DE4130210A1 - Vorrichtung und verfahren zum bestimmen der stroemungsgeschwindigkeit eines gases oder einer fluessigkeit - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Be­ stimmen der Strömungsgeschwindigkeit eines Gases oder einer Flüssigkeit sowie ein Verfahren zum Bestimmen der Strömungs­ geschwindigkeit eines Gases oder einer Flüssigkeit.

In der älteren, nicht vorveröffentlichten deutschen Patent­ anmeldung P 40 27 704.6-52 der Anmelderin sind bereits ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Strömungs­ geschwindigkeit eines Gases oder einer Flüssigkeit beschrie­ ben. Bei diesem Verfahren werden zwei voneinander mit dem Gas bzw. mit der Flüssigkeit in einem leitfähigen Kontakt stehende Elektroden derart mit einer Spannung beaufschlagt, daß eine der Elektroden in das Gas bzw. in die Flüssigkeit Ionen injiziert, deren Ladung zumindest teilweise auf die andere Elektrode übertragen wird, wodurch ein Meßstrom er­ zeugt wird. Es wird die Zeitdauer zwischen der zeitlichen Änderung des an die Elektroden angelegten Spannungssignales, das zu der Ioneninjektion geführt hat, und der Erfassung einer Änderung eines Meßstromes, der von der die Ladung empfangenden Elektrode stammt, gemessen. Aufgrund der Zeit­ dauer zwischen der Änderung der Spannung und somit der Ioneninjektion und der Änderung des Meßstromes wird die Strömungsgeschwindigkeit des Gases bzw. der Flüssigkeit zwi­ schen den Elektroden bestimmt. Die Ioneninjektion in die be­ züglich ihrer Strömungsgeschwindigkeit zu messende Flüssig­ keit bzw. in das bezüglich seiner Strömungsgeschwindigkeit zu messende Gas ist somit eine unabdingbare Voraussetzung dieses älteren Meßverfahrens. Eine derartige Ioneninjektion stellt jedoch nötigerweise einen Eingriff in die Zusammen­ setzung des Gases bzw. der Flüssigkeit dar, der nicht immer hingenommen werden kann. Insbesondere bei hohen Reinheits­ anforderungen, wie beispielsweise bei medizinischen Anwen­ dungen, können derartige Ioneninjektionen unerwünscht sein, so daß das Meßverfahren nach dieser älteren Anmeldung nicht für alle Anwendungszwecke mit hohen Reinheitsanforderungen geeignet ist. Ferner tritt bei dem Verfahren nach der ge­ nannten älteren Anmeldung nötigerweise ein Stromfluß über die Elektrodenoberfläche auf, aufgrund dessen es zu elektro­ chemischen Veränderungen an der Elektrodenoberfläche kommen kann. Auch derartige Veränderungen sind bei Anwendungsfällen mit extrem hohen Reinheitsanforderungen nicht immer hinnehm­ bar.

Aus der Fachveröffentlichung J. Phys. D: Appl. Phys., 15 (1982), 2505-2512 ist es bekannt, daß durch Anlegen einer Spannung an zwei isolierte Elektroden in einer stationären Flüssigkeit Raumladungen erzeugt werden, die zu Bildladungen in dem leitfähigen Teil der Elektroden führen. Diese Schrift befaßt sich somit nicht mit der Messung von Strömungsge­ schwindigkeiten von Gasen oder Flüssigkeiten.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegen­ den Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen der Strömungsgeschwindigkeit eines Gases oder einer Flüssigkeit anzugeben, das eine präzise Messung ermöglicht, ohne daß die bezüglich ihrer Strömungs­ geschwindigkeit zu messende Flüssigkeit bzw. das bezüglich seiner Strömungsgeschwindigkeit zu messende Gas beeinträch­ tigt werden.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Patentan­ spruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 10 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem erfindungsge­ mäßen Verfahren werden wenigstens zwei gegenüber dem Gas bzw. der Flüssigkeit isolierte Elektroden verwendet, die im wesentlichen in Strömungsrichtung des Gases bzw. der Flüs­ sigkeit gegeneinander beabstandet sind und mit einem derar­ tigen Spannungssignal beaufschlagbar sind, daß in dem Gas bzw. in der Flüssigkeit ausgebildete Raumladungen verschoben werden und hierdurch Bildladungen zwischen den Elektroden umgeladen werden, wodurch ein Meßstrom erzeugt wird, wobei die Zeitdauer zwischen einer Änderung der zwischen den Elek­ troden anliegenden Spannung und einer Änderung des Meßstro­ mes ermittelt und hieraus die Strömungsgeschwindigkeit des Gases bzw. der Flüssigkeit abgeleitet wird.

Bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteran­ sprüchen angegeben.

Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der erfindungs­ gemäßen Strömungsgeschwindigkeitsmeßvorrichtung sowie des erfindungsgemäßen Strömungsgeschwindigkeitsmeßverfahrens näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a eine erste Ausgestaltung einer Meßvorrichtung;

Fig. 1b eine zweite Ausgestaltung der Meßvorrichtung;

Fig. 2a,2b Darstellungen der Raumladungs- und Bildladungsver­ teilung an den isolierten Elektroden der Meßvor­ richtung;

Fig. 3 ein Blockdiagramm für die Bestimmung der Strömungs­ geschwindigkeit aufgrund der von der in Fig. 1a ge­ zeigten Meßvorrichtung abgegebenen Signale; und

Fig. 4 ein weiteres Blockdiagramm für die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit aufgrund der von der in Fig. 1b gezeigten Meßvorrichtung abgegebenen Signa­ le; und

Fig. 5 bis 9 eine perspektivische Darstellung sowie Querschitts­ darstellungen einer ersten bis fünften Ausführungs­ form einer Elektrodenstruktur für die erfindungsge­ mäße Strömungsgeschwindigkeitsmeßvorrichtung.

Die in Fig. 1a gezeigte Durchflußmeßvorrichtung, die in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist, um­ faßt eine von einem Fluid durchströmte Röhre 2, in der senk­ recht zur Strömungsrichtung eine Mehrzahl von miteinander leitfähig verbundenen ersten Elektroden 3 und hiervon in Strömungsrichtung beabstandet und gleichfalls senkrecht zur Strömungsrichtung angeordnet eine Mehrzahl von ebenfalls leitfähig miteinander verbundenen zweiten Elektroden 4 vor­ gesehen sind.

Wie unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren noch weiter verdeutlicht wird, sind die jeweils miteinander ver­ bundenen Elektroden 3, 4 vorzugsweise Bestandteile von ein­ stückigen Elektrodenkörpern, die jeweils leitfähige innere bereiche 3a, 4a haben, welche miteinander in leitender Ver­ bindung stehen, und welche ferner isolierende äußere Berei­ che 3b, 4b haben, die die leitfähigen inneren Bereiche 3a, 4a umschließen.

An zwei Anschlüssen 5, 6 kann ein Spannungssignal, welches vorzugsweise die Form eines Spannungsimpulses U(t) hat, zwi­ schen den beiden Elektroden 3, 4 angelegt werden.

Wie unter anderem unter Bezugnahme auf die Fig. 2a, 2b näher erläutert werden kann, sei zunächst der Spezialfall angenom­ men, daß an den Elektroden 3, 4 vor Beginn der Messung keine Spannung anliegt. Im allgemeinen kann jedoch, wie für den Fachmann offensichtlich ist, eine konstante, von Null ver­ schiedene Spannung anliegen. Wie in Fig. 2a gezeigt ist, haben sich an den beiden Elektroden 3, 4 nach dem Modell von Stern in der Flüssigkeit bzw. in dem Fluid Raumladungen aus­ gebildet, die sich dicht an den Elektroden 3, 4 in der Helm­ holtz-Schicht und in der darin anschließenden Goüy- und Chapman-Schicht befinden. Die Ladungen in diesen beiden Schichten oder Zonen können die gleiche Polarität haben, wie dies bei dem gezeigten Beispiel der Fall ist, oder unter­ schiedliche Polaritäten besitzen. Die Helmholtz-Schicht wird von fest an der Grenzfläche der Elektroden absorbierten Ionen gebildet, die unbeweglich sind und auch von hohen elektrischen Feldern nicht beeinflußt werden. Diese Schicht wird von der Messung nur geringfügig beeinflußt. Die Dicke der Schicht entspricht etwa dem Durchmesser der Ionen, die diese Schicht bilden. Das elektrische Potential fällt in diesem Bereich linear ab. Im Gegensatz dazu wird die diffuse Raumladungszone innerhalb der Goüy- und Chapman-Schicht von beweglichen Ionen gebildet, wobei die Konzentration dieser Ionen und das elektrische Potential in diesem Bereich expo­ nentiell abfallen, wobei die Dicke dieser Zone stark von der Konzentration des in der Flüssigkeit vorhandenen Elektroly­ ten abhängt. Unter der Dicke dieser Schicht wird diejenige Strecke bezeichnet, innerhalb der das elektrische Potential auf 1/e abgefallen ist. In der nachfolgenden Tabelle ist die Dicke für einwertige Elektrolyten bei einer Temperatur von 300 k bei verschiedenen Konzentrationen angegeben:

c (mol/dm³)
10-1 10-3 10-5 10-7 10-9 10-11
Ld (µm)	10-3 10-2 10-1 10-0 10-1 10-2

Der wichtige Unterschied zwischen der Helmholtz-Zone und der Goüy-Chapman-Zone besteht darin, daß die letztere durch be­ wegliche Raumladungen gebildet wird, die bei Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden von einer Elektrode zu der anderen bewegt werden.

