ES2225885T3 - Dispositivo para determinar la direccion y velocidad de un flujo de aire. - Google Patents

Abstract

LA INVENCION SUMINISTRA UN DISPOSITIVO PARA DETERMINAR LA DIRECCION Y VELOCIDAD DE UN FLUJO DE AIRE, QUE COMPRENDE UN CHIP (11) QUE ESTA PROVISTO CON DOS PARES DE CIRCUITOS MEDIDORES (1) SITUADOS MUTUAMENTE PARALELOS Y SEPARADOS ENTRE SI, OPCIONALMENTE CUATRO ELEMENTOS CALEFACTORES (2) EN POSICIONES COINCIDENTES CON LOS CIRCUITOS MEDIDORES Y UN CIRCUITO DE CONTROL, ESTANDO DICHO CHIP FIJADO SOBRE UN SUSTRATO (9), CARACTERIZADO PORQUE EL MONTAJE ENTRE EL CHIP Y EL SUSTRATO ES SUSTANCIALMENTE HOMOGENEO Y PREFERIBLEMENTE REALIZADO POR UN PEGAMENTO. EL CHIP ESTA ACOMODADO, POR EJEMPLO, EN UN ALOJAMIENTO DE MATERIAL CONDUCTOR. EL DISPOSITIVO PODRA CONTENER, ADEMAS DEL CHIP DE MEDICIONES, UN CHIP (12) DE REFERENCIA SIN LOS ELEMENTOS CALEFACTORES QUE ESTA REALIZADO DE FORMA SUSTANCIALMENTE IDENTICA Y QUE ESTA APANTALLADO RESPECTO DEL CHIP DE MEDICIONES POR UN AISLANTE (17).

Description

Dispositivo para determinar la dirección y velocidad de un flujo de aire.

La presente invención se refiere a un dispositivo para determinar la dirección y velocidad de un flujo de aire, que incluye un chip provisto de dos pares de circuitos de medida situados perpendicularmente entre sí y situados separados una cierta distancia uno frente a otro, cuatro elementos calentadores situados en posiciones que coinciden con los circuitos de media y un circuito de control, estando fijado dicho chip al sustrato.

Un chip como éste es conocido por ejemplo de la patente Europea 0 313 120 en la que se describe un indicador de velocidad de flujo sensible a la dirección para medios líquidos o gaseosos que contiene un sustrato semiconductor en el que se sitúan dos termopares para cada componente de la dirección. Los termopares se encuentran en forma de termopilas y se posicionan paralelamente entre sí mientras que la superficie entre los termopares se puede usar para situar uno o más elementos calentadores y una circuitería electrónica para el procesamiento de las señales de salida de los termopares. El chip se monta en un sustrato a lo largo del cual se guía el flujo de aire. El sustrato se calienta por medio de los elementos calentadores, preferiblemente los llamados reostatos de calentamiento. Debido al aire que fluye sobre el sustrato se forma un gradiente de temperatura en el sustrato, en el que la temperatura más baja tiene lugar donde el flujo de aire hace su primer contacto con el sustrato mientras que la temperatura más alta tiene lugar donde el flujo de aire abandona el sustrato. El gradiente se mide mediante los termopares y el progreso del gradiente es una medida de la velocidad del flujo. Debido a que el chip incluye preferiblemente cuatro termopares situados en un cuadrado, también se puede determinar la dirección del flujo de aire con la misma disposición.

Un chip como éste preferiblemente se aloja en una cubierta, como se describe por ejemplo en la patente Europea 0 402 977. Esta patente describe un dispositivo para medir una velocidad y dirección de un medio fluido que consiste en un eje que soporta una construcción de un disco superior y otro inferior, sustancialmente idénticos, estando fijados dichos discos a una determinada distancia entre sí perpendicularmente a un eje colectivo. Un medidor de velocidad térmico sensible a la dirección (por ejemplo, el chip como se ha descrito más arriba) se sitúa sobre un tercer disco que tiene un diámetro menor que el de los otros dos, entre los cuales se sitúa el tercer disco. El chip queda frente al superior de los dos discos.

