WO2021078855A1

WO2021078855A1 - Einrichtung zur bestimmung eines auf eine oberfläche oder eine wand eines in einem strömungskanal angeordneten körpers wirkenden drucks oder einer auf eine oberfläche oder eine wand eines in einem strömungskanal angeordneten körpers wirkenden zeitlichen druckveränderung

Info

Publication number: WO2021078855A1
Application number: PCT/EP2020/079747
Authority: WO
Inventors: Michael Stopp; Helmut Seidel; Karin Bauer
Original assignee: Universität des Saarlandes
Priority date: 2019-10-22
Filing date: 2020-10-22
Publication date: 2021-04-29
Also published as: EP4048993A1

Abstract

Die Erfindung betrifft Einrichtung (1) zur Bestimmung eines auf eine Oberfläche (2) oder eine Wand eines in einem Strömungskanal (3-3b) angeordneten Körpers (4) wirkenden Drucks oder einer auf eine Oberfläche (2) oder eine Wand eines in einem Strömungskanal (3-3b) angeordneten Körpers (4) wirkenden zeitlichen Druckveränderung, die mindestens ein Mittel zur Erfassung des Drucks oder der zeitlichen Druckveränderung umfasst, wobei das Erfassungsmittel einen Sensorchip (5-5b) mit mindestens einem Sensor (6-6b) aufweist. Zweckmäßigerweise ist der Sensorchip (5-5b) dazu vorgesehen, einen Wandabschnitt des Körpers (4) zu bilden. Vorteilhaft muss der Körper selbst nicht verändert werden, um einen auf die Oberfläche oder die Wand wirkenden Druck oder eine auf die Oberfläche oder die Wand wirkende Druckveränderung in dem Strömungskanal zu erfassen. Eine die Strömungsverhältnisse insbesondere in der Grenzschicht beeinflussende Änderung des Körpers wird vorteilhaft verhindert. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorchips (6-6b) sowie einen Sensorchip (6-6b).

Description

Beschreibung:

Universität des Saarlandes, 66123 Saarbrücken (Deutschland)

„Einrichtung zur Bestimmung eines auf eine Oberfläche oder eine Wand eines in einem Strömungskanal angeordneten Körpers wirkenden Drucks oder einer auf eine Oberfläche oder eine Wand eines in einem Strömungskanal angeordneten Körpers wirkenden zeitlichen Druckveränderung“

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bestimmung eines auf eine Oberfläche oder eine Wand eines in einem Strömungskanal angeordneten Körpers wirkenden Drucks oder einer auf eine Oberfläche oder eine Wand eines in einem Strömungskanal angeordneten Körpers wirkenden zeitlichen Druckveränderung, die mindestens ein Mittel zur Erfassung des Drucks oder der zeitlichen Druckveränderung umfasst, wobei das Erfassungsmittel einen Sensorchip mit mindestens einem Sensor aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorchips mit mindestens einem Sensor zur Verwendung in einer Einrichtung zur Bestimmung eines auf eine Oberfläche oder eine Wand eines in einem Strömungskanal angeordneten Körpers wirkenden Drucks oder einer auf eine Oberfläche oder eine Wand eines in einem Strömungskanal angeordneten Körpers wirkenden zeitlichen Druckveränderung, wobei der mindestens eine Sensor eine verformbare Sensormembran aufweist, sowie ein Verfahren zur Bestimmung eines auf eine Oberfläche oder eine Wand eines in einem Strömungskanal angeordneten Körpers wirkenden Drucks oder einer auf eine Oberfläche oder eine Wand eines in einem Strömungskanal angeordneten Körpers wirkenden zeitlichen Druckveränderung und einen Sensorchip.

Solche Einrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Zur Messung von auf eine Oberfläche eines in einem sogenannten Windkanal angeordneten Körpers wirkenden Drucks oder einer zeitlichen Druckveränderung werden Drucksensoren auf die Oberfläche des Körpers aufgeklebt und stehen von dieser vor. Insbesondere die fluiddynamische Grenz schicht, die sich in einem Bereich oberhalb der Oberfläche des Körpers befindet, soll damit untersucht werden. Nachteilig wird durch den vorgenannten additiven Messaufbau die zu messende Strömung jedoch verändert, wodurch Messungenauigkeiten auftreten.

