DE4102920A1 - Einrichtung zur messung der wirbelfrequenz - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Mes­ sung der Wirbelfrequenz insbesondere bei Wirbelablösungs- Strömungsmessern, mit einem Staukörper, der in einem Kanal angeordnet ist, in dem das Medium strömt.

Die Messung der Wirbelfrequenz nach einem Staukörper ist bei einer Reihe von strömungsmechanischen Untersuchungen sowie bei der Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit und/oder der Durchflußmenge von Bedeutung.

An eine Einrichtung zur Messung der Frequenz der Wirbel, die durch einen Staukörper in einem Kanal erzeugt werden, sind insbesondere folgende Anforderungen zu stellen:
1. kleine Zeitkonstante
2. große Empfindlichkeit
3. kleine umströmte Länge.

Die bislang bekannten Einrichtungen zur Messung der Wir­ belfrequenz mit einem Staukörper, der in einem Kanal ange­ ordnet ist, in dem das Medium strömt, erfüllen diese An­ forderungen nur unzureichend.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Messung der Wirbelfrequenz insbesondere bei Wirbelab­ lösungs-Strömungsmessern, mit einem Staukörper, der in einem Kanal angeordnet ist, in dem das Medium strömt, an­ zugeben, die eine kleine Zeitkonstante und eine kleine um­ strömte Länge sowie eine große Empfindlichkeit aufweist.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im An­ spruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß ist in der Wirbelzone ein Wirbelfrequenz- Sensor angeordnet ist, der eine elektrisch beheizbare Widerstandsschicht aufweist, die eine Anordnung von durch­ gängigen Öffnungen aufweist; weiterhin ist die Wider­ standsschicht nur über einen schmalen Randbereich mit einem Tragekörper verbunden.

Erfindungsgemäß weist der Wirbelfrequenz-Sensor also eine elektrisch beheizbare Widerstandsschicht auf, die mit dem strömenden Medium in thermischem Kontakt steht. Durch die Widerstandschicht fließt ein elektrischer Strom, der eine Erwärmung der Schicht bewirkt. In Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit des umgebenden Mediums, die im wesentlichen durch die an der Widerstandsschicht "anlie­ genden Wirbel" bestimmt wird, wird der Schicht Wärme ent­ zogen. Die zur Aufrechterhaltung einer konstanten Tempera­ tur erforderliche (zeitlich variable) Heizleistung stellt damit ein Maß für die Wirbel dar und erlaubt somit insbe­ sondere die Messung der Wirbelfrequenz.

Da die Widerstandsschicht des Wirbelfrequenz-Sensors nur über einen schmalen Randbereich mit dem Tragekörper ver­ bunden und allseitig von dem strömenden Medium umgeben ist, erhält man eine kleine Zeitkonstante des Sensors.

Durch die Anordnung von durchgängigen Öffnungen in der Widerstandsschicht des Sensors, aufgrund derer der Sensor "quer durchströmt" wird, so daß sich ein besonders guter Wärmeübergang ergibt, erhält man eine große Empfindlich­ keit, die es ermöglicht, auch kleine durch die Wirbelfre­ quenzen hervorgerufene Meßsignale zu detektieren.

Vor allem aber ergibt sich aufgrund der Struktur von durchgängigen Öffnungen, mit denen die Widerstandsschicht versehen ist, eine Art Karman′sche Wirbelstraße. Insbeson­ dere ergeben sich dabei Staukörper, an denen sich wechsel­ weise Wirbel bilden, die durch die Strömung abgelöst wer­ den und zu einer Oszillation der Heizleistung führen. Der Staukörper kann vor dem Chip, mikromechanisch strukturiert und im Meßchip integiert sein, aber auch mit dem Meßchip identisch sein. In einem weiten Bereich der Strömungsge­ schwindigkeit (abhängig von Stouhalzahl, Reynoldszahl) ist die Wirbelablösefrequenz proportional zur Strömungsge­ schwindigkeit. Mit Hilfe einer Konstanttemperatur-Elektro­ nik sind mit der erfindungsgemäßen Einrichtung Frequenzen im Bereich von einigen Kiloherz detektierbar. Um die für eine Absolutmessung der Strömungsgeschwindigkeit erforder­ liche Bestimmung der Temperatur des strömenden Mediums durchführen zu können, sind nach Anspruch 4 auf dem Trage­ körper Temperaturfühler, beispielsweise geeichte, tempera­ turabhängige Widerstände, integriert.