In Fig. 2b wird eine negative Spannung an die rechte Elek­ trode 4 angelegt, wodurch einerseits die positive Bildladung von der rechten Elektrode abgesaugt und andererseits die ne­ gative Raumladung von dieser Elektrode abgestoßen werden. Die beweglichen Raumladungen wandern dem Potentialgefälle entsprechend zu der Gegenelektrode 3, wobei die Geschwindig­ keit dieser Ionen abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit des zwischen den Elektroden befindlichen Fluids ist. Die Ge­ schwindigkeit der Ionen setzt sich zusammen aus der Strö­ mungsgeschwindigkeit des Gases bzw. der Flüssigkeit sowie einem feldstärkeabhängigen Term, der aus dem Produkt der Be­ weglichkeit der Ionen und dem elektrischen Feld gebildet ist. Erfaßbar ist bei der in den Fig. 1 und 2 angedeuteten Strömungsgeschwindigkeitsmeßanordnung diejenige Geschwindig­ keitskomponente des sich bewegenden Fluids, die senkrecht zu den Elektrodenoberflächen verläuft.

Wie in Fig. 2b angedeutet ist, sammeln sich an der Gegen­ elektrode 3 sowohl die Raumladungen in der Flüssigkeit bzw. dem Gas als auch die Bildladungen in dem leitfähigen Teil 3a der Elektrode 3, bis ein neuer Gleichgewichtszustand einge­ nommen ist. Durch die Verschiebung der Bildladungen wird der meßstrom erzeugt, dessen Verlauf von der Strömungsgeschwin­ digkeit des Gases bzw. der Flüssigkeit abhängt. Der Maximal­ wert des Meßstromes wird dann erreicht, wenn die Ladungsträ­ ger an der Gegenelektrode 3 eintreffen. Ein beispielshafter Verlauf des Meßstromes nach Anlegen eines Spannungssprung­ signals ist in Fig. 5 gezeigt. Die Zeitdauer zwischen dem Anlegen der Meßspannung und dem Auftreten des Strommaximums hängt von der Strömungsgeschwindigkeit in der Flüssigkeit ab. Rechnerische und experimentell ermittelte Zusammenhänge zwischen der Zeitdauer und der Strömungsgeschwindigkeit bzw. der Durchflußmenge sind in den Fig. 6 und 7 gezeigt.

Fig. 1b zeigt eine weitere Ausgestaltung einer erfindungsge­ mäßen Durchflußmeßvorrichtung, die in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist. Diese umfaßt gleich­ falls eine Röhre 12, eine Mehrzahl von senkrecht zur Strö­ mungsrichtung angeordneten und miteinander leitfähig verbun­ denen Elektrodenkörpern 13, 14, 15 die jeweils leitfähige innere Bereiche 13a, 14a, 15a und isolierende äußere Berei­ che 13b, 14b, 15b haben. Ein Spannungspuls U(t) kann an An­ schlüsse 16, 17 angelegt werden und führt zu einer sich in Strömungsrichtung ausbreitenden und zu einer sich entgegen der Strömungsrichtung des Fluids ausbreitenden Ionenfront bzw. Raumladungsfront.

Bei den Ausführungsformen gemäß den Fig. 1a und 1b führen die entstehenden Meßströme an dem Meßwiderstand R_M bzw. an den Meßwiderständen R₁, R₂ zu Spannungen, die als Meßsignale für die Laufzeitmessung weiter verarbeitet werden können.

Wie später im einzelnen dargelegt wird, wird bei der Ausfüh­ rungsform gemäß Fig. 1 die Laufzeit zwischen dem Anlegen des Spannungspulses und dem Auftreten des Strommaximums und bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1b die Laufzeitdifferenz zwi­ schen den Maxima der Ströme und somit der an den Widerstän­ den R₁, R₂ abgenommenen Meßspannungen herangezogen.