Bekannt ist außerdem, dass in den Körper mehrere Verbindungsbohrungen eingebracht werden, von denen jede den Windkanal mit jeweils einem in dem Körper angeordneten Drucksensor fluidisch verbindet. Nachteilig bei diesem Messaufbau ist, dass die Drucksensoren einen auf die Oberfläche des Körpers wirkenden Druck oder eine auf die Oberfläche des Körpers wirkende zeitliche Druckveränderung nicht unmittelbar erfassen, sondern lediglich mittelbar, wodurch sogenannte Drosseleffekte auftreten und ein Totvolumen der zugehörigen Verbindungsbohrung bei der Auswertung erfasster Messwerte berücksichtigt werden muss. Weiter nachteilig muss der Körper angebohrt werden, wodurch für verschiedene Versuche unterschiedliche Körper hergestellt werden müssen. Es fallen hohe Kosten an, da bei der Ausführung der Bohrungen sehr hohe Anforderungen an einzuhaltende Fertigungstoleranzen gestellt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art auszubilden, die eine besonders genaue und kostengünstige Messung eines auf eine Oberfläche eines Körpers wirkenden Drucks oder einer auf eine Oberfläche eines Körpers wirkenden zeitlichen Druckveränderung ermöglicht. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art auszubilden, mit der die Strömungs verhältnisse in der sogenannten fluiddynamischen Grenzschicht besonders genau und unverfälscht bestimmbar sind.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der Sensorchip dazu vorgesehen ist, einen Oberflächen- oder einen Wandabschnitt des Körpers zu bilden.

Vorteilhaft muss der Körper selbst nicht verändert werden, um einen auf die Oberfäche oder die Wand wirkenden Druck oder eine auf die Oberfläche oder die Wand wirkende Druck veränderung in dem Strömungskanal zu erfassen. Eine die Strömungsverhältnisse insbesondere in der Grenzschicht beeinflussende Änderung des Körpers wird vorteilhaft verhindert.

Der Erfindung liegt außerdem die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art auszubilden, das die Herstellung eines Sensorchips ermöglicht, der besonders einfach aufgebaut ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die verformbare Sensormembran des mindestens einen Sensors gebildet wird, indem von einer einem Strömungskanal abgewandten Seite eines vorzugsweise aus Silizium gebildeten Sensorchiprohlings Material abgetragen wird. Zur Ausbildung einer verformbaren Sensormembran des Sensors wird in einem erfindungsgemäßen Verfahren von einer dem Strömungskanal abgewandten Seite eines vorzugsweise aus Silizium gebildeten Sensorchiprohlings Material abgetragen. Silizium ist ein widerstandsfähiges, gut bearbeitbares und besonders gut verfügbares Material. Der Sensorchiprohling kann mit aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren derart bearbeitet werden, dass eine Dicke, eine Breite oder eine Länge der Sensormembran für einen speziellen Anwendungsfall maßgeschneidert werden kann.

Vorteilhaft muss eine dem Strömungskanal zugewandte Oberfläche nicht bearbeitet werden. Weiter vorteilhaft ist die Sensormembran einstückig angeformt.

Zweckmäßigerweise bildet der Sensorchip eine bündige Oberfläche mit einer Trägerplatine und/oder dem Körper. Eine Trägerplatine kann ein Rahmen sein, in den der Sensorchip eingefasst ist und der zur elektrischen Kontaktierung und beispielsweise auch zur Auswertung oder Weiterleitung von mindestens einem erfassten Messsignal des mindestens einen Sensorchips eingerichtet ist. Vorteilhaft können mehrere Sensoren oder Sensorchips mit einer einzigen Platine verbunden sein. Eine besonders kompakte Ausbildung der Einrichtung ist möglich.

Es werden keine Kanten oder Übergänge ausgebildet, die eine Umströmung des Körpers negativ beeinflussen. Vorteilhaft ist ein besonders genaues und die fluiddynamische Grenzschicht nicht beeinflussendes Messergebnis möglich.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist eine dem Strömungskanal zugewandte Seite des mindestens einen Sensors und/oder des Sensorchips eben oder strukturiert.

Weist der Sensorchip mehrere Sensoren auf und ist dessen Oberfläche eben, werden keine Stufen oder Versätze zwischen benachbarten Sensoren ausgebildet. Unerwünschte, ein Messergebnis verfälschende Strömungen werden vorteilhaft verhindert. Weiter vorteilhaft kann eine räumliche Druckverteilung oder eine räumliche und zeitliche Druckveränderung störungsfrei erfasst werden, wobei vorzugsweise jeder Sensor einen Raumpunkt bildet.

