DE60129992T2

DE60129992T2 - Mikrosensor zur messung von geschwindigkeit und richtungswinkel eines luftstroms

Info

Publication number: DE60129992T2
Application number: DE60129992T
Authority: DE
Inventors: Ulrich Hopkins Bonne; Steve R. Minneapolis WEERES; Ernie A. Bloomington SATREM; David Chanhassen Kubisiak
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2000-09-01
Filing date: 2001-08-30
Publication date: 2008-05-15
Anticipated expiration: 2021-08-31
Also published as: ATE370418T1; WO2002018884A2; US6502459B1; JP2004507753A; KR100825998B1; EP1314042A2; KR20030064396A; WO2002018884A3; EP1314042B1; DE60129992D1

Description

QUERVERWEIS ZU GLEICHZEITIG ANHÄNGIGEN ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung gehört zu der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/002,157 , eingereicht am 31. Dezember 1997, mit dem Titel "Time Lag Approach For Measuring Fluid Velocity", der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/001,735 , eingereicht am 31. Dezember 1997, mit dem Titel "Self-Oscillating Fluid Sensor", der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/001,453 , eingereicht am 31. Dezember 1997, mit dem Titel "Fluid Property and Flow Sensing Via a Common Frequency Generator and FFT", und der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/207,165 , eingereicht am 7. Dezember 1998, mit dem Titel "Rugged Fluid Flow and Property Microsensor", die alle an den Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung abgetreten wurden.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Messung von Eigenschaften eines herankommenden Luftstroms und insbesondere die Messung von Geschwindigkeit und Einfallswinkel eines herankommenden Luftstroms.
Die Messung der Geschwindigkeit und des Einfallswinkels eines herankommenden Luftstroms hat viele Anwendungszwecke, zum Beispiel für die Flugsteuerung, für industrielle Prozessströme, für die Verbrennungssteuerung, die Wetterbeobachtung usw. Für die Flugsteuerung sind die genaue Orientierung oder Lage eines Flugzeugs relativ zu einem herankommenden Luftstrom sowie die Fluggeschwindigkeit wichtige Komponenten des "Luftdaten"-Informations-Gesamtpaketes, das von modernen Flugsteuerungssystemen verwendet wird.
In den meisten Fällen wird die Fluggeschwindigkeit durch Detektieren der Differenz zwischen Staudruck und statischem Druck, oft unter Verwendung von Pitotröhren, detektiert. Diese Vorgehensweise funktioniert gut bei Geschwindigkeiten oberhalb von etwa 60 Knoten, wenn ein sehr genauer Druckdifferenzsensor oder zwei Absolutdrucksensoren verwendet werden, die sehr teuer sind. In der Regel werden weitere Sensoren benötigt, um die Orientierung oder Lage eines Flugzeugs zu detektieren.
Eine Möglichkeit zum Detektieren der Lage eines Flugzeugs ist die Verwendung von Flügelmesswandlern, die mehrere mechanisch rotierende Flügel enthalten, die eine Orientierung finden, die zu einem ausgeglichenen Druck oder einer ausgeglichenen Luftgeschwindigkeit auf beiden Seiten der Flügel führt. Durch Detektieren der entstehenden Orientierung der Flügel kann die Lage des Flugzeugs bestimmt werden. Eine Einschränkung eines solchen Sensorsystems ist, dass die mechanisch rotierenden Flügel oft die Zuverlässigkeit und die Reaktionszeit des Sensors beeinträchtigen. Außerdem haben die meisten Flügelmesswandler eine relativ großen Radarquerschnitt, was für viele Anwendungszwecke, wie zum Beispiel militärische Anwendungszwecke, unerwünscht ist.
EP-A-0313120 beschreibt einen richtungsempfindlichen Strömungsratenindikator für gasförmige oder flüssige Medien, der ein Halbleitersubstrat aufweist, auf dem mindestens ein Thermoelement für jede Dimensionsrichtung angeordnet ist, wobei die Verbindungsdrähte der Enden jedes Thermoelements in einer Strömungsrichtung des interessierenden Mediums verlaufen und wenigstens im rechten Winkel zueinander verlaufen.
WO-A-9836247 beschreibt einen Durchflusssensor, der eine Membran aufweist, die aus monokristallinem Silizium hergestellt ist und Rillen aufweist, die von einer Fläche der Membran zur gegenüberliegenden Fläche der Membran verlaufen und die mit einem wärmeisolierenden Material gefüllt sind. Die Rillen definieren unterschiedliche Bereiche einer Sensorkomponente, die mit Heizelementen und/oder Temperaturmesselementen versehen sind.
WO-A-9638731 beschreibt eine Vorrichtung zum Bestimmen der Richtung und Geschwindigkeit eines Luftstroms, die einen Chip aufweist, der mit zwei zueinander im rechten Winkel verlaufenden Paaren von Messschaltkreisen versehen ist, die in einem Abstand einander gegenüberliegend angeordnet sind, und optional zum Erwärmen von Elementen in Positionen, die mit den Messschaltkreisen und einem Steuerschaltkreis übereinstimmen. Der Chip ist vorzugsweise durch Leimen auf dem Substrat befestigt.
Van Oudheusden und Mitarbeiter, Sensors and Actuators (1990) A21–A23: 425–430, beschreibt einen zweidimensionalen Wärmedurchflusssensor, der mittels Siliziumplanartechnologie und anschließender mikromaschineller Bearbeitung hergestellt ist. Mittels eines zweistufigen Ätzprozesses wird eine wärmeisolierte Schwebemembranstruktur in dem Chip ausgebildet. Die Strömung wird durch Detektieren von strömungsinduzierten Temperaturunterschieden in zwei Richtungen auf der erwärmten Membran gemessen, wodurch Strömungsrichtungsmessungen über 360° möglich sind.
