DD209907A1 - Miniaturisierter halbleiterdurchflusssensor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen miniaturisierten Halbleiterdurchflussensor fuer Fluessigkeiten und Gase und ist besonders fuer die Massenproduktion derartiger Sensorelemente geeignet. Aufgabe der Erfindung ist es, einen Durchflussensor auf der Basis integrierter Halbleiterwiderstaende zu schaffen, der eine bessere Ermittlung der mittleren ueber dem Chip vorhandenen Stroemungsgeschwindigkeit ermoeglicht und damit eine geringere Abhaengigkeit von Stroemungsturbulenzen aufweist. Erreicht wird das dadurch, dass der auf einer isolierenden Traegerplatte befindliche erste Chip vier integrierte temperaturempfindliche Halbleiterwiderstaende aufweist, von denen jeweils zwei am vorderen und zwei am hinteren Rand des Chips angeordnet sind, dass diese vier Halbleiterwiderstaende zu einer Wheatstone-Bruecke geschaltet sind und dass auf dem ersten Chip weiterhin ein Heizwiderstand angeordnet ist, wobei der Strom durch den Heizwiderstand durch eine geeignete Regelschaltung stets so eingestellt ist, dass die Differenz zwischen der Temperatur des ersten Chip und dem Messmedium stets einen vorherbestimmten konstanten Betrag aufweist.

Description

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Titel der Erfindung

Miniaturisierter Halbleiterdurchflußsensor

Anwendung der Erfindung

Die Erfindung ist zur Messung des Durchflusses von Flüssigkeit und Gasen anwendbar und ist besonders vorteilhaft für die Massenproduktion von derartigen Sensorelementen geeignet»

Charakeristik der bekannten technischen Lösungen

Es sind Halbleiterdurchflußmesser, die nach dem klassischen Anemometerprinzip arbeiten, bekannt.

In der USA-PS 3992 940 ist ein derartiger Sensor beschrieben. Er besteht aus einer isolierenden Trägerplatte auf der zwei Haibleiterchips angeordnet sind. Die Trägerplatte kann in einer Rohrleitung parallel zur Rohrachse angeordnet sein. Die beiden Chips liegen beide hintereinander auf einer parallel zur Flußrichtung gedachten Linie. Der erste Chip enthält einen als Diode betriebenen Transistor als temperaturenipf indliches Element und erzeugt ein der Mediumtemperatur proportionales Signal. Der zweite Chip enthält ebenfalls einen als Diode betrie.benen Transistor und einen weiteren als Heizelement dienenden Transistor, wobei ein der Chiptemperatur proportionales Signal erzeugt wird. Beide Signale werden einer Regelschaltung zugeführt, die dazu dient, den zweiten Chip auf

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einer Temperatur zu halten, die um einen festen Betrag oberhalb der Mediumtemperatur liegt. Wird nun die genannte Trägerplatte von dem zu messenden Medium umflossen, so wird der Transistor auf dem thermostatisierten Chip in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit infolge der abgeführten Wärme gekühlt. Die Regelschaltung bewirkt jetzt einen größeren Strom durch den Heiztransistor, um die genannte Teiaperaturdifferenz zwischen Mediumtemperatur und Temperatur des beheizten Chips aufrechtzuerhalten. Damit ist der Strom durch den Heiztransistor, der über eine Stromspiegelschaltung auch der Ausgangsstrom ist, ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit. Der entscheidende Nachteil dieser Lösung ist, daß Temperaturschwankungen des Meßmediums ebenfalls eine Änderung des Ausgangssignals bewirken und damit Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit vortäuschen, die nicht vorhanden sind. Weiterhin ist es ungünstig, wenn die Kühlung des auf dem zweiten Chip vorhandenen Transistors nur an.einer eng begrenzten Stelle vorgenommen wird, da dadurch Unregelmäßigkeiten im Strömungsprofil starke Auswirkungen verursachen.

Bs ist ein weiterer verbesserter Haibleiterdurchflußmesser bekannt (IESE Transactions on electron, devices, SD 29 Nr. 1/82, S. 133 ff.). Bei diesem enthält der zweite Chip, der über einen Heiztransistor und eine Regelschaltung auf eine Temperatur thermostatisiert ist, die um ' einen konstanten Betrag über der Kediumtemperatur liegt (z.3. 40 K), zwei Transistoren als temperaturempfindiiche Elemente, die auf einer parallel zur Fließrichtung gedachten Linie nahe am Chiprand liegen. Bei diesem Sensor wird die unterschiedliche Kühlung der beiden Transistoren ausgenutzt, die sich in einer Spannungsdifferenz niederschlägt, die mit Verstärkern entsprechend verstärkt wird. Die Temperaturdifferenz ώΤ,_?, die sich infolge des strömenden Mediums an den beiden Transistoren ausbildet, ist _Δ Τ._ολ/ C (T.-T^) Vv ,' C ist ein Proportionalistätsfaktor, der von der Chipgröße und bestimmten Parametern des fließenden Mediums, wie thermische Leitfähigkeit, dynamische Viskosität, Vorhandensein von Turbulenzen usw., abhängt.