Fig. 3 ist ein Blockdiagramm einer Schaltung zum Bestimmen der Durchflußmenge bzw. Strömungsgeschwindigkeit für die in Fig. 1 gezeigte Durchflußmeßvorrichtung. Wie in Fig. 3 ge­ zeigt ist, umfaßt die Schaltung einen Taktgenerator 20, der ein Taktsignal zu einem Zähler 21 zuführt. Ein Impulsgenera­ tor 22, der zum Erzeugen des bereits erwähnten Spannungsim­ pulses U(t) dient, ist ausgangsseitig an die Durchflußmeß- Vorrichtung 1 angeschlossen, wie dies unter Bezugnahme auf Fig. 1 erläutert wurde. Mit Erzeugen des Spannungspulses führt der Pulsgenerator 22 dem Zähler 21 ein Startsignal zu, woraufhin der Zähler mit dem ihm vom Taktgenerator 20 zuge­ führten Taktsignal zu zählen beginnt. Das Ausgangssignal Um(t) der Durchflußmeßvorrichtung 1 wird einem Spitzenwert­ detektor 23 zugeführt, der bei Erfassen des Maximums des Spannungssignales Um(t) ein Stop-Signal erzeugt, mit dem der Zähler 21 angehalten wird. Aus dem Zählwert kann, wie spä­ ter dargelegt wird, aufgrund einer für die jeweilige Meßan­ ordnung vorab bestimmten Zuordnung, die Durchflußmenge bzw. die Strömungsgeschwindigkeit durch tabellenartige Zuordnung ermittelt werden. Dieser Zyklus kann nach Rücksetzen des Zählers und des Detektors kontinuierlich wiederholt ablau­ fen.

Fig. 4 ist ein Blockdiagramm einer Schaltung zum Bestimmen der Durchflußmenge bzw. Strömungsgeschwindigkeit für eine Durchflußmeßvorrichtung 10, wie sie in Fig. 1b gezeigt ist. Diese Schaltung umfaßt einen Taktgenerator 24 und einen dem Taktgenerator 24 nachgeschalteten Zähler 25. Ferner umfaßt die Schaltung einen Impulsgenerator 26 zum Erzeugen des Spannungsimpulses U(t), welcher der Durchflußmeßvorrichtung 10 (vergl. Fig. 2) zugeführt wird. Die beiden Meßspannungen U₁(t) und U₂(t) von der Durchflußmeßvorrichtung 10, die über die Widerstände R1 und R2 abfallen, werden einem ersten und einem zweiten Spitzenwertdetektor 27, 28 zugeführt, deren Ausgangssignale über ein Exklusiv-Oder-Gatter 29 zu einem Start-Stop-Signal für den Zähler 25 verknüpft werden. Für den Fachmann ist es offensichtlich, daß der Zähler 25 dieser Schaltung die Zeitdifferenz zwischen der Erfassung der Spit­ zenwerte durch die Spitzenwertdetektoren 27, 28 erfaßt. Die­ ser Zyklus kann nach Rücksetzen des Zählers und des Detek­ tors kontinuierlich wiederholt ablaufen.

Bei dem beschriebenen Verfahren kann nun die Abhängigkeit zwischen der Driftzeit und der Strömungsgeschwindigkeit für eine gegebene Durchflußmeßvorrichtung 1 ermittelt werden, so daß jeder gemessenen Driftzeit eine entsprechende Strömungs­ geschwindigkeit bzw. Durchflußmenge mittels einer Tabelle zugeordnet werden kann. Hierbei ist hervorzuheben, daß mit­ tels eines einzigen Meßaufbaus die Strömungsgeschwindigkeit in beiden Strömungsrichtungen ermittelt werden kann, so daß aus der Bestimmung der Driftzeit t₀ nicht nur die absolute Strömungsgeschwindigkeit, sondern auch deren Richtung abge­ leitet werden kann. Veränderungen der elektrochemischen Eigenschaften des Fluids während der Messung führen jedoch bei diesem Meßaufbau zu geringfügigen Meßungenauigkeiten, da die Driftzeit t₀ von den elektrochemischen Eigenschaften des Fluids abhängig ist.

Derartige Meßungenauigkeiten werden durch einen Meßaufbau der in Fig. 1b gezeigten Art verhindert, bei dem mit Hilfe zweier, die Ionenfronten in entgegengesetzter Richtung in dem Fluid bewegenden Elektrodenpaare die Driftzeit t₀ sowohl entgegen als auch mit der Strömungsrichtung bestimmt wird.

Durch diese Differenzbildung wird insbesondere bei sehr geringen Strömungsgeschwindigkeiten eine außerordentlich hohe Meßgenauigkeit erreichbar ist.

