von dem Fachmann des vorliegenden Gebietes als Äquivalente angesehen werden.

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Claims

SAMSON & BÜLOW 3&XU.7

PATENTANWÄLTE

RH. von SAMSON-HIMMELSTJERNA ] D-8000 MÜNCHEN 22

DIPL-PHYS. η ATCMT α κι«/a ITCV A M-7I ei TELEFONrO89/22 94 61

OT. TAM A. von BÜLOW PATENTANWALTSKANZLEI TELEGRAMM: SAMPAT

OPL-ING., DiPL-WIRTSCH.-ING. TELEX 521 4940 egsa ä

TELEFAX: O 89/29 94 65

Anmelder:

SHARP KABUSHIKI KAISHA

22-22, Nagaike-cho,

Abeno-ku,

Osaka 545 Japan

S 46/5-B 86 Pat

Thermischer Durchfluß-Sensor

Priorität: 30. Mai 1985; Japan; Patentanmeldg. 60-119103

Patentansprüche

Thermischer Durchfluß-Sensor gekennzeichnet durch einen Heizwiderstand (4), der Änderungen der von dem Heizwiderstand (4) an ein Fluid abgegebenen Wärmemenge erfaßt, wobei der Heizwiderstand (4) in dem Fluid (Strömungsweg 7) angeordnet ist und wobei der Heizwiderstand (4) aus einem, in einem Muster auf einer isolierenden Platte (1) verteilt angeordnetem dünnen Metallfilm (2) besteht.

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2. Thermischer Durchfluß-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß* zusätzlich ein die Temperatur des Fluides messender Widerstand (3) vorgesehen ist, der aus einem, in einem Muster auf einer isolierenden Platte (1) verteilt angeordnetem dünnen Metallfilm besteht, wodurch Änderungen des Ausgangssignales des Sensors aufgrund Temperaturänderungen des Fluides kompensiert werden können.
3. Thermischer Durchfluß-Sensor nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß der dünne Metallfilm aus Platin besteht.