T. ist die Temperatur des thermostatisierten zweiten Chips und T„ die Mediumtemperatur.₆Da die Differenz von T. und T„ konstant gehalten wird, ist der Einfluß der Mediumtemperatur auf das Ausgangssignal eliminiert.

Obwohl diese Lösung gegenüber Widerständen als Temperaturfühler eine höhere Empfindlichkeit besitzt, ist die Herstellung durch die größere Anzahl der technologischen Schritte im Zyklus 1 entsprechend aufwendig. Desweiteren lassen sich bekannte Widerstandsstrukturen zur Druck- oder Temperaturmessung, nicht zusätzlich zur Durchflußmessung verwenden. Die Anordnung von zwei Transistoren auf einer Linie, wie oben beschrieben, schafft eine relativ hohe Abhängigkeit von Strömungstur- _e. bulenzen.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, auf der Grundlage der zuletzt beschriebenen Lösung einen Durchflußsensor zu schaffen, der in der Herstellung billiger ist und der es ermöglicht, integrierte Widerstandsstrukturen, die zur Druck- oder Temperaturmessung genutzt werden, zusätzlich auch für die DurchflußmeSSUDg anwendbar zu machsnv

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Durchflußsensor auf der Basis integrierter Halbleiterwiderstände zu schaffen, der eine bessere Ermittlung der mittleren über den Chip vorhandenen Strömungsgeschwindigkeit ermöglicht und damit eine geringere Abhängigkeit von Strömungstrubulenzen gewährleistet.

Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß der auf der isolierenden Trägerplatte befindliche erste Chip vier integrierte temperaturempfindliche Halbleiterv/iderstände aufweist, von denen jeweils zwei am vorderen und zwei am hinteren Rand des ersten Chips (in Richtung des fließenden Mediums gesehen) angeordnet sind, daß diese vier Halbleiterwiderstände zu einer Wheatstone-Brücke geschaltet sind und daß auf dem ersten Chip weiterhin ein "Heizwiderstand angeordnet ist, wobei der Strom durch den Heizwiderstand durch eine geeignete Regelschaltung stets so eingestallt

ist, daß die Differenz zwischen der Temperatur des ersten beheizten Chips und dem Meßmedium stets einen vorherbestimmten festen Betrag aufweist«

Die weitere Ausgestaltung der Erfindung sowie ihre Wirkungsweise ergibt sich aus den Unteransprüchen sowie dem Ausführungsbeispiel.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausflihrungsbeispiel näher erläutert. Die dazugehörigen Zeichnungen bedeuten:

Fig, 1 Draufsicht auf den ersten Chip Fig. 2 Schnitt durch einen Durchflußsensor

Fig. 3 elektronische Auswerteschaltung zur Erzeugung eines dem Durchfluß proportionalen Signals

Der erfindungsgemäße Halbleiterdurchflußsensor besteht gemäß Fig. 2 aus einer isolierenden Platte ?, die güjastigerweise aus Keramik hergestellt sein kann, auf der ein erster Chip 1 und ein zweiter Chip 6 angeordnet ist. Die Abmessungen dieser Keramikplatte 7 sind etwa 5 nun χ 5 mm ...10 ram.χ 10 mm.

Der erste Chip 1, der zum Beispiel von quadratischer Form sein kann, enthält gemäß Sig, 1, in der Nähe seiner vier Eckan je einen temperaturempfindlichen integrierten Halbleiterwiderstand R ^, Rp₅ R-, und R ^, die über geeignete Anschlußbahnen 2 zu einer Wheatstone-Brücke 5 geschaltet sind.

Auf dem ersten Chip 1 ist weiterhin ein Heizwiderstand 3 angeordnet, der zur Thermostatisierung des Chips 1 dient. Die Widerstände R„. ...R , und 3 sind mittels bekannter Verfahren der Planartechnologie wie z.B. Diffusion oder Implantation hergestellt. Um eine gute und gleichmäßige Aufheizung des Chips 1 zu gewährleisten, ist der Heizwiderstand 3 entlang einer äer Mittellinien mäanderförmig über die ganze Chiplänge ausgebildet. Auf dem Chip 6 ist ebenfalls ein integrierter temperaturempfindlichsr Halbleiterwiderstand R _ zur Erzeugung eines der Mediumtemperatur proportionalen Signals angeordnet. Beide Chips 1 und 6 sind ait ihrer aktiven Seite auf dem Keramikträger befestigt und auf diese Weise wirksam vor den Einflüssen des Meßmediums geschützt. Es ist jedoch ebenso möglich, diesen notwendigen Schutz durch eine Passivierungsschicht, z.B. aus SiOp zu

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gewährleisten.