Die Dokumente US-A-4,637,253 und US-A-4,332,157 beschrieben weiter zweiachsige Wärmedurchflusssensoranordnungen, die Mittel zum Bestimmen des Richtungswinkels des herankommenden Fluidstroms aufweisen.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung überwindet viele der Nachteile des Standes der Technik durch Bereitstellung einer Mikrosensorbaugruppe, die sowohl die Geschwindigkeit als auch den Richtungswinkel eines herankommenden Luftstroms messen kann, wie in Anspruch 1 definiert. Die Mikrosensorbaugruppe enthält wenigstens zwei Durchflusssensoren, die jeweils so ausgerichtet sind, dass sie eine andere Geschwindigkeitskomponente des heran kommenden Luftstroms messen. Die Geschwindigkeitskomponenten stehen durch die Geometrie zwischen den Sensoren miteinander in Beziehung. Der Richtungswinkel und die Geschwindigkeit des herankommenden Luftstroms können durch Untersuchen der gemessenen Geschwindigkeitskomponenten bestimmt werden. Ein solcher Mikrosensor kann schnell reagieren und hat einen relativ kleinen Radarquerschnitt. Es wird in Betracht gezogen, dass der Mikrosensor der vorliegenden Erfindung für eine breite Vielzahl verschiedener Anwendungszwecke verwendet werden kann, zum Beispiel zur Flugsteuerung, in der Industrie, zur Wetterbeobachtung usw.
Die Sensorbaugruppe enthält einen ersten Sensor und einen zweiten Sensor. Der erste Sensor misst die Geschwindigkeitskomponente des herankommenden Luftstroms, die entlang einer ersten Sensorachse verläuft. Der zweite Sensor misst die Geschwindigkeitskomponente des herankommenden Luftstroms, die entlang einer zweiten Sensorachse verläuft, wobei die erste Sensorachse gegenüber der zweiten Sensorachse so gedreht ist, dass sie die zweite Sensorachse an einem Schnittpunkt schneidet.
Anhand der Ausgangssignale des ersten und des zweiten Sensors lassen sich der Richtungswinkel und die Geschwindigkeit des herankommenden Luftstroms ermitteln. Wenn während des Betriebes der Richtungswinkel des Luftstroms in einer Richtung abweicht, so nehmen die Geschwindigkeitskomponenten des herankommenden Luftstroms, die entlang der ersten Sensorachse verlaufen, zu, und die Geschwindigkeitskomponenten des herankommenden Luftstroms, die entlang der zweiten Sensorachse verlaufen, nehmen ab. Wenn der Richtungswinkel des Luftstroms in der anderen Richtung abweicht, so nehmen gleichermaßen die Geschwindigkeitskomponenten des herankommenden Luftstroms, die entlang der ersten Sensorachse verlaufen, ab, und die Geschwindigkeitskomponenten des herankommenden Luftstroms, die entlang der zweiten Sensorachse verlaufen, nehmen zu. Durch Untersuchen der Geschwindigkeitskomponenten, die durch den ersten und den zweiten Sensor gemessen werden, und unter Verwendung der relativen Geometrie zwischen den Sensoren kann der Richtungswinkel des Luftstroms ermittelt werden.
Sowohl der erste Sensor als auch der zweite Sensor sind Mikrobrückendurchflusssensoren, die jeweils wenigstens ein längliches Heizelement und wenigstens ein längliches Sensorelement aufweisen, die beide in thermischer Verbindung mit dem herankommenden Luftstrom stehen. Die länglichen Heiz- und Sensorelemente erstrecken sich senkrecht zu der zugehörigen Sensorachse. Zum Beispiel erstrecken sich die länglichen Heiz- und Sensorelemente des ersten Mikrobrückendurchflusssensors senkrecht zu der ersten Sensorachse, und die länglichen Heiz- und Sensorelemente des zweiten Mikrobrückendurchflusssensors erstrecken sich senkrecht zu der zweiten Sensorachse.
Die Heizelemente des ersten und des zweiten Mikrobrückendurchflusssensors werden dann durch entweder einen gemeinsamen oder separate Heizerreger erregt. Die Heizerreger erzeugen bevorzugt einen Temperaturerhöhungszustand in jedem der länglichen Heizelemente, was wiederum einen Temperaturerhöhungszustand in benachbarten stromaufwärtigen und stromabwärtigen Sensorelementen und in dem Luftstrom zur Folge hat. Die Temperaturverteilung nahe der Dünnfilmbrücke wird symmetrisch um das Heizelement herum übertragen, wenn kein Luftstrom anliegt, und wird verwirbelt, wenn ein Luftstrom anliegt. Der Betrag der Verwirbelung steht in Beziehung zur Geschwindigkeit des Luftstroms entlang der entsprechenden Sensorachse.
Die Sensorelemente des ersten und des zweiten Mikrobrückendurchflusssensors haben bevorzugt einen Widerstand, der sich mit der Temperatur ändert. Dementsprechend können die Sensorelemente des ersten Mikrobrückendurchflusssensors dafür verwendet werden, die Temperaturverteilung zu detektieren, die durch das Heizelement des ersten Mikrobrückendurchflusssensors erzeugt wird. Gleichermaßen können die Sensorelemente des zweiten Mikrobrückendurchflusssensors dafür verwendet werden, die Temperaturverteilung zu detektieren, die durch das Heizelement des zweiten Mikrobrückendurchflusssensors erzeugt wird.
Genauer gesagt, und in einer veranschaulichenden Ausführungsform, ist ein Sensorelement stromaufwärts von dem Heizelement angeordnet, und das andere ist stromabwärts angeordnet. Das Heizelement wird dann um einen vorgegebenen Betrag oberhalb der Umgebungstemperatur des Luftstroms erwärmt. Wenn ein positiver Luftstrom anliegt, so wird das stromaufwärtige Sensorelement gekühlt, und die Wärmeleitung von dem Heizelement zu dem stromabwärtigen Sensorelement wird unterstützt. Infolge dessen wird die Temperatur des stromabwärtigen Sensorelements erhöht, und es entsteht ein Temperaturunterschied zwischen den Sensorelementen. Dieser Temperaturunterschied kann zu der Geschwindigkeitskomponente des Luftstroms entlang der entsprechenden Sensorachse in Beziehung gesetzt werden.