Ebenfalls ist es denkbar, eine derartige Differenzmessung mit einem einzigen Elektrodenpaar durchzuführen, das zu­ nächst in einer ersten Richtung und dann in einer entgegen­ gesetzten Richtung mit einem Spannungspuls beaufschlagt wird, so daß zunächst eine Ionenfrontdrift in einer ersten Richtung und dann eine Ionenfrontdrift in einer entgegenge­ setzten Richtung durch das strömende Fluid in ihrer Drift­ zeit vermessen wird.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform eines Elektrodenkörpers, der in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 30 bezeichnet ist, welcher aus einem Halbleitermaterial mittels mikrome­ chanischer Herstellungstechniken gebildet ist. Der Elektro­ denkörper besteht aus einem einkristallinen Siliziumhalblei­ terkörper, der bevorzugt n⁺-leitend ist, jedoch auch dotier­ te epitaktische oder diffundierte Bereiche aufweisen kann. Bei der gezeigten Ausführungsform hat der Elektrodenkörper 30 eine (100)-Kristallorientierung. Auf der Vorderseite des Siliziumhalbleiterkörpers ist eine erste Isolationsschicht 31 angeordnet, die zumindest in einem durchströmten Bereich des Elektrodenkörpers 30 eine Ausnehmung 31a hat. Der Sili­ ziumhalbleiterkörper hat ferner eine sich gleichfalls zu­ mindest über seinen durchströmten Bereich erstreckende rück­ seitige Ausnehmung 31b. Der Elektrodenkörper 30 hat zwischen der vorderseitigen Ausnehmung 31a und der rückseitigen Aus­ nehmung 31b eine gitterförmige Elektrode 33, die eine Mehr­ zahl von prismenförmigen Gruben 32 hat, welche den durch­ strömten Bereich festlegen. Die gitterförmige Elektrode 33 ist ein einstückiger Bestandteil des Siliziumhalbleiterkör­ pers, der den Elektrodenkörper 30 bildet. Die gesamte Ober­ fläche der gitterförmigen Elektrode 33 wie auch die Ober­ fläche der Randbereiche des Elektrodenkörpers 30 sind von einer Isolationsschicht umschlossen, die bei der gezeigten Ausführungsform aus thermischem Siliziumoxid besteht.

Die insoweit beschriebene Struktur des isolierten Elektro­ denkörpers 30 wird mit an sich bekannten Herstellungstech­ niken der Halbleitertechnologie im Foto-Ätz-Verfahren er­ zeugt. Hierzu wird zunächst auf den noch unstrukturierten einkristallinen Siliziumhalbleiterkörper eine elektrische Isolationsschicht 11 abgeschieden. Dies kann durch Kathoden­ zerstäubung einer Pyrex-Glas-Schicht auf einer thermisch er­ zeugten Siliziumdioxidschicht geschehen. Die Ausnehmung 31a wird vorderseitig mit einem geeigneten Verfahren geöffnet. Anschließend wird ganzflächig auf den insoweit strukturier­ ten Siliziumhalbleiterkörper eine gegen alkalische Ätzlö­ sungen beständige Schicht, die beispielsweise aus Silizium­ nitrid bestehen kann, auf die Vorder- und Rückseite aufge­ bracht. Diese dient als Ätzstoppmaske und wird innerhalb des zuvor geöffneten Bereiches der vorderseitigen Ausnehmung 31a mit üblichen Verfahren photolithographisch strukturiert. An­ schließend erfolgt ein anisotroper Ätzprozeß, bei dem die prismenförmigen Gruben 32 erzeugt werden. Falls gitterförmi­ ge Elektrodenstrukturen 33 mit steileren Kanten gewünscht sind, können auch isotrope Ätzverfahren eingesetzt werden. Bei Verwendung eines anisotropen Ätzverfahrens kann eine dreißigprozentige KOH-Lösung zur Erzeugung der gezeigten Strukturen eingesetzt werden. Die Tiefe der prismenförmigen Gruben 32 beträgt je nach der gewünschten Dicke der später erzeugten gitterförmigen Elektrode 33 zwischen 1 µm und 200 µm. Nunmehr wird die Struktur vorderseitig ganzflächig mit einer weiteren Ätzstoppschicht versehen, die widerum aus Siliziumnitrid bestehen kann. Anschließend wird nach ent­ sprechender photolithographischer Behandlung im anisotropen Ätzverfahren die rückseitige Ausnehmung 11b soweit geätzt, daß die unteren Bereiche der prismenförmigen Gruben 32 er­ reicht werden, wodurch sich die gitterförmige Elektroden­ struktur der Elektrode 33 ergibt. Nunmehr werden Reste der Ätzstoppschicht (nicht dargestellt) entfernt, woraufhin die gesamte Struktur einem thermischen Oxidationsprozeß unter­ worfen wird, durch den sich eine Isolationsschicht aus ther­ mischen Siliziumoxid bildet, welche den Elektrodenkörper 30 umschließt.