El dispositivo conocido presenta numerosos problemas. Por ejemplo no siempre es posible obtener una distribución homogénea de temperaturas en el sustrato. Las variaciones pueden dar como resultado alteraciones en el gradiente y por tanto errores de medida. Además, las fluctuaciones de temperatura en el sustrato pueden dar como resultado una histéresis en el material que rodea al sustrato. Aún más, factores ambientales como una temperatura exterior alta pueden afectar a los valores medidos.

La presente invención tiene como objetivo proporcionar un dispositivo para la determinación de la dirección y velocidad de un flujo de aire mejorado respecto a los dispositivos conocidos.

Para esto la invención proporciona un dispositivo para determinar la dirección y velocidad de un flujo de aire, que incluye un chip dotado de dos pares de circuitos de medida posicionados perpendicularmente entre sí y separados cierta distancia uno frente al otro, teniendo uno o preferiblemente cuatro elementos calentadores en posiciones que coinciden con los circuitos de medida y un circuito de control, estando dicho chip fijado a un sustrato, en el que el montaje entre el chip y el sustrato es sustancialmente homogéneo. El montaje homogéneo asegura que el calor que se genera en el chip por los elementos calentadores se transfiere uniformemente y homogéneamente al sustrato. El sustrato es así también calentado homogéneamente y uniformemente y se consigue una medida fiable.

El montaje entre el chip y el sustrato se efectúa preferiblemente mediante pegado. El pegado se lleva a cabo de tal forma que no se incluyan burbujas de aire o cualquier otra irregularidad que pudiera entorpecer un montaje homogéneo. Una burbuja de aire no permite una buena transferencia de calor. Se podría producir una burbuja de aire alrededor de una irregularidad.

El sustrato con el chip sobre él se acomoda preferiblemente en una cubierta. Ésta puede ser una cubierta cualquiera, pero se recomienda según la invención una disposición como la descrita por ejemplo en la patente Europea 0 402 977, en la que el sustrato y el chip se acomodan en un disco que a su vez se coloca entre dos discos mayores. Debido al continuo calentamiento del sustrato y a su enfriamiento no uniforme se pueden producir fenómenos de histéresis en el disco. Por eso preferiblemente el disco según la invención se recubre de material conductor, cuyo coeficiente de conductividad térmica sea preferiblemente de como mínimo 200 W/(m.K). Un ejemplo de un material muy adecuado es el aluminio. El aluminio tiene la ventaja adicional de ser resistente a la corrosión después de su tratamiento.

En una realización preferida de la invención, el dispositivo incluye además del chip de medida un chip de referencia sin elementos calentadores siendo dicho chip de referencia sustancialmente idéntico al chip de medida. El chip de referencia mide la temperatura ambiente y asegura que el chip de medida siempre caliente el sustrato hasta un determinado valor sobre esta temperatura ambiente. De esta forma la temperatura ambiente ya no afecta a la medida porque siempre habrá una diferencia clara entre la temperatura del sustrato y la temperatura ambiente. La diferencia de temperatura con el ambiente es preferiblemente de 10-20K, más preferiblemente sobre 16K.

Preferentemente el chip de referencia se aísla del chip de medida mediante un aislador. Debido a que el chip de medida está significativamente más caliente que el chip de referencia, que no se calienta sino que mide solamente la temperatura ambiente, la primera podría, por radiación, influir en la medida de temperatura del chip de referencia. Debido a que el circuito se recubre de tal forma que la temperatura del sustrato depende de la temperatura del chip de referencia, un aumento de esta temperatura podría ocasionar un aumento de la temperatura generada en el sustrato por el chip de medida y de esta forma un aumento de la temperatura del chip de referencia. Así la medida no sólo se volvería poco fiable, sino que además el sustrato se calentaría innecesariamente.