Darüber hinaus hat der erfindungsgemäß verwendete Sensor eine kleine umströmte Länge. Der Schallausschlag, d. h. die gesamte Strecke, die das Medium - beispielsweise Luft - bei einer einzelnen Schallschwingung zurücklegt, liegt bei Luft und Frequenzen von 100 Hz in der Größenordnung 10 µm. Der Sensor hat eine umströmte Länge, die in der Größenord­ nung der Widerstandsschicht liegt, die beispielsweise nach Anspruch 5 eine Membran sein kann.

Der Wirbelfrequenz-Sensor kann dabei in der Wirbelzone neben dem Staukörper oder hinter dem Staukörper angeordnet sein. In jedem Falle ist es jedoch bevorzugt, wenn sich sich die Widerstandsschicht in etwa parallel zur Kanal­ richtung bzw. zur Richtung der ungestörten Strömung erstreckt. Hierdurch ist gewährleistet, daß im wesentli­ chen nur "Wirbel" eine Änderung der Wärmeübertragungsbe­ dingungen an der Widerstandsschicht hervorrufen.

Eine besonders bevorzugte Anordnung des Wirbelfrequenz- Sensors ist im Anspruch 3 gekennzeichnet:
Bei dieser Ausbildung umschließt der Staukörper einen Raum, der über seitliche Öffnungen in dem Staukörper mit dem Kanal verbunden ist; in diesem Raum ist der Wirbelfre­ quenz-Sensor derart angeordnet, daß sich seine Wider­ standsschicht in etwa senkrecht zur Verbindungslinie der seitlichen Öffnungen erstreckt. Hierdurch ist eine optima­ le Entkoppelung des Sensors von der eigentlichen Strömung gegeben, da in den Raum nur "Wirbel" eintreten.

Bevorzugte Ausbildungen des erfindungsgemäßen Wirbelfre­ quenz-Sensors sind in den Ansprüchen 5 f. gekennzeichnet:
Nach Anspruch 5 besteht die Widerstandsschicht aus einer Silicium-Epitaxieschicht und der Tragekörper aus einem Silicium-Einkristall. Die Einrichtung kann somit aus den in der Mikroelektronik und Mikromechanik üblichen Materia­ lien und mit den dort bekannten Verfahren hergestellt werden.

Ferner ist es auch möglich, daß Widerstandsschicht aus dotiertem Silicium, das mittels eines CVD-Verfahrens abge­ schieden ist, oder aus einer Metallschicht, die mittels eines PVD- oder CVD-Verfahrens abgeschieden ist, und der Tragekörper aus einem geeigneten Substratmaterial beste­ hen (Ansprüche 6 bzw. 7).

Besonders einfach ist die Ausgestaltung nach Anspruch 8 aus einem Silicium-Wafer herstellbar. Die Einrichtung besteht aus einer an sich bekannten Membrane mit Stütz­ rand, die mit den entsprechenden elektrischen Kontakten versehen wird. Das gesamte Volumen der Membrane dient hierbei als heizbare Widerstandsschicht.

Eine Einrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Medien, die aus halbleitendem Material hergestellt wird, sind zwar bereits aus den deutschen Offenlegungs­ schriften DE 36 06 851 und DE 35 10 794 bekannt. Diese bekannten Einrichtungen zur Messung der Strömungsgeschwin­ digkeit werden jedoch als quer angeströmte Sensoren ver­ wendet, so daß sie bislang weder für die Messung von Wir­ belfrequenzen in Betracht gezogen worden noch hierzu über­ haupt geeignet sind.

Die Widerstandschicht kann gemäß Anspruch 9 durch Mate­ rialabtrag strukturiert und damit dem jeweiligen Anwen­ dungsfall angepaßt werden. Beispielsweise wird die Mem­ bran nach Anspruch 10 bis auf einen oder mehrere schmale Streifen abgetragen. Wird als Struktur der Widerstands­ schicht nur ein Streifen mit einer Breite von etwa 10 µm gewählt, entsteht eine mikromechanische Hitzdrahtsonde. Während die bisher bekannten Hitzdrahtsonden in einem aufwendigen Prozeß einzeln kalibriert werden müssen, kann die erfindungsgemäße Sonde durch Lasertrimmen abgeglichen werden.