Der Strom durch den Heizwiderstand wird durch eine Regelschaltung stets so eingestellt, daß die Temperatur des beheizten Chips 1 immer um einen konstanten Betrag, z.B. 30...50 K-, oberhalb der Mediumtemperatur liegt. Die Regelschaltung besteht aus einem in Reihe zu dem Heizwiderstand 3 liegenden Stelltransistor 8, der von einem Operationsverstärker 9 angesteuert wird.

Der eine Eingang des Operationsverstärkers liegt an einem Spannungsteiler, bestehend aus R c und einem Festwiderstand 10 und erhält damit ein der Mediumtemperatur T_p proportionales Signal. Der andere Eingang des Operationsverstärkers 9 liegt an einem weiteren Spannungsteiler, der aus der Weatstone-Brücke 5 und einem weiteren Festwiderstand 11 besteht. Da der Brückenwiderstand von der Temperatur T^ des beheizten Chips 1 abhängt, gelangt an den anderen Eingang des Operationsverstärkers 9 ein der Temperatur T_-1 proportionales Signal. Der Operationsverstärker steuert über das Stellglied 8 den Strom durch den Heizwiderstand stets so, daß die Differenz T. - T₂ konstant bleibt. Erhöht sich beispielsweise durch äußere Einflüsse die Mediumtemperatur Tp, se wird R _ kleiner und damit entsteht eine Spannungsdifferenz am Operationsverstärkereingang. Diese bewirkt eine' weitere Aufsteuerung des Stelltransistors 8 mit. der Wirkung, daß der Heizstrom ansteigt und den Chip solange auf eine höhere Temperatur aufheizt, bis die ursprüngliche Differenz T. - Tp wieder den vorbestimmten Wert angenommen hat. In diesem Fall ist die Spannungsdifferenz am Eingang des Operationsverstärkers 9 wieder Null. Die 'wirkungsweise des erfindungsgemäßen Halbleiterdurchflußsensors beruht auf der unterschiedlichen Kühlung der vorderen Widerstände R ^ und R ₂ gegenüber den hinteren Widerständen R , und R _li auf dem beheizten Chip 1 durch das vorbeiströmende flüssige oder gasförmige Medium. Der in Fig. 2 gezeigte Durchflußsensor wird zum Beispiel in einer Rohrleitung so angeordnet, daß die Längsachse der Chips 1 und 6 parallel zu der Strcmungsrichtung liegt. Da der Chip 1 auf eine um ca. 30...50 K über der Temperatur des vorbeiströmenden Mediums liegende Temperatur gehalten wird, werden die auf dem Chip 1 angeordneten temperaturempfindlichen Halbleiterwiderstände R ,....R λ durch das strömende Medium gekühlt. Diese Kühlung ist bei den am vorderen Rand des Chip 1 angeordneten Widerständen R ^ und R „ größer als bei den hinteren R , und R .,

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so daß sich eine Temperaturdifferenz und damit auch eine Differenz in den Widerstandswerten in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit einstellt. Die genannte Temperaturdifferenz & T ist der Wurzel aus der Strömungsgeschwindigkeit und der Temperaturdifferenz T. - T„ proportional. Die Widerstandswerte der vorderen Widerstände R ,. und R„p sind somit kleiner als die der hinteren R _ und R_/,, so daß die. sonst abge-

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glichene Wheatstone-Brücke nunmehr verstimmt ist. Die Brückenausgangsspannung U ist damit ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit des Meß-

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mediums. Wenn c£ _, der Temperaturkoeffizient der Widerstände R ....R r ist, dann gilt: U_& = v_q . -^ <^_β . ^ T.

Die Brückenausgangsspannung wird durch einen Operationsverstärker 12 auf einen geeigneten Wert U ' verstärkt.

Durch die Anordnung von jeweils zwei der gleichen Temperatur ausgesetzten Widerständen wird ein Mittelwert von ν erfaßt, wodurch die Brückenausgangsspannung U in geringerem Maße von Strömungsturbulenzen abhängt.