El aislador se recubre preferentemente con material conductor, preferentemente con un coeficiente de conductividad térmico de cómo mínimo 200 W/(m.K), preferentemente aluminio.

Para proteger el chip de la luz y la radiación electromagnética el sustrato, que se produce por ejemplo de material cerámico, se dota en la cara en la cual se sitúa el chip de una capa de plata depositada por medio de vapor y una capa de vidrio. La luz y la radiación electromagnética pueden tener un efecto adverso sobre la medida de la temperatura.

Similarmente a los dispositivos conocidos per se, el dispositivo según la invención incluye una cubierta que consiste en dos discos sustancialmente paralelos situados a cierta distancia entre sí, entre los cuales se sitúa un disco de medida de menores dimensiones. Sin embargo, según la invención, el sustrato con el chip de medida se sitúa en el disco de medida en la cara del mismo que está frente a un disco paralelo, mientras que un sustrato con un chip de referencia se sitúa en la cara del disco de medida frente al otro disco paralelo.

Para asegurar que el chip de referencia detecta sustancialmente el mismo flujo de aire que el chip de medida, el disco de medida se sitúa preferentemente sobre uno de los dos discos separado por una pluralidad de delgadas varillas. Los propios discos preferentemente se mantienen separados mediante un cilindro de gasa con una anchura de malla de 1-10 mm, preferentemente 2-5 mm y más preferentemente 2,48 mm, y un espesor de hilo de 0,1-2 mm, preferentemente 0,2-1 mm y más preferentemente 0,7 mm. El disco de medida se sitúa dentro del cilindro. La gasa asegura que el flujo de aire ya se vuelve turbulento fuera de la superficie de medida. En ausencia de un cilindro como éste existe la posibilidad de que el flujo de aire pase de laminar a turbulento encima del chip. Esto podría tener también un efecto adverso en los resultados de la medida.

En una realización preferente el disco de medida posee en su cara superior un hueco para alojar ahí el sustrato con el chip de medida y en su cara inferior un hueco para alojar ahí el sustrato con el chip de referencia. La pared divisoria entre ambos huecos sirve como aislador.

La presente invención se aclarará gracias a los dibujos adjuntos en los que los números de referencia correspondientes se refieren a las partes correspondientes y en los que:

La Figura 1 muestra una vista esquemática del chip de medida según la invención;

La Figura 2 muestra una vista esquemática de una realización preferida del dispositivo;

La Figura 3 muestra una sección transversal esquemática de una parte del disco de medida.

La Figura 1 muestra la estructura del chip (también conocido como circuito integrado o CI), en la cual se integran cuatro termopilas 1, cuatro reostatos de calentamiento 2 y un transistor 3. El CI mostrado está pegado a un sustrato cerámico de por ejemplo Al_{2}O_{3}, hecho esto de tal forma que no permanezcan sustancialmente ninguna burbuja de aire ni ninguna irregularidad entre el chip y el sustrato. También se colocan sobre el sustrato una pluralidad de conductores. Para proteger el CI contra la luz directa y las influencias electromagnéticas se sitúan sobre el sustrato capas especiales después de alojar el chip, como por ejemplo una capa de plata depositada por medio de vapor y una capa de vidrio.

La Figura 2 muestra una realización preferida de un dispositivo según la invención. El dispositivo mostrado aquí consiste en un disco superior 4 y un disco inferior 5 que se mantienen a cierta distancia entre sí mediante un cilindro de gasa 6. El disco de medida 8 se sitúa en el cilindro sobre unas varillas delgadas 7. Los tres discos tienen bordes redondeados gracias a los cuales se facilita la aproximación del flujo de aire. Situado encima del disco de medida 8 se encuentra un sustrato 9 que tiene un chip de medida sobre él. Debajo se sitúa un sustrato 10 con el chip de referencia.