Zur Strukturierung einer Oberfläche kann diese mit einem additiven Verfahren wie einer Beschichtung mit einem Lack versehen werden oder mit einem Subtraktiwerfahren wie Laserablation oder Ätzverfahren bearbeitet werden. Dadurch ist es möglich, den Einfluss von Lackschichten auf einen umströmten Körper, beispielsweise ein Flugzeug, oder den Einfluss von Oberflächenstrukturen wie Riblets auf die Grenzschicht oder die Wand eines umström ten Körpers zuverlässig zu untersuchen. Dies ist mit bisherigen aus dem Stand der Technik bekannten Methoden nicht möglich. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine Trägerplatine als Messplatine ausgebildet, deren elektrische Verbindungsleitungen mit dem mindestens einen Sensor des Sensorchips vollständig auf einer dem Strömungskanal abgewandten Seite des Sensorchips angeordnet sind. Vorteilhaft können sämtliche für eine Messsignalerfassung erforderlichen Bauteile geschützt beispielsweise innerhalb des Körpers oder der Trägerplatine angebracht werden. Dadurch ist ein besonders kompakter Aufbau möglich.

Weiter vorteilhaft kann die erfindungsgemäße Einrichtung in einem Strömungskanal eingesetzt werden, in dem besonders aggressive Fluide, die abrasive Partikel enthalten können, oder solche mit hoher Temperatur den Körper umströmen.

Zweckmäßigerweise ist eine dem Strömungskanal zugewandte Seite des mindestens einen Sensors, vorzugsweise des gesamten Sensorchips, mit einer Schicht belegt, die vor einer Beschädigung durch ein in dem Strömungskanal strömendes Fluid schützt. Eine solche Schutzschicht kann beispielsweise aus Nitriden wie Silizium-, Bor- oder/und Titannitrid oder aus Oxiden wie Aluminium-, Zirkonium- oder/und Siliziumoxid gebildet sein. Denkbar ist, dass die Schicht aus einem Parylene aufweisenden Kunststoff oder Polyimid gebildet ist.

In einer Ausgestaltung der Erfindung begrenzt eine Sensormembran des mindestens einen Sensors eine Ausnehmung, die auf einer dem Strömungskanal abgewandten Seite des Sensorchips in diesen eingebracht ist. Damit bei der Herstellung des Sensorchips oder eines Sensors keine spätere, dem Strömungskanal zugewandte Oberfläche bearbeitet werden muss, erfolgt eine Bearbeitung von einer dem Strömungskanal abgewandten Seite des Sensors. Vorteilhaft ist die Sensormembran einstückig an den Sensor angeformt.

In einer Ausgestaltung der Erfindung weist der mindestens eine Sensor eine aus einem piezoelektrischen Material gebildete sensoraktive Schicht auf, die vorzugsweise Aluminiumnitrid, Zinkoxid oder Blei-Zirkonat-Titanat umfasst. Wird eine piezoelektrische Schicht mechanisch verformt, findet eine Polarisierung statt, wodurch ein elektrisches Messsignal erzeugt werden kann (piezoelektrischer Effekt). Wird an eine solche Schicht eine elektrische Spannung angelegt, findet eine Deformation statt (inverser piezoelektrischer Effekt). Ein piezoelektrischer Sensor kann daher sowohl als Sensor als auch als Aktor benutzt werden.

Aluminiumnitrid, Zinkoxid oder Blei-Zirkonat-Titanat haben sich als besonders zuverlässig erwiesen, insbesondere wenn eine aus diesen Materialien gebildete sensoraktive Schicht mittels Dünnschichttechnologie hergestellt wird. Die sensoraktive Schicht kann auf einer dem Strömungskanal abgewandten Seite des Sensors aufgebracht sein, vorzugsweise auf einer dem Strömungskanal abgewandten Seite einer verformbaren Sensormembran. Die sensoraktive Schicht kann sich beispielsweise über eine Rückseite der Sensormembran hinaus bis zu einem Kontaktierungsbereich, in dem beispielsweise eine elektrische Verbindung zu einem Gerät zur Messsignalerfassung oder einer Energiequelle erfolgt, erstrecken. Denkbar ist, dass die sensoraktive Schicht sich ausschließlich in einem Bereich einer Sensormembran befindet, das heißt in einem Bereich, in dem bei Benutzung des Sensorchips eine Verformung auftritt.

