DE69633575T2

DE69633575T2 - Vorrichtung zur bestimmung der richtung und geschwindigkeit einer luftströmung

Info

Publication number: DE69633575T2
Application number: DE69633575T
Authority: DE
Inventors: Jan Huibert VERHOEVEN; Hendrik Johan HUIJSING; Arend Hagedoorn; Willem Bastiaan VAN OUDHEUSDEN
Original assignee: Mierij Meteo BV
Current assignee: Mierij Meteo BV
Priority date: 1995-05-30
Filing date: 1996-05-29
Publication date: 2006-02-09
Anticipated expiration: 2016-05-30
Also published as: ES2225885T3; ATE278968T1; EP0888556A1; DE69633575D1; JPH11505929A; US6035711A; DK0888556T3; EP0888556B1; NL1000454C2; WO1996038731A1; AU5846296A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen der Richtung und Geschwindigkeit einer Luftströmung aufweisend einen Chip, welcher mit zwei wechselseitig senkrecht zueinander angeordneten Paaren von Mess-Schaltkreisen bereitgestellt ist, welche in einem Abstand sich gegenüberliegend angeordnet sind, vier Heizelemente in Positionen, welche mit den Mess-Schaltkreisen übereinstimmen und einen Steuer-Schaltkreis, welcher Chip auf einem Substrat befestigt ist.
Solch ein Chip ist zum Beispiel aus dem Europäischen Patent 0 313 120 bekannt, in welchem ein richtungssensitiver Flussgeschwindigkeits-Sensor für gasförmige oder liquide Medien bekannt ist, welcher ein Halbleiter-Substrat enthält, auf welchem zwei Thermoelemente für jede Richtungskomponente angeordnet sind. Die Thermoelemente nehmen die Form einer Thermosäule an und liegen parallel zueinander, während die Fläche zwischen den Thermoelementen verwendet werden kann, um ein oder mehrere Heizelemente und einen elektronischen Schaltkreis zum Prozessieren der Ausgangssignale der Thermoelemente anzuordnen. Der Chip ist auf einem Substrat befestigt, entlang dessen der Luftstrom geführt wird. Das Substrat wird mittels der Heizelemente, vorzugsweise so genannter Rheostaten geheizt. Wegen der Luft, welche über das Substrat fließt, bildet sich ein Temperaturgradient über das Substrat aus, wobei die niedrigstes Temperatur auftritt, wo der Luftstrom zuerst mit den Substrat in Kontakt kommt, während die höchste Temperatur auftritt, wo der Luftstrom das Substrat verlässt. Der Temperaturgradient wird mittels der Thermoelemente gemessen und der Verlauf des Gradientens ist ein Maß für die Flussgeschwindigkeit. Da der Chip vorzugsweise vier Thermoelemente enthält, welche in einem Quadrat angeordnet sind, kann die Richtung des Luftstroms ebenfalls mittels dergleichen Anordnung gemessen werden.
Solch ein Chip wird, wie es zum Beispiel in dem Europäischen Patent 0 402 977 beschrieben ist, vorzugsweise in einem Gehäuse untergebracht. Dieses Patent beschreibt eine Vorrichtung zum Messen einer Geschwindigkeit und Richtung eines fließenden Mediums, welche aus einer Achse besteht, die eine Konstruktion aus einer oberen und einer unteren, im Wesentlichen identischen, kreisförmigen Scheibe stützt, welche Scheiben in einem vorgegebenen Abstand zueinander senkrecht zu einer gemeinsamen Achse befestigt sind. Ein richtungssensitiver thermischer Geschwindigkeitsmesser (zum Beispiel der wie oben beschriebene Chip) wird auf einer dritten Scheibe mit einem Durchmesser angeordnet, welcher kleiner als der der beiden anderen Scheiben ist, zwischen welchen die dritte Scheibe angeordnet ist. Der Chip ist der oberen der zwei Scheiben zugewandt.
Eine Anzahl von Problemen treten bei der bekannten Vorrichtung auf. Es ist zum Beispiel nicht immer möglich eine homogene Temperaturverteilung in dem Substrat zu erhalten. Variationen können zu Störungen des Gradienten führen und dadurch zu Messfehlern. Zusätzlich können die Temperaturfluktuationen in dem Substrat in dem Material, welches das Substrat umgibt, Hysterese verursachen. Ferner können Umgebungsfaktoren, wie zum Beispiel hohe Außentemperatur, die Messwerte beeinflussen.