La Figura 3 muestra un detalle aumentado del disco de medida 8. Situado arriba se encuentra el sustrato 9 con el chip de medida 11. El chip 11 se aloja en un hueco 15 del disco de medida y por tanto está aislado del flujo de aire que sólo tiene contacto con la cara del sustrato opuesta al chip.

Lo mismo se aplica al chip de referencia 12 que se aloja en un hueco 16. Para no perturbar el flujo de aire los sustratos se montan planos y al mismo nivel en el disco de medida. El sustrato 9 se sitúa en un hueco 13 y el sustrato 10 en un hueco 14. Los huecos 15 y 16 están separados entre sí por medio de una pared divisoria 17 que está recubierta del mismo material que el resto del disco de medida y sirve como aislador térmico del chip de referencia respecto al chip de medida.

Las mejoras según la invención proporcionan una mejor transferencia de calor entre el chip y el sustrato y entre el sustrato y el ambiente, obteniéndose así un calentamiento homogéneo del sustrato y previniéndose la aparición de histéresis.

Claims (13)

1. Un dispositivo para determinar la dirección y velocidad de un flujo de aire, que incluye un chip que está provisto de dos pares de circuitos de medida posicionados perpendicularmente entre sí y situados separados una cierta distancia uno frente a otro, uno o más, preferiblemente cuatro, elementos calentadores en posiciones que coinciden con los circuitos de medida y un circuito de control, estando dicho chip fijado sobre un sustrato, caracterizado porque el montaje entre el chip y el sustrato es sustancialmente homogéneo para asegurar que el calor que se genera en el chip por los elementos calentadores se transfiera uniforme y homogéneamente al sustrato.

2. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el montaje entre el chip y el sustrato se efectúa mediante pegado.

3. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el sustrato con el chip sobre él se aloja dentro una cubierta de material conductor.

4. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizado porque el coeficiente de conductividad térmica del material conductor es como mínimo de 200 W/(m.K).

5. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 3 ó 4, caracterizado porque el material conductor es aluminio.

6. Un dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-5, caracterizado porque el dispositivo incluye, además del chip de medida, un chip de referencia sin elementos calentadores, siendo dicho chip de referencia sustancialmente idéntico al chip de medida.

7. Un dispositivo de acuerdo a la reivindicación 6, caracterizado porque el chip de referencia está apantallado respecto del chip de medida por medio
de un aislador.

8. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado porque el aislador está recubierto por un material conductor, preferiblemente con un coeficiente de conductividad térmica de como mínimo 200 W/(m.K), preferentemente aluminio.

9. Un dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-8, caracterizado porque el sustrato se fabrica de material cerámico y está provisto, en la cara que contiene el chip, de una capa de plata depositada por medio de vapor y una capa de vidrio para proteger el chip contra la luz y la radiación electromagnética.

10. Un dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2-9, que incluye una cubierta que consiste en dos discos sustancialmente paralelos situados a una cierta distancia entre sí, entre los cuales se sitúa un disco de medida de menores dimensiones, caracterizado porque el sustrato con el chip de medida se coloca en el disco de medida en el lado de éste que queda frente a un disco paralelo, y un sustrato con un chip de referencia se coloca en el lado del disco de medida que queda frente al otro disco paralelo.

11. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 10, caracterizado porque los discos se mantienen separados por medio de un cilindro de gasa con una anchura de malla de aproximadamente 2,48 mm y un grosor de hilo de aproximadamente 0,7 mm.

12. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 10 u 11, caracterizado porque el disco de medida se sitúa sobre uno de los dos discos interponiendo una pluralidad de varillas delgadas.

13. Un dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 10-12, caracterizado porque el disco de medida tiene en su cara superior un hueco para alojar allí el sustrato con el chip de medida y tiene en su cara inferior un hueco para alojar allí el sustrato con el chip de referencia.