Alternativ, und in einer anderen veranschaulichenden Ausführungsform, erzeugt der Heizerreger einen Temperaturerhöhungsübergangszustand in jedem der länglichen Heizelemente, was wiederum einen Temperaturerhöhungsübergangszustand in dem Luftstrom hervorruft. Jedes Sensorelement, das bevorzugt einen Widerstand hat, der sich mit der Temperatur ändert, kann dafür verwendet werden zu detektieren, wann der Temperaturerhöhungsübergangszustand in dem Luftstrom an dem entsprechenden Sensorelement ankommt. Die Zeitverzögerung zwischen dem Temperaturerhöhungsübergangszustand in dem Heizelement und dem resultierenden Temperaturerhöhungsübergangszustand in den Sensorelementen kann zu der Geschwindig keitskomponente des Luftstroms entlang der entsprechenden Sensorachse in Beziehung gesetzt werden.
In dieser Ausführungsform kann jeder Mikrobrückendurchflusssensor einen entsprechenden Zeitverzögerungsdetektor zum Bestimmen der Zeitverzögerungswerte haben. Ein Zeitverzögerungswert kann der Zeitverzögerung zwischen dem Temperaturerhöhungsübergangszustand in dem Heizelement und dem resultierenden Temperaturerhöhungsübergangszustand in einem ersten (zum Beispiel stromaufwärtigen) Sensorelement entsprechen. Ein anderer Zeitverzögerungswert kann der Zeitverzögerung zwischen dem Temperaturerhöhungsübergangszustand in dem Heizelement und dem resultierenden Temperaturerhöhungsübergangszustand in einem zweiten (zum Beispiel stromabwärtigen) Sensorelement entsprechen.
Die Geschwindigkeitskomponente des herankommenden Luftstroms, die entlang der ersten Sensorachse verläuft, kann unter Verwendung der zwei Zeitverzögerungswerte des ersten Mikrobrückendurchflusssensors ermittelt werden. Gleichermaßen kann die Geschwindigkeitskomponente des herankommenden Luftstroms, die entlang der zweiten Sensorachse verläuft, unter Verwendung der zwei Zeitverzögerungswerte des zweiten Mikrobrückendurchflusssensors ermittelt werden. Weitere veranschaulichende Verfahren und Sensorkonfigurationen zum Bestimmen der Geschwindigkeitskomponente des herankommenden Luftstroms entlang der entsprechenden Sensorachse sind offenbart in: US-Patent Nr. 4,478,076 , US-Patent Nr. 4,478,077 , US-Patent Nr. 4,501,144 , US-Patent Nr. 4,651,564 , US-Patent Nr. 4,683,159 , US-Patent Nr. 5,050,429 , der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/002,157 , eingereicht am 31. Dezember 1997, mit dem Titel "Time Lag Approach For Measuring Fluid Velocity", der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/001,735 , eingereicht am 31. Dezember 1997, mit dem Titel "Self-Oscillating Fluid Sensor", und der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/001,453 , eingereicht am 31. Dezember 1997, mit dem Titel "Fluid Property and Flow Sensing Via a Common Frequency Generator and FFT", die alle an den Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung abgetreten wurden.
Die Heizerreger sind bevorzugt aktive Schaltkreise mit Rückkopplung, die jede erforderliche Leistung oder Spannung an die Heizelemente liefern, um eine Heiztemperatur aufrecht zu erhalten, die einen festen Betrag oberhalb der Umgebungstemperatur des herankommenden Luftstroms liegt. Dies hilft bei der Aufrechterhaltung eines adäquaten Signal-Rausch-Verhältnisses für jeden der Mikrobrückensensoren.
Um die Zuverlässigkeit und Genauigkeit des Sensors zu erhöhen, kann die Leistung oder Spannung, die den Heizelementen zugeführt wird, überwacht werden. Die Heizleistung oder -spannung kann dann dafür verwendet werden, ein redundantes Signal für die Luftstromge- schwindigkeit zu erzeugen. Wenn die Geschwindigkeit des Luftstroms zunimmt, so nimmt auch der Betrag der Leistung oder Spannung zu, die benötigt wird, um die Heiztemperatur auf dem festen Betrag oberhalb der Umgebungstemperatur des Luftstroms zu halten. Somit gibt es eine Beziehung zwischen der Spannung oder Leistung, die der Heizvorrichtung zugeführt wird, und der Geschwindigkeit des Luftstroms. Die Beziehung ist relativ unabhängig von der Richtung des herankommenden Luftstroms. Nachdem die Geschwindigkeit des Luftstroms unter Verwendung des Leistungs- oder Spannungssignals des Heizelements bestimmt wurde, kann sie mit der Geschwindigkeit verglichen werden, die unter Verwendung der Sensorelemente ermittelt wurde. Wenn es eine erhebliche Differenz gibt, so kann eine Fehlermarkierung gesetzt werden.
Außerdem kann die Leistung oder Spannung, die jedem Heizelement zugeführt wird, zum Detektieren einer Änderung bei der Wärmeübertragungslast der Heizelemente verwendet werden. Eine solche Änderung kann zum Beispiel durch das Vorhandensein von Regen, Graupel, Eis, Staub oder sonstigen Fremdkörpern oder -substanzen auf dem Sensor verursacht werden. Wenn sich die Wärmeübertragungslast ändert, so wird in Betracht gezogen, dass ein Durchflussratenkorrekturfaktor berechnet werden kann, um die Änderung der Wärmeübertragungslast zu kompensieren. Alternativ kann die Sensorvorrichtung deaktiviert werden, bis die Wärmeübertragungslast in einen erwarteten Bereich zurückkehrt.