Die Erfindung hat als ihren Gegenstand eine Vorrichtung zum Bestimmen der Richtung und Geschwindigkeit eines Luftstromes bereitzustellen, welche relativ zu den bekannten Vorrichtungen verbessert ist.
Dazu stellt die Erfindung eine Vorrichtung zum Bestimmen der Richtung und Geschwindigkeit eines Luftstroms, welche einen Chip, welcher mit zwei wechselseitig senkrecht zueinander angeordneten Paaren von Mess-Schaltkreisen bereitgestellt ist, welche in einem Abstand sich gegenüberliegend angeordnet sind, einen oder mehr, vorzugsweise vier, Heizelemente in Positionen, welche mit den Mess-Schaltkreisen übereinstimmen, und einen Steuer-Schaltkreis bereit, welcher Chip auf einem Substrat befestigt ist, wobei die Befestigung zwischen Chip und Substrat im Wesentlichen homogen ist. Die homogene Befestigung stellt sicher, dass die Wärme, welche auf dem Chip mittels der Heizelemente erzeugt wird, gleichmäßig und homogen auf das Substrat übertragen wird. Das Substrat wird hierbei ebenfalls homogen und gleichmäßig geheizt und eine verlässliche Messung kann durchgeführt werden.
Die Befestigung zwischen dem Chip und dem Substrat wird vorzugsweise mittels Klebens durchgeführt. Kleben findet statt in einer solchen Art, dass keine Luftblasen und andere Ungleichmäßigkeiten, welche eine homogene Befestigung stören könnten, eingeschlossen werden. Eine Luftblase erlaubt keinen guten Wärmetransfer. Eine Luftblase könnte um eine Ungleichmäßigkeit auftreten.
Das Substrat mit dem Chip darauf wird vorzugsweise in einem Gehäuse untergebracht. Dies kann jedes zufällige Gehäuse sein, aber gemäß der Erfindung ist eine Anordnung empfohlen, wie sie zum Beispiel die dem Europäischen Patent 0 402 977 beschrieben ist, wobei das Substrat und der Chip in einer Scheibe untergebracht sind, welche wiederum zwischen zwei größeren Scheiben angeordnet ist. Wegen des kontinuierlichen Heizens des Substrats und des ungleichmäßigen Kühlens desselben können Hysterese-Phänomene in der Scheibe auftreten. Vorzugsweise ist deshalb die Scheibe gemäß der Erfindung in ein leitendes Material eingebettet, dessen Koeffizient der Wärmeleitfähigkeit vorzugsweise mindestens 200 W/(m·K) ist. Ein Beispiel für ein sehr geeignetes Material ist Aluminium. Aluminium hat den zusätzlichen Vorteil nach Behandlung korrosionsbeständig zu sein.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Vorrichtung zusätzlich zu dem Mess-Chip einen Referenz-Chip ohne Heizelemente auf, welcher Referenz-Chip im Wesentlichen identisch zum Mess-Chip ist, auf. Der Referenz-Chip misst die Umgebungstemperatur und stellt sicher, dass der Mess-Chip das Substrat immer auf einen bestimmten Wert über die Umgebungstemperatur heizt. Auf diesem Weg beeinflusst die Umgebungstemperatur nicht mehr länger die Messung, weil es immer eine klare Differenz zwischen der Temperatur des Substrats und der Umgebungstemperatur geben wird. Die Temperaturdifferenz zu der Umgebung ist vorzugsweise 10 K bis 20 K, besonders vorzugsweise ungefähr 16 K.
Vorzugsweise ist der Referenz-Chip mittels eines Isolators vom Mess-Chip abgeschirmt. Weil der Mess-Chip signifikant wärmer als der Referenz-Chip ist, welcher nicht geheizt ist, sondern nur die Umgebungstemperatur misst, könnte Ersterer mittels Strahlung die Temperaturmessung im Referenz-Chip beeinflussen. Weil der Schaltkreis derart eingebettet ist, dass die Temperatur des Substrats von der Temperatur des Referenz-Chips abhängt, könnte ein Ansteigen dieser Temperatur zu einem Ansteigen in der Temperatur, welche in dem Substrat mittels des Mess-Chips erzeugt wird, und dadurch zu einem Ansteigen der Temperatur im Referenz-Chip führen. Hiermit würde nicht nur die Messung unzuverlässig werden, sondern das Substrat würde auch unnötigerweise geheizt werden.
Der Isolator ist vorzugsweise in einem leitfähigen Material eingebettet, vorzugsweise mit einem Koeffizient der thermischen Leitfähigkeit von mindestens 200 W/(m·K), vorzugsweise Aluminium.