Dadurch, dass die sensoraktive Schicht fest mit der Sensormembran verbunden sowie piezoelektrisch ist, wird diese bei Deformation der Sensormembran verformt, so dass ein elektrisches Messsignal erfasst werden kann, das beispielsweise einen Rückschluss auf die Auslenkung der Membran und damit auf einen wirkenden Druck ermöglicht. Erfolgt eine Messung kontinuierlich, kann eine zeitliche Druckveränderung erfasst werden.

Zweckmäßigerweise weist der Sensorchip mehrere Sensoren auf, die vorzugsweise hintereinander, nebeneinander oder/und matrixartig angeordnet sind. Vorzugsweise sind die Abstände benachbarter Sensoren äquidistant. Sensoren benachbarter Zeilen oder Reihen können vertikal und/oder horizontal versetzt zueinander angeordnet sein.

Vorteilhaft ist eine räumliche und zeitliche Erfassung des Drucks oder einer Druckveränderung möglich. Dabei entspricht ein Raumpunkt dem Messergebnis eines Sensors, wobei mehrere Raumpunkte zu einem Bild zusammensetzbar sind, bei dem ein Pixel einem Raumpunkt entspricht. Vorteilhaft ist bzw. sind eine räumliche und/oder zeitlich Druckverteilung oder Druckveränderung grafisch darstellbar.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist der mindestens eine Sensor als piezoelektrischer Sensor ausgebildet, der durch Anlegen einer Spannung als Aktor wirken kann. Wird eine Spannung an eine sensoraktive, piezoelektrische Schicht des Sensors, die auf eine Sensormembran aufgebracht ist, angelegt, erfolgt eine Verformung der Schicht und damit der Sensormembran, die dadurch als Aktormembran wirkt.

Dadurch ist beispielsweise eine konvexe Ausbauchung der Sensormembran in den Strömungskanal hinein möglich. Beispielsweise kann durch eine periodisch angeregte Schwingung der Sensormembran eine bisher nicht bekannte Art der Beeinflussung einer Strömung in einem Strömungskanal sowie der fluiddynamischen Grenzschicht erreicht werden.

Dadurch, dass der Sensorchip einen Wandabschnitt des Körpers bildet, ist eine steuerbare Strömungsbeeinflussung möglich. Die Herstellung eines weiteren Körpers mit einer Oberfläche, deren Geometrie derjenigen einer Oberfläche der deformierten Aktormembran entspricht, ist nicht erforderlich.

Besonders vorteilhaft ist, wenn äquidistant voneinander beabstandete, als Aktoren wirkende Sensoren oder mehrere Sensorchips mit solchen Sensoren benutzt werden.

Zweckmäßigerweise weist eine Sensormembran des mindestens einen Sensors mehrere voneinander verschiedene Erfassungsbereiche auf, insbesondere einen Randbereich und einem Mittenbereich. Die Erfassungsbereiche sind räumlich voneinander getrennt. Vorteilhaft kann ein einziger Sensor benutzt werden, um mehrere Messsignale für einen einzigen Messpunkt zu erzeugen. Sind die Erfassungsbereich derart ausgebildet, dass beispielsweise in einem ersten Erfassungsbereich eine Zugspannung wirkt und in einem weiteren Erfassungsbereich eine Druckspannung, können die erfassten Messsignale in einen Differenzverstärker eingespeist werden. Vorteilhaft ist durch die Differenzverstärkung eine besonders genaue Messung aufgrund eines verstärkten Sensorsignals möglich.

Der Randbereich kann den Mittenbereich beispielsweise zumindest teilweise umschließen.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist der mindestens eine Sensor als piezoelektrischer Sensor ausgebildet, der mehrere voneinander verschiedene Erfassungsbereiche aufweist, wobei jeder Erfassungsbereich durch Anlegen einer Spannung als Aktorbereich wirken kann. Die Erfassungsbereiche sind räumlich voneinander getrennt und weisen insbesondere einen Rand- und einen Mittenbereich auf. Der Randbereich kann den Mittenbereich beispielsweise zumindest teilweise umschließen.

Denkbar ist, dass der Mittenbereich als Aktorbereich angesteuert wird, während der Randbereich als Sensorbereich wirkt. Vorteilhaft ist ein Funktionstest, ein sogenanntes „Self- Sensing“ möglich, bei dem in dem Mittenbereich eine Auslenkung einer Sensormembran erfolgt, wobei in dem Randbereich eine Erfassung der Auslenkung möglich ist.