Um die Robustheit herkömmlicher Mikrobrückendurchflusssensoren zu erhöhen und ihre Zerbrechlichkeit zu mindern, wird in Betracht gezogen, dass die Dicke der Brücke erhöht und/oder eine Schutzbeschichtung auf die Brücke aufgebracht werden kann. Die Dicke der Brücke eines herkömmlichen Mikrobrückendurchflusssensors liegt oft in der Größenordnung von 1 Mikrometer. Um einen solchen Sensor robuster zu machen, wird in Betracht gezogen, dass die Dicke der Brücke auf 15 Mikrometer oder mehr erhöht wird. In einer Ausführungsform wird die Dicke der "Brücke" auf etwa 10 Mikrometer erhöht. Wenn die Dicke der "Brücke" zunimmt, werden auch die Zerbrechlichkeit und die Reaktionszeit des Sensors verringert. Das Ausgangssignal wird schwächer, aber das Signal-Rausch-Verhältnis bleibt im Wesentlichen das gleiche. Somit gibt es einen Kompromiss zwischen dem Grad an Robustheit, Reaktionszeit und Empfindlichkeit des Sensors. Um massereiche Strömungsfluide zu detektieren, ohne das Sättigungssignal thermischer Anämometer zu erreichen, ist es wünschenswert, den Durchflusssensor zu "desensibilisieren" oder den Bereich der messbaren Strömungsgeschwindigkeiten oder Masseflüsse praktisch auf höhere Werte zu verschieben.
Eine andere Vorgehensweise zum Erhöhen der Robustheit sowie der Fähigkeit zum Detektieren von massereichen Strömen von herkömmlichen Mikrobrückendurchflusssensoren ist, den Hohlraum eines herkömmlichen Mikrobrücken durchflusssensors wenigstens teilweise mit einem Füllstoff zu füllen. Der Füllstoff verhindert, dass der Luftstrom um beide Seiten der Heiz- und Sensorelemente herum strömt, und vergrößert den thermischen Kontakt zwischen dem Heiz- und dem Sensorelement, was beides die Empfindlichkeit des Durchflusssensors verringert. Der Füllstoff stützt außerdem die Brücke und führt somit zu einer robusteren Struktur als bei einem herkömmlichen Mikrobrückensensor.
Der Füllstoff hat bevorzugt einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der im Wesentlichen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materials des Substrats (oft Silizium) ähnelt. Der Füllstoff ist außerdem bevorzugt ein schlechter Wärmeleiter. In einer Ausführungsform ist der Füllstoff ein UV-härtbares Epoxidharz. Es wird in Betracht gezogen, dass der Füllstoff nach Bedarf eine Waben-, eine Rippen- oder eine Prägekonfiguration annehmen kann.
Eine andere Vorgehensweise zum Erhöhen der Robustheit und Verringern der Empfindlichkeit von herkömmlichen Mikrobrückendurchflusssensoren ist, die Heiz- und Sensorelemente direkt auf einem Substrat (zum Beispiel Pyrex-Glas) auszubilden. Dadurch entfallen der Hohlraum und die Brücke eines herkömmlichen Mikrobrückensensors. Man nennt dies einen Microbrick^TM-Durchflusssensor. Weil der herankommende Luftstrom nicht um beide Seiten der Heiz- und Sensorelemente herum strömt, wird die Empfindlichkeit verringert. Und weil die Rückseiten der Heiz- und Sensorelemente durch das Substrat gestützt werden, ist der Sensor robuster als ein herkömmlicher Mikrobrückensensor.
Schließlich wird in Betracht gezogen, dass die dünnen Kontaktdrähte, mit deren Hilfe die Elemente eines herkömmlichen Mikrobrückendurchflusssensors mit chipexternen Komponenten verbunden werden, durch Wafer-Durchkontakte ersetzt werden können. Dies erhöht die Zuver lässigkeit des Sensors, weil zerbrechliche und elektrisch leitfähige Drähte oder Kontaktinseln keinen möglicherweise leitfähigen Fluiden, Verunreinigungen oder Fluidströmungsscherkräften ausgesetzt zu werden brauchen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung und viele der mit der vorliegenden Erfindung verbundenen Vorteile erschließen sich ohne weiteres, wenn sie anhand der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen besser verstanden werden. In den Figuren der Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszahlen gleiche Teile, und in diesen Zeichnungen ist Folgendes dargestellt:
1 und 2 sind verschiedene Ansichten einer zum Stand der Technik gehörenden Ausführungsform eines Mikrobrückendurchflusssensors.
3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht des Mikrobrückensensors der 1–2, wobei kein Luftstrom über den Sensor strömt.
4 zeigt eine schematische Querschnittsansicht des Mikrobrückensensors der 1–2, wobei ein positiver Luftstrom über den Sensor strömt.
5 dient nur Referenzzwecken und ist ein Schaubild einer Sensorbaugruppe, wobei der Richtungswinkel des herankommenden Luftstroms im Wesentlichen parallel zur Symmetrieachse verlauft.
6 ist ein Schaubild derselben Sensorbaugruppe von 5, wobei der Richtungswinkel des herankommenden Luftstroms von der Symmetrieachse versetzt ist.
7 ist ein Schaubild einer Sensorbaugruppe der vorliegenden Erfindung, wobei die Sensorachsen des ersten und des zweiten Sensors in einer nicht-orthogonalen Konfiguration angeordnet sind.
8 ist ein Blockschaubild der ersten Sensorbaugruppe und der zweiten Sensorbaugruppe von 5.
9 ist ein Blockschaubild eines Datenverarbeitungsblocks zur Verarbeitung der Signale, die von der ersten Sensorbaugruppe und der zweiten Sensorbaugruppe von 8 ausgegeben werden.
10 ist ein Diagramm, das die gemessene Geschwindigkeitskomponente des herankommenden Luftstroms, ΔG_A, im Verhältnis zu dem nicht-normalen Richtungswinkel φ des Luftstroms zeigt.
11 ist eine schematische seitliche Querschnittsansicht eines Mikrobrückensensors der vorliegenden Erfindung, wobei der Hohlraum unter der Brücke mit einem Füllstoff gefüllt ist.
12 zeigt ein Diagramm, das Mikrobrückensensorausgangssignale im Verhältnis zur Durchflussrate für zwei Mikrobrückendurchflusssensoren mit und ohne Epoxidharzunterfüllung zeigt.