Um den Chip gegen Licht und elektromagnetische Strahlung des Substrats zu schützen, welches zum Beispiel aus Keramikmaterial hergestellt ist, ist es auf der Seite, auf welcher der Chip angeordnet ist, mit einer Schicht von aus der Gasphase abgeschiedenen Silber und einer Glasschicht versehen. Licht und elektromagnetische Strahlung könnten einen ungünstigen Effekt auf die Temperaturmessung haben.
Ähnlich zu der an sich bekannten Vorrichtung, weist die Vorrichtung gemäß der Erfindung ein Gehäuse auf, welches aus zwei im Wesentlichen parallelen Scheiben besteht, welche in einem gewissen gegenseitigen Abstand angeordnet sind, zwischen welchen eine Mess-Scheibe von geringeren Ausdehnungen angeordnet ist. Jedoch ist gemäß der Erfindung das Substrat mit dem Mess-Chip in der Mess-Scheibe in der Seite desselben angeordnet, welche der einen parallelen Scheibe zugewandt ist, während ein Substrat mit einem Referenz-Chip in der Seite der Mess-Scheibe angeordnet ist, welche der anderen parallelen Scheibe zugewandt ist.
Um sicherzustellen, dass der Referenz-Chip im Wesentlichen den gleichen Luftstrom wie der Mess-Chip detektiert, ist die Mess-Scheibe vorzugsweise durch Zwischenschalten einer Mehrzahl von dünnen Stangen an einer der zwei Scheiben angeordnet. Die Scheiben selbst werden vorzugsweise mittels eines Zylinders aus Gaze mit einer Maschenweite von 1 mm bis 10 mm, vorzugsweise 2 mm bis 5 mm und besonders vorzugsweise 2,48 mm, und einer Drahtdicke von 0,1 bis 2 mm, vorzugsweise 0,2 bis 1 mm und besonders vorzugsweise 0,7 mm auseinander gehalten. Die Mess-Scheibe ist innerhalb des Zylinders angeordnet. Die Gaze stellt sicher, dass der Luftstrom bereits außerhalb der Messfläche turbulent wird. In der Abwesenheit eines solchen Zylinders gibt es die Möglichkeit, dass der Luftstrom über dem Chip von laminar zu turbulent übergeht. Dies könnte ebenfalls einen ungünstigen Effekt auf die Messergebnisse haben.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Mess-Scheibe an ihrer oberen Seite mit einer Aussparung zum darin Aufnehmen des Subrates mit dem Mess-Chip versehen ist und an ihrer Unterseite mit einer Aussparung zum darin Aufnehmen des Substrates mit dem Referenz-Chip versehen. Die Trennwand zwischen beiden Aussparungen dient als Isolator.
Die Erfindung wird ferner erläutert auf Basis der beiliegenden Zeichnungen, in welchen korrespondierende Bezugszeichen sich auf korrespondierende Teile beziehen und in welchen:
1 eine schematische Ansicht des Mess-Chips gemäß der Erfindung zeigt;
2 eine schematische Ansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung zeigt;
3 einen schematischen Querschnitt eines Teils der Mess-Scheibe zeigt.
1 zeigt die Struktur des Chips (auch bekannt als integrierte Schaltung oder IC), in welchem vier Thermosäulen 1, vier Heiz-Rheostaten 2 und ein Transistor 3 integriert sind. Der gezeigte IC ist an ein Keramiksubstrat aus zum Beispiel Al₂O₃ geklebt, dies in solch einer Weise, dass im Wesentlichen keine Luftblasen und anderen Ungleichmäßigkeiten zwischen dem Chip und dem Substrat verbleiben. Eine Mehrzahl von Leitern ist ebenfalls an dem Substrat angeordnet. Um den IC vor direktem Licht und elektromagnetischen Einflüssen zu schützen, sind nach dem Anordnen des Chips spezielle Schichten auf dem Substrat angeordnet, wie zum Beispiel eine Schicht aus aus-der-Gasphase-abgeschiedenen Silber und eine Glasschicht.
2 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung gemäß der Erfindung. Die hier gezeigte Vorrichtung besteht aus einer oberen Scheibe 4 und einer unteren Scheibe 5, welche mittels eines Zylinders aus Gaze in einem Abstand voneinander gehalten werden. Die Mess-Scheibe 8 ist an dünnen Stangen 7 in dem Zylinder gehalten. Alle drei Scheiben haben abgerundete Kanten, wodurch die Annäherung des Luftstroms erleichtert wird. An der Spitze der Mess-Scheibe 8 ist ein Substrat 9 angeordnet, welches einen Mess-Chip darauf aufweist. An dem Boden ist ein Substrat 10 mit dem Referenz-Chip angeordnet.