Denkbar ist, dass der Randbereich als Aktorbereich angesteuert wird, während der Mittenbereich als Sensorbereich wirkt.

Außerdem ist denkbar, dass mehrere benachbarte, vorzugsweise äquidistant voneinander beabstandete Erfassungsbereiche alternierend als Sensor- und Aktorbereich wirken.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der mindestens eine Sensor als piezoelektrischer Sensor ausgebildet, der durch Verformung eine Spannung erzeugt, die zum Betrieb des mindestens einen Sensors nutzbar ist. Wird ein piezoelektrisches Material verformt, entsteht eine Spannung, die als Messsignal nutzbar ist. Weist der piezoelektrische Sensor eine sensoraktive Schicht auf, die aus einem piezoelektrischen Material gebildet ist und auf einer Seite einer Sensormembran, die einem Strömungskanal abgewandt ist, aufgebracht, bewirkt jede Deformation durch einen wirkenden Druck oder eine Druckveränderung die Erzeugung einer Spannung. Weder ist eine externe Spannungsquelle erforderlich, noch Speiseleitungen zur Spannungsversorgung des Sensors. Vorteilhaft ist ein besonders kompakter Sensoraufbau möglich.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und der beigefügten, sich auf die Ausführungsbeispiele beziehenden Zeichnungen, näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine erfindungsgemäße Einrichtung in mehreren Ansichten,

Fig. 2 mehrere Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Sensorchips,

Fig. 3 Details eines erfindungsgemäßen Sensorchips.

Eine in Fig. la in einer teilweise geschnittenen, auszugsweisen Seitenansicht und in Fig. lb in einer Explosionsdarstellung schematisch gezeigte Einrichtung 1 zur Bestimmung eines auf eine Oberfläche 2 eines in einem Strömungskanal 3 angeordneten Körpers 4 wirkenden Drucks oder einer auf eine Oberfläche 2 eines in einem Strömungskanal 3 angeordneten Körpers 4 wirkenden zeitlichen Druckveränderung umfasst einen Sensorchip 5 mit in diesem Ausführungsbeispiel insgesamt neun in einem 3x3 Array äquidistant voneinander beabstandeten Sensoren 6. Der Sensorchip 5 ist in eine Öffnung 7 einer Trägerplatine 8 eingesetzt derart, dass der Sensorchip 5 und die Trägerplatine 8 einen bündigen Übergang 9 ausbilden. Die Trägerplatine 7 ist in eine Ausnehmung 10 des Körpers 4 eingesetzt derart, dass ein bündiger Übergang 11 ausgebildet wird. Durch diese Anordnung bildet der Sensorchip 5 einen bündigen Wandabschnitt des Körpers 4. Die Einrichtung 1 ist dazu geeignet, im Bereich der Sensoren 6 einen auf den Körper 4 wirkenden Druck oder eine zeitliche Druckveränderung zu erfassen. Ein in dem Strömungskanal 3 wirkendes Strömungsprofil ist schematisch in Fig. la gezeigt und mit 13 bezeichnet.

Jeder Sensor 6 weist ferner eine Sensormembran 13 auf. Vorzugsweise sind der Sensorchip 5 und die Sensormembranen 13 der Sensoren 6 aus Silizium gebildet, wobei die Sensor membranen 13 einstückig an die Sensoren 6 angeformt sind.

Obwohl in Fig. 1 nicht gezeigt ist denkbar, dass der Sensorchip 5 und/oder die Trägerplatine 8 auf einer dem Strömungskanal 3 zugewandten Seite mit einer Schutzschicht versehen sind, die beispielsweise aus Siliziumnitrid oder Polyimid gebildet sein kann. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in Fig. lb nicht alle neun Sensoren 6 und Sensormembranen 13 mit einem Bezugszeichen versehen.

Es wird nun auf Fig. 2 Bezug genommen, wo gleiche oder gleichwirkende Teile mit derselben Bezugszahl wie in Fig. 1 bezeichnet sind und der betreffenden Bezugszahl jeweils der Buchstabe a beigefügt ist.

Ein in Fig. 2a in einer Draufsicht auf eine einem Strömungskanal 3a abgewandte Seite gezeigter Sensorchips 5a umfasst neun in einem 3x3 Array angeordneten Sensoren 6a, die vertikal und horizontal äquidistant voneinander beabstandet angeordnet sind.