13 ist eine schematische seitliche Querschnittsansicht eines Microbrick^TM-Sensors der vorliegenden Erfindung, wobei die Heiz- und Sensorelemente direkt auf einem Substrat angeordnet sind.
14 ist ein Diagramm, das experimentell ermittelte Reaktionszeiten für eine Mikrobrücken- und Microbrick^TM-Sensorbaugruppe zeigt.
15A ist eine schematische seitliche Querschnittsansicht einer Sensorbaugruppe, bei der der Sensorchip mittels Goldbonddrähten mit einem Sockel verbunden ist.
15B ist eine schematische seitliche Querschnitts ansicht einer Sensorbaugruppe, bei der der Sensorchip mittels Wafer-Durchkontakten mit dem Sockel verbunden ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mikrosensorsystem, das die Geschwindigkeit und/oder den Richtungswinkel eines herankommenden Luftstroms messen kann. Das Mikrosensorsystem ermöglicht eine schnelle Reaktionszeit und einen relativ kleinen Radarquerschnitt. Es wird in Betracht gezogen, dass das Mikrosensorsystem der vorliegenden Erfindung für eine breite Vielzahl verschiedener Anwendungszwecke verwendet werden kann, darunter beispielsweise für die Flugsteuerung, für industrielle Anwendungszwecke, zur Wetterbeobachtung usw. Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ziehen in Betracht, wenigstens zwei Sensoren in dem herankommenden Luftstrom anzuordnen. Der erste Sensor misst die Geschwindigkeitskomponente des herankommenden Luftstroms entlang einer ersten Sensorachse, und der zweite Sensor misst die Geschwindigkeitskomponente des herankommenden Luftstroms entlang einer zweiten Sensorachse. Anhand der Ausgangssignale des ersten und des zweiten Sensors können der Richtungswinkel und die Geschwindigkeit des herankommenden Luftstroms ermittelt werden.
Der erste und der zweite Sensor sind bevorzugt Mikrosensoren, die mikroskopisch kleine schlangenförmige Heiz- und Sensorstreifen aufweisen. Solche Mikrosensoren oder "Mikrobrücken", wie sie im vorliegenden Text genannt werden, sind – ohne darauf beschränkt zu sein – derzeit bevorzugt, weil sie schnell reagieren, genau und klein sind und sich an eine Vielzahl verschiedener Konfigurationen anpassen lassen.
MIKROBRÜCKENSENSOREN
Der Mikrobrückenhalbleiterchipsensor, wie er zum Beispiel für bestimmte Ausführungsformen in Betracht gezogen wird, die für die Erfindung bevorzugt sind, kann der Form von einem oder mehreren der Mikrobrückensysteme ähneln, die im US-Patent Nr. 4,478,076 , US-Patent Nr. 4,478,077 , US-Patent Nr. 4,501,144 , US-Patent Nr. 4,651,564 , US-Patent Nr. 4,683,159 , US-Patent Nr. 4,994,035 und US-Patent Nr. 5,050,429 veranschaulicht sind und die alle an denselben Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung abgetreten wurden.
Ein solches System ist beispielhaft durch die 1–2 veranschaulicht, die dem US-Patent Nr. 4,994,035 an Aagard und Mitarbeiter entnommen sind. Dieses Beispiel wird nun im Folgenden besprochen, weil es beim Verstehen der vorliegenden Erfindung hilft.
Das zum Stand der Technik gehörende System der 1–2 erwägt die Verwendung eines Paares Dünnfilm-Temperatursensoren 22 und 24, einer Dünnfilm-Heizvorrichtung 26 und eines Stützelements 20, das die Sensoren und die Heizvorrichtung außerhalb des Kontakts mit dem Basissubstrat stützt. Die Sensoren 22 und 24 sind auf gegenüberliegenden Seiten der Heizvorrichtung 26 angeordnet. Das Stützelement 20 ist ein Halbleiter, bevorzugt Silizium, der aufgrund seiner Eignung für Präzisionsätztechniken und der Einfachheit der Herstellbarkeit elektronischer Chips gewählt wird. Die Ausführungsform enthält zwei identische Dünnfilm-Temperaturerfassungs-Widerstandsschlangen 22 und 24, die als Temperatursensoren fungieren, und eine mittig angeordnete Dünnfilm-Heizwiderstandsschlange 26, die als eine Heizvorrichtung fungiert.
Die Sensoren 22 und 24 und die Heizvorrichtung 26 können aus jedem geeigneten stabilen Metall- oder Legierungsfilm hergestellt werden. Das verwendete Metall kann Platin oder eine Nickel-Eisen-Legierung sein, mitunter auch als "Permalloy" bezeichnet, mit einer Zusammensetzung von 80 Prozent Nickel und 20 Prozent Eisen. Die Sensor- und Heizvorrichtungsschlangen sind in einem Dünnfilm aus einem Dielektrikum verkapselt, das in der Regel Schichten 28 und 29 und bevorzugt Siliziumnitrid, Si₃N₄, aufweist, um die Filmelemente zu bilden.
In den 1 und 2 weist der Sensor zwei Dünnfilmelemente 32 und 34 auf, wobei das Element 32 den Sensor 22 aufweist und das Element 34 den Sensor 24 aufweist, wobei jedes Element eine Hälfte der Heizvorrichtung 26 aufweist und eine bevorzugte Abmessung von 150 Mikrometern Breite und 400 Mikrometern Länge aufweist.
Das System beschreibt des Weiteren einen genau definierten Fluidraum oder Hohlraum 30, der die Elemente 22, 24 und 26 effektiv umgibt und der durch Herstellen der Struktur auf der Siliziumfläche 36 erreicht wird. bei den gezeigten Strukturen des Standes der Technik haben die Dünnfilmelemente 22, 24 und 26 Dicken von ungefähr 0,05 bis 0,12 Mikrometern mit Zeilenbreiten in der Größenordnung bis 5 Mikrometer und Räumen zwischen den Zeilen in der Größenordnung von 5 Mikrometern. Die Elemente mit der Siliziumnitridfilmverkapselung haben eine Gesamtdicke von ungefähr 0,8 Mikrometern oder weniger. Der Fluidraum 30 kann hergestellt werden, indem man anschließend einen genau definierten Fluidraum von etwa 100 Mikrometern Tiefe in den Siliziumkörper oder in das Substrat 20 unter den Elementen 32 und 34 ätzt.