3 zeigt eine vergrößerte Detailansicht der Mess-Scheibe 8. Angeordnet an der Spitze ist das Substrat 9 mit dem Mess-Chip 11. Der Chip 11 ist in einer Aussparung 15 in der Mess-Scheibe aufgenommen und ist somit von dem Luftstrom abgeschirmt, welcher nur mit der Seite des Substrats in Kontakt tritt, welche entfernt vom Chip ist.
Das Gleiche gilt für Referenzchip 12, welcher in einer Aussparung 16 empfangen ist. Um den Luftstrom nicht zu unterbrechen, sind die Substrate in der Mess-Scheibe unter Putz installiert. Substrat 9 ist in einer Aussparung 13 und Substrat 10 in einer Aussparung 14 angeordnet. Aussparungen 15 und 16 sind mittels einer Trennwand 17 voneinander getrennt, welche aus dem gleichen Material wie der Rest der Mess-Scheibe ausgeführt ist, und dient als thermischer Isolator des Referenz-Chips relativ zu dem Mess-Chip.
Die Verbesserungen gemäß der Erfindung stellen einen besseren Wärmetransfer zwischen Chip und Substrat und Substrat und Umgebung her, wodurch ein homogenes Heizen des Substrats erhalten wird und das Auftreten von Hysterese verhindert wird.

Claims

Vorrichtung zum Bestimmen der Richtung und Geschwindigkeit einer Luftströmung aufweisend einen Chip, welcher mit zwei wechselseitig senkrecht zueinander angeordneten Paaren von Mess-Schaltkreisen bereitgestellt ist, welche in einem Abstand sich gegenüberliegend angeordnet sind, einen oder mehr, vorzugsweise vier, Heizelemente in Positionen, welche mit den Mess-Schaltkreisen übereinstimmen und einen Steuer-Schaltkreis, welcher Chip auf einem Substrat befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigung zwischen Chip und Substrat im Wesentlichen homogen ist, zum Sicherstellen, dass die Wärme, welche auf dem Chip mittels der Heizelemente erzeugt wird, gleichmäßig und homogen auf das Substrat übertragen wird.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigung zwischen dem Chip und dem Substrat mittels Klebens bewirkt ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat mit dem Chip darauf in einem Gehäuse aus leitfähigen Material untergebracht ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Koeffizient der thermischen Leitfähigkeit des leitfähigen Materials mindestens 200 W/(m·K) ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das leitfähige Material Aluminium ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zusätzlich zu dem Mess- Chip einen Referenz-Chip ohne Heizelemente aufweist, welcher Referenz-Chip im Wesentlichen identisch zu dem Mess-Chip ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenz-Chip mittels eines Isolators vom Mess-Chip abgeschirmt ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolator in ein leitfähiges Material, vorzugsweise mit einem Koeffizient der thermischen Leitfähigkeit von mindestens 200 W/(m·K), vorzugsweise Aluminium, eingebettet ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus Keramikmaterial hergestellt ist, und an der Seite, welche den Chip aufweist, mit einer Schicht von aus. der Gasphase abgeschiedenen Silber und einer Glasschicht bereitgestellt ist, um den Chip gegen Licht und elektromagnetische Strahlung zu schützen.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 9, aufweisend ein Gehäuse, welches aus zwei im Wesentlichen parallelen Scheiben besteht, welche in einem gewissen gegenseitigen Abstand angeordnet sind, zwischen welchen eine Mess-Scheibe von geringerer Ausdehnung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat mit dem Mess-Chip in der Mess-Scheibe auf der Seite angeordnet ist, welche der einen parallelen Scheibe zugewandt ist, und ein Substrat mit einem Referenz-Chip ist an der Seite der Mess-Scheibe angeordnet, welche der anderen parallelen Scheibe zugewandt ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheiben mittels eines Zylinders aus Gaze mit einer Maschenweite von etwa 2,48 mm und einer Drahtdicke von etwa 0,7 mm auseinander gehalten werden.
Vorrichtung gemäß Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mess-Scheibe durch Zwischenschalten einer Mehrzahl von dünnen Stangen an einer der zwei Scheiben angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mess-Scheibe an ihrer oberen Seite mit einer Aussparung zum darin Aufnehmen des Subrates mit dem Mess-Chip versehen ist und an ihrer Unterseite mit einer Aussparung zum darin Aufnehmen des Substrates mit dem Referenz-Chip versehen ist.