Wird die Membran so strukturiert, daß zwei parallele Streifen entstehen, die elektrisch nicht miteinander ver­ bunden sind, kann die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums über die Berechnung eines Korrelationsspektrums erfolgen. Diese Methode erlaubt besonders präzise Messungen.

Gemäß Anspruch 11 ist die elektronische Schaltung zur Steu­ erung der Heizleistung und zur Auswertung des Meßsignals ebenfalls auf dem Tragekörper integriert. Dadurch wird eine besonders kompakte Einrichtung zur Messung der Strö­ mungsgeschwindigkeit bereitgestellt, die auf nur einem Chip untergebracht ist.

Ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Einrichtung, das ausschließlich bekannte Verfahrensschrit­ te der Mikroelektronik und der Mikrostrukturtechnik ver­ wendet, ist in Anspruch 12 gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbe­ sondere darin, daß die heizbare Widerstandschicht allsei­ tig von dem strömenden Medium umgeben ist, wodurch ein besonders wirksamer thermischer Kontakt erreicht wird. Dadurch können bereits geringfügige Änderungen der Strö­ mungsgeschwindigkeit nachgewiesen werden. Da die Wider­ standsschicht nur über einen schmalen Rand mit dem Trage­ körper verbunden ist, ist die Wärmeabgabe an den Tragekör­ per vernachlässigbar. Diese thermische Abkopplung führt zu einer niedrigen Ansprechzeit der erfindungsgemäßen Ein­ richtung.

Die mikromechanische Fertigung der Einrichtung erlaubt die Herausbildung komplexer Strukturen der Widerstandsschicht. Damit sind gut problemangepaßte Lösungen erzielbar.

Die Einrichtung kann gemeinsam mit einer elektronischen Schaltung zur Auswertung der Meßsignale auf einem Chip integriert werden. Auf einem Wafer können gleichzeitig mehrere identische Einrichtung hergestellt werden. Dadurch wird die Herstellung besonders einfach und preiswert.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungs­ beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher be­ schrieben, in der zeigen:

Fig. 1 schematisch eine erfindungsgemäße Einrichtung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Wirbel­ frequenz-Sensors,

Fig. 3 einen Ausschnitt aus der strukturierten Wider­ standsschicht in Fig. 2 in Draufsicht.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Mes­ sung der Wirbelfrequenz insbesondere bei Wirbelablösungs- Strömungsmessern. Die Einrichtung weist Staukörper (11) auf, der in einem Kanal (12) angeordnet ist, in dem ein Medium (13) strömt. Der Staukörper (11) umschließt einen Raum (14), der über seitliche Öffnungen (15) und (16) in dem Staukörper (11) mit dem Kanal (12) verbunden ist. In dem Raum ist ein Wirbelfrequenz-Sensor (17) angeordnet, der im einzelnen in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist.

Fig. 2 zeigt, daß der Sensor einen Tragekörper (1) auf­ weist. Der Tragekörper (1) ist aus einem Silicium-Wafer gefertigt und hat die ursprüngliche Stärke eines Wavers von ca. 500 µm. Er ist ringförmig oder rechteckig ausge­ bildet. Der Tragekörper (1) unterstützt die Widerstand­ schicht (2) in einem schmalen Randbereich von etwa 15 µm. Nur in den Bereichen der elektrischen Kontakte (4) erst­ reckt sich die Widerstandsschicht (2) über den gesamten Durchmesser des Tragekörpers (1).

Die Widerstandsschicht (2) besteht aus einer epitaktisch abgeschiedenen Schicht aus hochdotiertem Silicium und ist je nach Einsatzgebiet einige um bis einige 10 µm dick. Das gesamte Volumen der Epitaxieschicht dient als Heizwider­ stand. Der Innenwiderstand dieses Heizwiderstandes ist durch die Geometrie und durch die Stärke der Dotierung der Schicht einstellbar.