Die Elemente 32 und 34 sind mit der Oberseite 36 des Halbleiterkörpers 20 an einem oder mehreren Rändern des Hohlraums oder Fluidraums 30 verbunden. Die Elemente 32 und 34 können den Hohlraum 30 überbrücken. Alternativ könnten die Elemente 32 und 34 zum Beispiel freitragend über dem Hohlraum 30 angeordnet sein.
Bei dem in den 1–2 gezeigten System strömt Wärme von der Heizvorrichtung zu dem Sensor mittels sowohl einer massiven als auch einer fluiden Kopplung zwischen beiden. Es ist die Tatsache hervorzuheben, dass Siliziumnitride (Si₃N₄) nicht nur ein guter elektrischer Isolator ist, sondern auch ein wirksamer massiver thermischer Isolator. Weil der verbindende Siliziumnitridfilm innerhalb der Elemente 32 und 34 ein guter Isolator ist, dominiert die Wärmeübertragung durch den Festkörper hindurch nicht die Ausbreitung von Wärme von der Heizvorrichtung 26. Dies vergrößert weiter die relative Wärmemenge, die vom Heizwiderstand 26 zu den Sensorwiderständen 22 und 24 geleitet wird, durch Strömung durch das umgebende Fluid anstatt durch den stützenden Nitridfilm. Des Weiteren hat der stützende Siliziumnitridfilm eine Wärmeleitfähigkeit, die gering genug ist, damit die Sensorwiderstandsschlangen 22 und 24 unmittelbar neben oder gegenüber der Heizwiderstandsschlange 26 angeordnet werden kann. Somit sind die Sensorwiderstandsschlangen 22 und 24 praktisch starr in dem Fluidraum nahe dem Heizwiderstand 26 aufgehängt und dienen als Wärmesonden zum Messen der Temperatur der Luft nahe und in der Ebene der Heizwiderstandsschlange 26.
3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht des Mikrobrückensensors der 1–2, wobei kein Luftstrom über den Sensor strömt. Wie oben, sind eine Heizschlange 154, eine erste Sensorschlange 150 und eine zweite Sensorschlange 152 oberhalb des Substrats 158 über einer Brücke aufgehängt. Der Einfachheit halber sind die Heizschlange 154, die erste Sensorschlange 150 und die zweite Sensorschlange 152 alle als einzelne längliche Streifen gezeigt. Es wird jedoch in Betracht gezogen, dass jedes dieser Elemente als ein Gitter oder als Schlange konfiguriert sein kann.
Wie zu sehen ist, gibt es keinen Luftstrom in 3. Wenn also das Heizelement 154 auf eine Temperatur oberhalb der Umgebungstemperatur erwärmt wird, so wird die Temperaturverteilung nahe dem Dünnfilmbrückenabschnitt symmetrisch um das Heizelement 154 herum übertragen. Wie in 4 gezeigt, wird jedoch, wenn ein Luftstrom 160 anliegt, die symmetrische Verteilung gestört, wie durch die gezeigten Pfeile veranschaulicht. Der Betrag der Störung steht in Beziehung zur Geschwindigkeit des Luftstroms 160.
In einer veranschaulichenden Ausführungsform wird die Geschwindigkeit des Luftstroms 160 ermittelt, indem man das Heizelement 154 einen vorgegebenen Betrag über die Umgebungstemperatur des Luftstroms 160 hinaus erwärmt. Wenn ein Luftstrom 160 anliegt, so wird das stromaufwärtige Sensorelement 150 gekühlt, und die Wärmeleitung von dem Heizelement 154 zu dem stromabwärtigen Sensorelement 152 wird unterstützt. Infolge dessen kommt es zu einem Temperaturunterschied zwischen dem stromaufwärtigen und dem stromabwärtigen Sensorelement 150 und 152. Dieser Temperaturunterschied kann zur Geschwindigkeitskomponente des Luftstroms 160 entlang der Sensorsachse in Beziehung gesetzt werden. Eine weitere Besprechung eines solchen Verfahrens kann im US-Patent Nr. 4,478,077 an Bohrer und Mitarbeiter nachgelesen werden, das hiermit durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen wird.
In einer anderen veranschaulichenden Ausführungsform wird die Geschwindigkeit des Luftstroms 160 entlang der Sensorsachse ermittelt, indem man einen Temperaturerhöhungsübergangszustand in dem Heizelement 154 hervorruft, was wiederum einen Temperaturerhöhungsübergangszustand in dem Luftstrom 160 zur Folge hat. Wenn ein Luftstrom 160 von ungleich null anliegt, so empfängt das stromaufwärtige Sensorelement 150 eine Übergangsreaktion später als der stromabwärtige Sensor 152. Die Geschwindigkeit des Luftstroms 160 entlang der Sensorsachse kann dann unter Verwendung der jeweiligen Zeitverzögerungswerte errechnet werden.
Weitere veranschaulichende Verfahren und Sensorkonfigurationen zum Bestimmen der Geschwindigkeitskomponente des herankommenden Luftstroms entlang einer primären Sensorachse sind zum Beispiel offenbart in: US-Patent Nr. 4,478,076 , US-Patent Nr. 4,478,077 , US-Patent Nr. 4,501,144 , US-Patent Nr. 4,651,564 , US-Patent Nr. 4,683,159 , US-Patent Nr. 5,050,429 , der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/002,157 , eingereicht am 31. Dezember 1997, mit dem Titel "Time Lag Approach For Measuring Fluid Velocity", der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/001,735 , eingereicht am 31. Dezember 1997, mit dem Titel "Seif-Oscillating Fluid Sensor", und der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/001,453 , eingereicht am 31. Dezember 1997, mit dem Titel "Fluid Property and Flow Sensing Via a Common Frequency Generator and FFT", die alle an den Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung abgetreten wurden.