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Da die Erfassung der Temperatur T₂ des Meßmediums zur Thermostatisierung des Chip 1 ohnehin notwendig ist, kann es sehr vorteilhaft sein, daß an dem einen Eingang des Operationsverstärkers 9 liegende Signal, welches der Mediumtemperatur proportional ist, über einen geeigneten Verstärker 13 zu verstärken und damit ein zusätzliches Ausgangssignal U = f (T„) bereitzustellen. Das ist besonders dann vorteilhaft, wenn der Durchflußsensor für die Messung der Wärmemenge eingesetzt werden soll. Damit wird die sonst notwendige Messung, z.B. der Vorlauftemperatur an einem Wärmeverbraucher eingespart.

Sin Vorteil der Erfindung ist, daß durch Einbringen der beschriebenen Widerstände in bekannte integrierte Strukturen zur Druck- oder Tempera·*· turmessung, ohne wesentlichen zusätzlichen Aufwand eine Erweiterung des Einsatzgebietes auf die Durchflußmessung erreicht werden kann. Durch die gleichzeitige Messung der Temperatur und des Durchflusses bietet sich der erfindungsgemäße Sensor besonders vorteilhaft für die Wärmemengenmessung an.

Eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung -wird bei Wahl folgender Parameter erreicht:

R2	(2):	(1...10) kOhm 5-1O~3...1O"2/K	• 5 κΟππι	= 10 m/s
RH	(3):	1..	..5O0K
	T1 =	30.	...0,2 K, ν
Δ Τ		0,1	mV
U '	-	100

Chipabmessungen: 2x2...4x4 mm Sensorabmessung: 5^5··.10x10 mm Medium: Gase, Flüssigkeiten V = 0,5 m/s...20 m/s

Claims (5)

1. 8 Srfindungsanspruch

   1. Miniaturisierter Halbleiterdurchflußsensor mit einer aus einem isolierenden Material bestehenden Trägerplatte (7)> auf der zwei Siliziumchips (1) und (6) angeordnet sind, wobei der erste Siliziumchip (1) auf einen festen Wert oberhalb der Temperatur des Meßmediums aufgeheizt ist und der zweite Siliziumchip (6) einen integrierten temceraturempfindlichen Halbleiterwiderstand (R _a)

   zur Messung der Temperatur des Meßmediums aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Siliziumchip (1) vier integrierte temperaturempfindliche Halbleiterwiderstände (R ^.» R₃₂* S ,, RO aufweist, von denen jeweils zwei am vorderen Rand des Chips (1) und zwei am hinteren Rand des Chips (1) angeordnet sind, daß diese vier Halbleiterwiderstände zu einer Wheatstone-Brücke (5) geschaltet sind, deren Brückenausgangsspannung der Quadratwurzel des Durchflusses proportional ist, und daß auf dem ersten Chip (1) weiterhin ein Heizwiderstand (3) angeordnet ist, wobei der Strom- durch den Heizwiderstand durch eine geeignete Regelschaltung (4) stets so eingestellt ist, daß die Differenz zwischen der Temperatur des erstao, beheizten''Chips (1) und dem Meßmedium stets einen vorher bestimmten festen Betrag aufweist.
2. 2. Halbleiterdurchflußsensor nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vier Halbleiterwiderstände auf dem ersten Chip (1) in Nähe der vier Ecken des quadratischen Chips (1) jeweils symmetrisch zu den beiden Mittellinien des Chips angeordnet sind.

   3ο Halbleiterdurchflußsensor nach Funkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizwiderstand mäanderförmig entlang einer der Mittellinien des quadratischen Chips (1) verläuft.
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4. 4. Halbleiterdurchflußsensor nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschaltung (4) einen in Reihe zu dem Heizwiderstand (3) liegenden Stelltransistor (8) enthält, dessen Basis mit dem Ausgang eines Operationsverstärkers (9) verbunden ist, wobei der erste Eingang des Operationsverstärkers (9) mit einem Spannungsteiler, bestehend aus dem Halbleiterwiderstand (R -) des zweiten Chips (6) und einem festen Widerstand (19) und der zweite Eingang mit dem einen Diagonalpunkt der Brücke (5), der über ein'en Widerstand (11) mit dem Minuspol der Speisespannung in Verbindung steht, verbunden ist.
5. 5. Halbleiterdurchflußsensor nach einem der Punkte 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Operationsverstärker (12) vorgesehen ist, dessen erster Eingang an dem Spannungsteiler, bestehend aus' der Reihenschaltung des temperaturempfindlichen Halbleiterwiderstandes (R _) des zweiten Chips (6) und des Widerstandes (10)

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   und dessen zweiter Eingang an dem Minuspol der Speisespannung liegt, so daß sein Ausgangssignal der Mediumtemperatur proportional ist.

   Hierzu^Ueiten Zeichnungen