Im freitragenden Bereich ist die Widerstandsschicht struk­ turiert. Die Struktur der Widerstandsschicht (2), die aus einer Anordnung von Langlöchern (3) besteht, ist in Fig. 2 dargestellt. Im Bereich der Löcher (3) wird das Material mit Hilfe der Photolithographie und isotropen Ätzverfah­ ren, thermischer Laserbearbeitung oder laserunterstützten Ätzen entfernt. Die Löcher (3) haben eine Breite von 10 µm und eine Länge von 50 µm, ihr Abstand beträgt 10 µm.

Die verbleibende Struktur der Widerstandsschicht kann als Staukörper in der Strömung dienen. Diese Anordnung eignet sich zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit durch Messung der Wirbelablösefrequenz.

Die angegebenen Zahlenwerte stellen keine Einschränkung dar, sondern beziehen sich auf einen speziellen Anwen­ dungsfall. Die Struktur der Widerstandsschicht und die Abmessungen werden dem jeweiligen Einsatzgebiet angepaßt.

Claims (12)

1. Einrichtung zur Messung der Wirbelfrequenz insbesonde­ re bei Wirbelablösungs-Strömungsmessern, mit einem Stau­ körper, der in einem Kanal angeordnet ist, in dem das Medium strömt, dadurch gekennzeichnet,
daß in der Wirbelzone ein Wirbel­ frequenz-Sensor angeordnet ist, der eine elektrisch be­ heizbare Widerstandsschicht aufweist, die eine Anordnung von durchgängigen Öffnungen aufweist, und
daß die Widerstandsschicht nur über einen schmalen Randbe­ reich mit einem Tragekörper verbunden ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Widerstandsschicht in etwa parallel zur Kanalrichtung bzw. zur Richtung der ungestörten Strömung erstreckt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Staukörper einen Raum umschließt, der über seitliche Öffnungen in dem Staukörper mit dem Kanal verbunden ist, und daß in dem Raum der Wir­ belfrequenz-Sensor derart angeordnet ist, daß sich seine Widerstandsschicht in etwa senkrecht zur Verbindungslinie der seitlichen Öffnungen erstreckt.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Tragekörper wenigstens ein Temperaturfühler integriert ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschicht aus einer Silicium-Epitaxieschicht und der Tragekörper aus einem Silicium Einkristall (Wafer) bestehen.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschicht aus dotiertem Silicium, das mittels eines CVD-Verfahrens abge­ schieden ist, und der Tragekörper aus einem geeigneten Substratmaterial bestehen.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschicht aus einer Metallschicht, die mittels eines PVD- oder CVD- Verfahrens abgeschieden ist, und der Tragekörper aus einem geeigneten Substratmaterial bestehen.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschicht als eine Membran und der Tragekörper als Stützrand ausgebil­ det ist.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschicht durch Materialabtrag strukturiert ist.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschicht als ein oder mehrere schmale Streifen ausgebildet ist.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Tragekörper eine elek­ tronische Schaltung zur Auswertung von Meßsignalen inte­ griert ist.

12. Verfahren zur Herstellung eines Wirbelfrequenz-Sensors gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

• - auf einen niedrigdotierten Siliciumwafer mit der Orien­ tierung 100 wird eine hochdotierte Silicium-Schicht epi­ taktisch abgeschieden,
• - auf der Schicht werden mit Hilfe der Photolithographie, von Ätzverfahren und Aufdampfen von Aluminium elektroni­ sche Zuführungen und elektrische Kontakte erzeugt,
• - auf der Waferunterseite wird eine Schicht aus Silicium- Nitrid aufgebracht und als Ätzmaske strukturiert,
• - das Wafermaterial wird bis auf einen Stützrand, der den Tragekörper bildet, durch anisotropes Ätzen, strukturiert entfernt, wobei der Ätzprozeß an der hochdotierten Epita­ xieschicht selbständig stoppt und die Epitaxieschicht als Membrane freigelegt wird,
• - die Epitaxieschicht wird durch Photolithographie und isotropes Ätzen, thermische Laserbearbeitung oder laserun­ terstütztes Ätzen strukturiert und im Bereich des Trage­ körpers bis auf einen schmalen Rand entfernt.