ERMITTELN VON RICHTUNGSWINKEL UND GESCHWINDIGKEIT
Die vorliegende Erfindung stellt eine robuste Mikrosensorbaugruppe bereit, die sowohl den Richtungswinkel als auch die Geschwindigkeit eines herankommenden Luftstroms messen kann. Der Mikrosensor ist in der Lage, schnell zu reagieren, und besitzt einen relativ kleinen Radarquerschnitt. In einer veranschaulichenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält die Sensorbaugruppe einen ersten Sensor und einen zweiten Sensor. Der erste Sensor misst die Geschwindigkeitskomponente des herankommenden Luftstroms, die entlang einer ersten Sensorachse verläuft. Der zweite Sensor misst die Geschwindigkeitskomponente des herankommenden Luftstroms, die entlang einer zweiten Sensorachse verläuft, wobei die erste Sensorachse die zweite Sensorachse an einem Punkt schneidet. Die Geschwindigkeitskomponenten stehen durch die Geometrie zwischen den Sensoren zueinander in Beziehung. Somit kann durch Untersuchen der gemessenen Geschwindigkeitskomponenten der Richtungswinkel des Luftstroms ermittelt werden.
Die 5–6 zeigen ein Schaubild einer Referenz-Sensorbaugruppe 210 zum Messen des Richtungswinkels φ und der Geschwindigkeit eines herankommenden Luftstroms. 5 zeigt die Sensorbaugruppe 210 mit dem Richtungswinkel φ des herankommenden Luftstroms 212 im Wesentlichen parallel zur Symmetrieachse 214 der Sensorbaugruppe 210, und 6 zeigt die gleiche Sensorbaugruppe 210 mit dem Richtungswinkel φ 252 des herankommenden Luftstroms 212 relativ zur Symmetrieachse 214 versetzt.
Die veranschaulichende Sensorbaugruppe 210 enthält einen ersten Sensor 216 und einen zweiten Sensor 220. Der erste Sensor 216 und der zweite Sensor 220 sind Mikrobrückendurchflusssensoren, die jeweils wenigstens eine längliche Heizschlange und wenigstens eine längliche Sensorschlange in thermischer Verbindung mit dem herankommenden Luftstrom 212 aufweisen. Die länglichen Heiz- und länglichen Sensorschlangen 215 des ersten Sensors 216 erstrecken sich senkrecht zur ersten Sensorachse 218, und die länglichen Heiz- und länglichen Sensorschlangen 217 des zweiten Sensors 220 erstrecken sich senkrecht zur zweiten Sensorachse 222, wie gezeigt.
Der erste Sensor 216 und der zweite Sensor 220 sind so angeordnet, dass die erste Sensorachse 218 die zweite Sensorachse 222 an einem Punkt 224 schneidet. Der erste Sensor 216 und der zweite Sensor 220 sind so angeordnet, dass die erste Sensorachse 218 und die zweite Sensorachse 222 sich in einem Winkel von etwa 90 Grad schneiden. Der erste Sensor 216 und der zweite Sensor 220 sind auch symmetrisch um die Symmetrieachse 214 der Sensorbaugruppe 210 angeordnet.
In 5 ist der herankommende Luftstrom 212 so gezeigt, dass er im Wesentlichen parallel zur Symmet rieachse 214 der Sensorbaugruppe 210 strömt. Dies entspricht einem Luftstrom 212, der einen Richtungswinkel φ 252 von null Grad hat (zumindest in dem gezeigten Beispiel). Ein Geschwindigkeitsvektor, der die Geschwindigkeit des herankommenden Luftstroms 212 darstellt, ist bei 226 gezeigt und erstreckt sich in 5 im Wesentlichen parallel zur Symmetrieachse 214.
Der erste Sensor 216 ist so angeordnet, dass die erste Sensorachse 218 um 45 Grad von der Symmetrieachse 214 versetzt ist. Somit beträgt der Winkel "A" 230 zwischen dem Geschwindigkeitsvektor 226 des Luftstroms 212 und der ersten Sensorachse 218 45 Grad. Gleichermaßen ist der zweite Sensor 220 so angeordnet, dass die zweite Sensorachse 222 um 45 Grad von der Symmetrieachse 214 versetzt ist und die erste Sensorachse 218 am Punkt 224 schneidet. Somit beträgt der Winkel "B" 236 zwischen dem Geschwindigkeitsvektor 226 des Luftstroms 212 und der zweiten Sensorachse 222 ebenfalls 45 Grad.
In 6 ist der herankommende Luftstrom 212 so dargestellt, dass er in einem Richtungswinkel φ 252 relativ zur Symmetrieachse 214 der Sensorbaugruppe 210 strömt. Der Geschwindigkeitsvektor, der die Geschwindigkeit des herankommenden Luftstroms 212 darstellt, ist nun bei 262 gezeigt. Wie in 5 ist der erste Sensor 216 so angeordnet, dass die erste Sensorachse 618 um 45 Grad von der Symmetrieachse 214 versetzt ist. Somit ist der Winkel "A" 254 zwischen dem Geschwindigkeitsvektor 262 des Luftstroms 212 und der ersten Sensorachse 218 kleiner als der Winkel "A" 230 von 5. Gleichermaßen ist der zweite Sensor 220 so angeordnet, dass die zweite Sensorachse 222 um 45 Grad von der Symmetrieachse 214 versetzt ist und die erste Sensorachse 218 am Punkt 224 schneidet. Somit ist der Winkel "B" 258 zwischen dem Geschwindigkeitsvektor 262 des Luftstroms 212 und der zweiten Sensorachse 222 größer als der Winkel "B" 236 von 5. In beiden Fällen bleibt jedoch Winkel "A" plus Winkel "B" gleich 90 Grad.