Fig. 6 zeigt eine Querschnittsdarstellung der Elektrodenan­ ordnung einer Meßvorrichtung, wie sie beispielsweise in Fig. 1a schematisch dargestellt ist. Zwei Elektrodenkörper 34, 35, die in Strömungsrichtung übereinander angeordnet sind und jeweils gitterförmige oder stegförmige Elektroden 36, 37 umfassen, sind derart zueinander ausgerichtet, daß sich die Elektroden 36, 37 in Strömungsrichtung gegenüberliegen. Bei dieser Ausführungsform, die sich durch Zusammensetzen zweier Elektrodenkörper der in Fig. 5 gezeigten Art ergibt, liegen die Elektroden 36, 37 jeweils im wesentlichen auf der Höhe der Vorderseite der Elektrodenkörper 34, 35 und sind jeweils von der Rückseite des Elektrodenkörpers 34, 35 beabstandet. Die Elektrodenkörper 34, 35 werden vorzugsweise dadurch mit­ einander verbunden, daß die Rückseite der Elektrodenkörper mit der Pyrex-Glas-Schicht durch elektrostatisches Bonden verbunden wird. Alternativ können bei dieser Ausführungsform ebenso wie bei der nachfolgend zu beschreibenden Ausfüh­ rungsform andere Verbindungsverfahren eingesetzt werden, wie beispielsweise Waferbonding oder Kleben.

Wie in der Querschnittsdarstellung der Fig. 6 zu sehen ist, sind beide Elektrodenkörper 34, 35 an sämtlichen Kontakt­ flächen mit dem Gas bzw. der Flüssigkeit von einer thermi­ schen Oxidschicht 38, 39 umgeben.

Die in Fig. 7 gezeigte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Durchflußmeßvorrichtung unterscheidet sich im wesentlichen dadurch von der Ausführungsform gemäß Fig. 6, daß die beiden Elektrodenkörper 40, 41 vorderseitig miteinander verbunden sind. Hier sind die Elektroden 42, 43 gegenüber der Vorderseite der Halbleiterkörper zurückgeätzt, wobei das Ausmaß des Zurückätzens neben der Dicke der Isolations­ schicht 44 den gegenseitigen Abstand der beiden Elektroden 42, 43 festlegt.

Wie in Fig. 8 gezeigt ist, umfaßt eine weitere Ausführungs­ form einer erfindungsgemäßen Strömungsgeschwindigkeitsmeß­ vorrichtung im wesentlichen einen Elektrodenträgerkörper 2′, der von einem Gehäuse 3′ umschlossen ist. Bei dem Gehäuse 3′ kann es sich beispielsweise um ein aus einem Kunststoff ge­ gossenes Gehäuse handeln, welches einen Peripheriebereich 4′ des Elektrodenträgerkörpers 2′ fest umschließt. Die Art der Ausgestaltung des Gehäuses 3′ als Gußgehäuse oder als ein aus zwei Hälften mit einer dazwischenliegenden Dichtung ver­ schraubtes Gehäuse liegt im Ermessen des Fachmannes und be­ darf für Zwecke der vorliegenden Erfindung keiner weiteren Erläuterung.

Der Elektrodenträgerkörper 2′ wird aus einem einkristallinen Siliziumhalbleiterkörper gefertigt, der eine (110)-Kristall­ orientierung hat. Hierfür wird zunächst auf der Vorder- und Rückseite 5′, 6′ des Siliziumhalbleiterkörpers 2′ mittels eines in der Halbleitertechnologie üblichen Verfahrens eine gegen Ätzlösungen beständige Schicht, wie beispielsweise Siliziumnitrid aufgebracht. Diese dient als Ätzstoppmaske und wird zunächst auf der Vorderseite mittels an sich be­ kannter photolithographischer Techniken strukturiert. Mit einem anisotropen Ätzprozeß werden Durchströmungsöffnungen 7a′, 7b′, 7c′, 7d′, 7e′ erzeugt, die bei einer geeigneten Orientierung der Maske aus zwei parallelen senkrechten und aus vier zu der Vorderseite 5′ schrägen (111)-Ebenen be­ stehen. Vorzugsweise wird eine 8-molare KOH-Lösung als Ätz­ lösung verwendet, um die Entstehung konkurrierender Ebenen zu unterdrücken. Ist die gewünschte Tiefe der Durchströ­ mungsöffnungen 7a′ bis 7e′ erreicht, welche zwischen 1 Mikrometer und einigen 100 Mikrometer variieren kann, wird auf der Vorderseite 5′ eine Ätzstoppschicht aufgebracht und die rückseitige Ätzstoppschicht geöffnet.