Ein in Fig. 2a gezeigter Sensor 6a ist herstellbar, indem ein in Fig. 2 nicht gezeigter beispielsweise aus dotiertem Silizium gebildeter Sensorchiprohling auf einer Seite mit im Querschnitt trapezförmigen Ausnehmungen 14 versehen wird, wobei eine Basiswand der Ausnehmung 14 eine Sensormembran 13a und Seitenwände Schenkelwände 15 der Ausnehmung 14 bilden.

Zur Einbringung der Ausnehmungen 14 sind beispielsweise aus der Halbleiterherstellung bekannte Ätzverfahren anwendbar.

Jeder Sensor 6a umfasst einen Mittenbereich 16 sowie einen den Mittenbereich 16 einschließenden Randbereich 17. Der Mittenbereich 16 weist in diesem Ausführungsbeispiel einen einzigen quadratischen sensoraktiven Beschichtungsbereich 18 auf, während der Randbereich 17 insgesamt vier sensoraktive Beschichtungsbereiche 19 umfasst. Der Beschichtungsbereich 18 ist auf eine Basiswand der im Querschnitt trapezförmigen Ausnehmung 14 aufgebracht, der Beschichtungsbereich 19 auf Schenkelwände 15 der im Querschnitt trapezförmigen Ausnehmungen 14.

In jedem Beschichtungsbereich 18, 19 ist eine piezoelektrische Schicht 20 auf die Sensor membran 13a aufgebracht. Jeder Beschichtungsbereich 18, 19 bildet einen Erfassungs bereich. Jeder Beschichtungsbereich 18, 19 ist mit einer in Fig. 2 nicht gezeigten metallischen Deckschicht versehen, die zur elektrischen Kontaktierung der piezoelektrischen Schicht 20 mit Elektroden 21 sowie Leitungsbahnen 22 eingerichtet ist.

Die Elektroden 21 und Leitungsbahnen 22 sind durch aus der Chipherstellung bekannte Verfahren, insbesondere Beschichtungsverfahren, auf den Sensorchip 5a sowie die Sensoren 6a aufgebracht. Einige der Leitungsbahnen 22 umschließen beispielsweise den Mittenbereich 16.

Dadurch, dass der Sensorchip 5a aus vorzugsweise dotiertem Silizium gebildet ist, ist nur eine einzige Gegenelektrode 23 zu sämtlichen Elektroden 21 der Sensoren 6a erforderlich.

Es versteht sich, dass zur Vermeidung eines Kurzschlusses zwischen den Elektroden 21 und dem Sensorchip 5a und zwischen den Leitungsbahnen 22 und dem Sensorchip 5a eine elektrisch isolierende, in Fig. 2 nicht gezeigte Schicht aufgebracht ist.

Durch Deformation des Mitten- 16 und des Randbereichs 17 wird jeweils ein elektrisches Messsignal erzeugt, das zur Bestimmung eines auf die Sensormembran 13b wirkenden Drucks oder einer zeitlichen Druckveränderung herangezogen werden kann.

Es ist denkbar, dass der Mitten- 16 und der Randbereich 17 derart verformt werden, dass in einem der Bereiche Zugspannungen und dem jeweils anderen Bereich Druckspannungen wirken. Dadurch, dass in jedem der beiden Bereiche 16, 17 ein eigenes Messsignal erzeugt wird, ist deren Speisung in einen in Fig. 2 nicht gezeigten Differenzverstärker möglich. Vorteilhaft ist durch diese Differenzverstärkung eine besonders genaue Bestimmung eines auf die Sensormembran 13b wirkenden Drucks oder einer zeitlichen Druckveränderung möglich.

Ein in Fig. 2b in einer Draufsicht auf eine einem Strömungskanal abgewandte Seite gezeigter Sensorchips 5a unterscheidet sich von demjenigen in Fig 1 und 2a gezeigten dadurch, dass der Sensorchip 5a als 2x7 Array ausgebildet ist, wobei alle Sensoren 6a identisch ausgebildet sind.

Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in Fig. 2 nicht bei allen Sensoren 6a des Sensorchips 5a sämtliche Bezugszeichen angebracht.