In einem zweiten Ätzschritt wird der Siliziumkörper 2′ zum Erzeugen einer rückseitigen Flächenausnehmung 8′ zurückge­ ätzt, bis die Durchströmungsöffnungen 7′ vollständig durch den Siliziumkörper 2′ reichen.

Mach Entfernung der verbliebenen Reste der Ätzstoppschicht wird der gesamte Elektrodenträgerkörper 2′ zum Erzeugen einer Isolationsschicht 9′ im Bereich der Durchströmungs­ öffnungen 7a′ bis 7e′ sowie auf der Vorderseite 5′ und der Rückseite 6′ des Elektrodenträgerkörpers 2′ thermisch oxidiert.

Anschließend wird sowohl auf der Vorderseite 5′ wie auch auf der Rückseite 6′ eine Metallisierung aufgebracht, welche Elektroden 10′, 11′ bildet. Diese Elektroden 10′, 11′ werden mit Anschlüssen 12′, 13′ versehen, die sich bis zur Außen­ seite des Gehäuses 3′ erstrecken. Auf diese Struktur wird beidseitig eine weitere Isolationsschicht 17′ aufgebracht.

Bei der skizzenhaften Darstellung gemäß Fig. 8 sind nur einige wenige Durchströmungsöffnungen 7a′ bis 7e′ gezeigt. Die Anzahl der Durchströmungsöffnungen 7a′ bis 7e′ kann je nach Anwendungsfall zwischen eins und einigen tausend liegen, wobei die Größe einer einzelnen Durchströmungs­ öffnung zwischen 0,1 Mikrometer und 1 Millimeter variieren kann, wobei die Breite und die Länge einer Durchströmungs­ öffnung 7a′ bis 7e′ unabhängig voneinander gewählt werden können.

Die in Fig. 9 gezeigte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Strömungsgeschwindigkeitsmeßvorrichtung 1′ unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Fig. 8 im wesentlichen dadurch, daß bei dieser der Elektrodenträgerkörper 2′ nicht nur eine rückseitige Flächenausnehmung 8′ aufweist, sondern ferner eine vorderseitige Flächenausnehmung 14′ hat. Vorzugsweise wird diese bei dem zweiten Ätzschritt gleich­ zeitig mit der Erzeugung der rückseitigen Flächenausnehmung 8′ erzeugt. Durch die vorderseitige und rückseitige Flächen­ ausnehmung 8′, 14′ werden bei der Ausführungsform gemäß Fig. 9 jeweils geneigt zu den Hauptflächen verlaufende Schräg­ flächen 15′, 16′ gebildet.

Claims (12)

1. Vorrichtung zum Bestimmen der Strömungsgeschwindigkeit eines Gases oder einer Flüssigkeit, mit
zwei voneinander in dem Gas oder in der Flüssigkeit im wesentlichen in Strömungsrichtung beabstandeten und ge­ genüber dem Gas oder der Flüssigkeit elektrisch isolier­ ten Elektroden (3, 4; 13, 14, 15), die mit einer Span­ nung derartig beaufschlagbar sind, daß um die Elektroden in dem Gas oder der Flüssigkeit ausgebildete Raumladun­ gen verschoben werden und hierdurch Bildladungen von einem leitfähigen Bereich (3a, 4a; 13a, 14a, 15a) einer Elektrode auf denjenigen einer anderen Elektrode umgela­ den werden, wodurch ein Meßstrom erzeugt wird,
einem Generator (22; 26) zum Erzeugen eines sich zeit­ lich ändernden Spannungssignales, das an die leitfähigen Bereiche der Elektroden anlegbar ist,
einem Stromdetektor (23; 27, 28) zum Erfassen einer durch die Änderung der Spannung verursachten Änderung des Meßstromes, und
einer Auswerteeinrichtung (20, 21; 24, 25, 29) zum Mes­ sen der Zeitdauer zwischen der Änderung der Spannung und der Änderung des Meßstromes und zum Bestimmen der Strö­ mungsgeschwindigkeit des Gases oder der Flüssigkeit auf­ grund der gemessenen Zeitdauer.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, mit
zwei im wesentlichen in Pumpströmungsrichtung übereinan­ der angeordneten und von einer Isolatorschicht (38, 39) umschlossenen Halbleiterkörpern (30; 34, 35; 40, 41), die derart strukturiert sind, daß die Elektroden (33; 36, 37; 42, 43) einen einstückigen Bestandteil der Halb­ leiterkörper bilden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die aus einem Halbleitermaterial bestehenden Elektroden (33; 36, 37; 42, 43) von einer die Isolator­ schicht bildenden Oxidschicht aus einem thermischen Oxid des Halbleitermateriales umschlossen sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Elektroden (33; 36, 37; 42, 43) gitterförmig ausgebildet sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Elektroden (33; 36, 37; 42, 43) stegförmig ausgebildet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der beide Elektroden (10′, 11′) an den Hauptflächen (5′, 6′) eines gemeinsamen Elektrodenträgers (2′) ange­ ordnet sind,
der Elektrodenträger (2′) gegenüber wenigstens einer der beiden Elektroden (10′, 11′) isoliert ist,
beide Elektroden (10′, 11′) an ihren dem Elektrodenträ­ ger (2′) abgewandten Seite eine Isolationsschicht (17′) aufweisen, und
der Elektrodenträger (2′) wenigstens eine sich im we­ sentlichen vertikal zu seinen Hauptflächen (5′, 6′) er­ streckende Durchströmungsöffnung (7′) aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der der Elektrodenträgerkörper (2′) aus einem Halb­ leitermaterial besteht,
der Elektrodenträgerkörper (2′) von einer Oxidschicht (9′) des Halbleitermaterials umschlossen ist,
die Elektroden (10′, 11′) durch beidseitige Metallisie­ rungen auf der Oxidschicht (9′) gebildet sind, und
eine weitere Oxidschicht (17′) die Metallisierungen ab­ deckt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit
einem Taktgenerator (20), und
einem von dem Taktgenerator (20) getakteten Zähler (21), dessen Zählbeginn von dem Generator (22) festlegbar und dessen Zählende von dem Stromdetektor (23) festlegbar ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit
einer Durchflußmeßvorrichtung (10) mit zwei Elektroden­ sätzen (10′, 11′), die von dem Generator (26) mit zwei Spannungssignalen beaufschlagbar sind, und
zwei Spitzenwertdetektoren (27, 28), die der Durchfluß­ meßvorrichtung (10) nachgeordnet sind und deren Aus­ gangssignale einem Exklusiv-Oder-Gatter (29) zugeführt werden, das einen getakteten Zähler (25) startet und anhält.

10. Verfahren zum Bestimmen der Strömungsgeschwindigkeit eines Gases oder einer Flüssigkeit, bei dem

• - zwischen zwei voneinander in dem Gas oder der Flüssig­ keit im wesentlichen in Strömungsrichtung beabstande­ ten und gegenüber dem Gas oder der Flüssigkeit iso­ lierten Elektroden eine sich zeitlich ändernde Span­ nung angelegt wird und in dem Gas oder in der Flüssig­ keit um die Elektroden ausgebildete Raumladungen ver­ schoben und somit Bildladungen zwischen leitfähigen Bereichen (3a, 4a; 13a, 14, 15a) der Elektroden (3, 4; 13, 14, 15) umgeladen werden, wodurch ein Meßstrom er­ zeugt wird,
• - die Zeitdauer zwischen der Änderung der Spannung und einer durch die Änderung der Spannung verursachten Än­ derung des Meßstromes ermittelt wird, und
• - die Strömungsgeschwindigkeit des Gases oder der Flüs­ sigkeit aufgrund der ermittelten Zeitdauer bestimmt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem

• - die sich zeitlich ändernde Spannung ein Spannungs­ sprungsignal ist, und
• - die ermittelte Zeitdauer die Zeit zwischen dem Anstieg des Spannungssprungsignals und dem Maximum des Meß­ stromes ist.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem

• - zwischen zwei im wesentlichen in Strömungsrichtung be­ abstandeten Elektroden (3, 4; 13, 14, 15) eine sich zeitlich ändernde Spannung in der Weise angelegt wird, daß Ionen der Raumladungen das Gas oder die Flüssig­ keit im wesentlichen in der Strömungsrichtung des Gases oder der Flüssigkeit zu der anderen Elektrode durchlaufen, woraufhin eine erste Zeitdauer zwischen der Änderung der Spannung und der durch die Änderung der Spannung verursachten Änderung des ersten Meßstro­ mes gemessen wird;
• - zwischen zwei im wesentlichen in Strömungsrichtung be­ abstandeten Elektroden eine weitere, sich zeitlich än­ dernde Spannung in der Weise angelegt wird, daß Ionen der Raumladung das Gas oder die Flüssigkeit im wesent­ lichen entgegen der Strömungsrichtung des Gases oder der Flüssigkeit zu der anderen Elektrode durchlaufen, woraufhin eine zweite Zeitdauer zwischen der Änderung der weiteren Spannung und der durch die Änderung der weiteren Spannung Verursachten Änderung des zweiten Meßstromes gemessen wird, und
• - die Strömungsgeschwindigkeit des Gases oder der Flüs­ sigkeit aufgrund der Differenz zwischen der ersten und zweiten Zeitdauer bestimmt wird.