Es wird nun auf Fig. 3 Bezug genommen, wo gleiche oder gleichwirkende Teile mit derselben Bezugszahl wie in Fig. 1 und 2 bezeichnet sind und der betreffenden Bezugszahl jeweils der Buchstabe b beigefügt ist.

Eine in Fig. 3a in einer geschnittenen Seitenansicht schematisch gezeigter Sensor 6b eines Sensorchips 5b umfasst eine Sensormembran 13b. Eine auf die Sensormembran 13b piezo elektrische Schicht 20b erstreckt sich von einem Übergangsbereich 24 bis zu einer Unter seite 25 des Sensorchips 5b. Auf die piezoelektrische Schicht 20b ist eine Elektroden 21b bildende Elektrodenschicht 26 aufgebracht. Eine Gegenelektrode 23b ist unmittelbar auf den Sensorchip 5b aufgebracht.

Wirkt ein Druck in Richtung von Pfeilen 27, wird die Sensormembran 13b deformiert, wodurch die piezoelektrische Schicht 20b ebenfalls deformiert wird und durch Ladungs verschiebung eine elektrische Spannung entsteht, die ein Messsignal zur Bestimmung eines auf die Sensormembran 13b wirkenden Drucks oder einer zeitlichen Druckveränderung bildet. Aufgrund dieser Eigenschaft der piezoelektrischen Schicht 20b ist zum Betrieb des Sensorchips 5b vorteilhaft keine externe Energiequelle erforderlich. Das Messsignal wird von einer Erfassungseinrichtung 28 erfasst.

An eine auf eine Sensormembran 13b aufgebrachte piezoelektrische Schicht 20b eines in Fig. 3b in einer geschnittenen Seitenansicht schematisch gezeigten Sensors 6b wird durch eine Energiequelle 29 eine Spannung angelegt, so dass dieser Sensor als Aktor 30 wirkt. In diesem Fall ist die Sensormembran 13b eine Aktormembran 31. Durch Anlegen der Spannung wird die piezoelektrische Schicht 20b verformt, wodurch die Aktormembran 31 in diesem Beispiel konvex gewölbt wird.

Durch Anlegen einer Wechselspannung kann beispielsweise ein Schwingen der Sensormembran 13b bewirkt werden.

Ein in Fig. 3c in einer Draufsicht auf eine Unterseite gezeigter Sensor 6b mit einer schematisch gezeigten Spannungsquelle 29 und einer schematisch gezeigten Erfassungs einrichtung 28 ist derart ausgebildet, dass ein Mittenbereich 16b einen Sensorbereich 32 bildet, während ein Randbereich 17b einen Aktorbereich 33 bildet. Wrd der Aktorbereich 33 angesteuert, erfolgt eine Deformation eines Aktorbereichs 33 der Sensormembran 13b, wodurch im Sensorbereich 32 ein Messsignal erzeugt wird. Dadurch ist ein Funktionstest des Sensors 6b möglich („Self-Sensing“). Eine Funktionsprüfung durch externe Prüfmittel ist vorteilhaft nicht erforderlich.

Denkbar ist, dass ein Sensor 6-6b lediglich einen Mittenbereich 16; 16b oder einen Randbereich 17; 17b mit einer piezoelektrischen Beschichtung aufweist, der als Sensorbereich 32 oder Aktorbereich 33 wirken kann.

Außerdem ist denkbar, dass benachbarte Sensoren 6-6b eines Sensorchips unterschiedlich ausgebildet sind. Beispielweise können einige der Sensoren gemäß in Fig. 2 gezeigter Ausführungsform ausgebildet sein, während andere lediglich einen lediglich einen Mittenbereich 16; 16b oder Randbereich 17; 17b aufweisen. Es versteht sich, dass sämtliche mögliche Kombinationen von Merkmalen der in Fig. 1 bis 3 gezeigten Merkmale denkbar sind.

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Claims

1. Einrichtung (1) zur Bestimmung eines auf eine Oberfläche (2) oder eine Wand eines in einem Strömungskanal (3-3b) angeordneten Körpers (4) wirkenden Drucks oder einer auf eine Oberfläche (2) oder Wand eines in einem Strömungskanal (3-3b) angeordneten Körpers (4) wirkenden zeitlichen Druckveränderung, die mindestens ein Mittel zur Erfassung des Drucks oder der zeitlichen Druckveränderung umfasst, wobei das Erfassungsmittel einen Sensorchip (5-5b) mit mindestens einem Sensor (6-6b) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorchip (5-5b) dazu vorgesehen ist, einen Oberflächen- oder einen Wändabschnitt des Körpers (4) zu bilden.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorchip (5-5b) eine bündige Oberfläche mit einer Trägerplatine (7) und/oder dem Körper (4) bildet.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine dem Strömungskanal (3-3b) zugewandte Seite des mindestens einen Sensors (6-6b) und/oder des Sensorchips (5-5b) eben oder strukturiert ist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trägerplatine (7) als Messplatine ausgebildet ist, deren elektrische Verbindungsleitungen mit dem mindestens einen Sensor (6-6b) des Sensorchips (5- 5b) vollständig auf einer dem Strömungskanal (3-3b) abgewandten Seite des Sensorchips (5-5b) angeordnet sind.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine dem Strömungskanal (3-3b) zugewandte Seite des mindestens einen Sensors (6-6b), vorzugsweise des gesamten Sensorchips (5-5b), mit einer Schicht belegt ist, die vor einer Beschädigung durch ein in dem Strömungskanal (3-3b) strömendes Fluid schützt.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sensormembran (13-13b) des mindestens einen Sensors (6-6b) eine Ausnehmung (14; 14b) begrenzt, die auf einer dem Strömungskanal (3-3b) abgewandten Seite des Sensorchips (5-5b) in diesen eingebracht ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor (5-5b) eine aus einem piezoelektrischen Material gebildete sensoraktive Schicht (20; 20b) aufweist, die vorzugsweise Aluminiumnitrid, Zinkoxid oder Blei-Zirkonat-Titanat umfasst.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorchip (5-5b) mehrere Sensoren (6-6b) aufweist, die vorzugsweise hintereinander, nebeneinander oder/und matrixartig angeordnet sind.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor (5-5b) als piezoelektrischer Sensor ausgebildet ist, der durch Anlegen einer Spannung als Aktor (30) wirken kann.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sensormembran (13-13b) des mindestens einen Sensors (6-6b) mehrere voneinander verschiedene Erfassungsbereiche aufweist, insbesondere einen Randbereich (15; 15b) und einem Mittenbereich (16; 16b).

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor (6-6b) als piezoelektrischer Sensor ausgebildet ist, der mehrere voneinander verschiedene Erfassungsbereiche aufweist, wobei jeder Erfassungsbereich durch Anlegen einer Spannung als Aktorbereich (33) wirken kann.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor (6-6b) als piezoelektrischer Sensor ausgebildet ist, der durch Verformung eine Spannung erzeugt, die zum Betrieb des mindestens einen Sensors (6-6b) nutzbar ist.

13. Verfahren zur Herstellung eines Sensorchips (5-5b) mit mindestens einem Sensor (6- 6b) zur Verwendung in einer Einrichtung (1) zur Bestimmung eines auf eine Oberfläche (2) oder eine Wand (2) eines in einem Strömungskanal (3-3b) angeordneten Körpers wirkenden Drucks oder einer auf eine Oberfläche (2) oder eine Wand eines in einem Strömungskanal angeordneten Messkörpers wirkenden zeitlichen Druckveränderung, wobei der mindestens eine Sensor (6-6b) eine verformbare Sensormembran (13- 13b) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die verformbare Sensormembran (13-13b) des mindestens einen Sensors (6- 6b) gebildet wird, indem von einer einem Strömungskanal (3-3b) abgewandten Seite eines vorzugsweise aus Silizium gebildeten Sensorchiprohlings Material abgetragen wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine sensoraktive Schicht (20-20b), die vorzugsweise aus einem piezoelektrischen Material gebildet wird, in eine Ausnehmung (14; 14b), die durch Materialabtragung gebildet wurde, eingebracht wird.

15. Verfahren zur Bestimmung eines auf eine Oberfläche (2) oder eine Wand eines in einem Strömungskanal (3-3b) angeordneten Körpers (4) wirkenden Drucks oder einer auf eine Oberfläche (2) oder eine Wand eines in einem Strömungskanal angeordneten Körpers wirkenden zeitlichen Druckveränderung, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck oder die Druckveränderung anhand einer Verformung einer sensoraktiven Schicht (20-20b) einer Sensormembran (13-13b) mindestens eines Sensors (6-6b) ermittelt wird.

16. Sensorchip (5-5b) zur Verwendung in einer Einrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, der mit einem Verfahren nach Anspruch 13 oder 14 hergestellt ist.