In dieser Konfiguration misst der erste Sensor 216 die Geschwindigkeitskomponente des herankommenden Luftstroms 212, die sich entlang der ersten Sensorachse 218 erstreckt. Der zweite Sensor 220 misst die Geschwindigkeitskomponente des herankommenden Luftstroms 212, die sich entlang der zweiten Sensorachse 222 erstreckt. Das erste Sensorausgangssignal, ΔG_A, des ersten Mikrobrückensensors 216 kann folgendermaßen ausgedrückt werden: ΔGA = v cosn(A) (1)wobei ΔG_A die Änderung des Sensorausgangssignals relativ zu dem Sensorausgangssignal darstellt, die vorliegt, wenn der Luftstrom 212 einen Richtungswinkel φ 252 von null Grad hat (d. h. er ist parallel zur Symmetrieachse 214), "v" der Geschwindigkeitsvektor des herankommenden Luftstroms 212 ist, "A" der Winkel zwischen dem Geschwindigkeitsvektor des Luftstroms 212 und der ersten Sensorachse 218 ist und "n" ein Kurveneinpassungsfaktor ist. Die Gleichung (1) kann anhand der relativen Geometrie der in den 5–6 gezeigten Sensoren abgeleitet werden. Zur besseren Übersichtlichkeit wurde ein Kalibrierungsfaktor "a" in ΔG_A = a ΔG'_A weggelassen, wobei ΔG'_A das unverarbeitete Sensorausgangssignal darstellt. Wie zu sehen ist, steht das erste Sensorausgangssignal, ΔG_A, zu der Geschwindigkeitskomponente des Geschwindigkeitsvektors des herankommenden Luftstroms 212, die sich entlang der ersten Sensorachse 618 erstreckt, durch eine Kosinusfunktion in Beziehung.
Das zweite Sensorausgangssignal, ΔG_B, des zweiten Sensors 220 kann gleichermaßen wie folgt ausgedrückt werden: ΔGB = v cosn(B) (2)
Wie oben angesprochen, ist Winkel "A" plus Winkel "B" gleich 90 Grad, und zwar ungeachtet des Richtungswinkels φ 252 des herankommenden Luftstroms 212 (zumindest für –45 ≤ φ ≤ 45). Wenn A + B = 90, so wissen wir, dass: cos2(A) + cos2(B) = 1 (3)
Durch Kombinieren der Gleichungen (1)–(3) und Lösen für den Geschwindigkeitsvektor und die Winkel "A" und "B" erhalten wir:
B = 90 – A (6)
Daraus kann der Richtungswinkel φ 252 des herankommenden Luftstroms 212 unter Verwendung folgender Beziehung errechnet werden:
Die obigen Gleichungen sind gültig, wenn die erste Sensorachse 218 des ersten Sensors 216 und die zweite Sensorachse 222 des zweiten Sensors orthogonal zueinander stehen (d. h. sich mit 90 Grad schneiden). Um jedoch das Signal-Rausch-Verhältnis für einen bestimmten Bereich des Richtungswinkels φ zu maximieren, ist es wünschenswert, dass der Winkel zwischen der ersten Sensorachse 218 und der zweiten Sensorachse 222 kleiner als 90 Grad ist.
7 ist ein Schaubild einer Sensorbaugruppe der vorliegenden Erfindung, wobei der erste Sensor 318 relativ zur Symmetrieachse 314 um +R Grad gedreht ist und der zweite Sensor 320 relativ zur Symmetrieachse 314 um –R Grad gedreht ist. Dementsprechend ist der erste Sensor 318 von dem zweiter Sensor 320 um "X" Grad versetzt, wobei X = 2R. In dieser Konfiguration ist der erste Sensor 318 so angeordnet, dass die erste Sensorachse 322 um 45 – R Grad von der Symmetrieachse 314 versetzt ist und der Winkel "A" 330 zwischen dem Geschwindigkeitsvektor 326 des Luftstroms 312 und der ersten Sensorachse 318 45 + R Grad beträgt. Gleichermaßen ist der zweite Sensor 320 so angeordnet, dass die zweite Sensorachse 322 um 45 – R Grad von der Symmetrieachse 314 versetzt ist und der Winkel "B" 336 zwischen dem Geschwindigkeitsvektor 326 des Luftstroms 312 und der zweiten Sensorachse 322 45 + R Grad beträgt.
Um den Richtungswinkel φ 352 des Luftstroms 312 zu identifizieren, kann der Satz Gleichungen (1)–(7) mit A + B + X = 90 gelöst werden. Das erbringt eine allgemeinere Lösung zum Bestimmen der Geschwindigkeit und des Richtungswinkels φ 352 des herankommenden Luftstroms 312. Eine genäherte Lösung ohne Iterationen erhält man durch: v = {ΔGA 2 + ΔGB 2 – 1,5ΔGAΔGB cos(90 + X)}n/2 (8)
Zum Erhöhen der Werte von X werden die Werte für ΔG_A und ΔG_B größer, zumindest wenn der Luftstrom 312 einen Richtungswinkel φ 352 von ±20 Grad hat. Dies kann zu höheren Signal-Rausch-Verhältnissen führen und kann den Einfluss eines Sensorversatzes verringern. Es kann auch die Richtungsempfindlichkeit verringern, insbesondere für Werte von X größer als etwa 25 Grad. Die relative Orientierung der Sensoren und damit der Wert von X wird bevorzugt für den gewünschten Anwendungszweck optimiert. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Sensoren so ausgerichtet, dass X etwa 20 Grad ist.
8 ist ein Blockschaubild der ersten Sensorbaugruppe 216 und der zweiten Sensorbaugruppe 220 von 5. Die erste Sensorbaugruppe 216 enthält ein oder mehrere Heiz- und Sensorelemente, wie allgemein bei 215 bezeigt. In der veranschaulichenden Ausführungsform enthält die erste Sensorbaugruppe 216 ein mittig angeordnetes Heizelement 360, das von einem stromaufwärtigen Sensor 362 und einem stromabwärtigen Sensor 364 umgeben ist.
Die Geschwindigkeit des Luftstroms wird ermittelt, indem man das Heizelement 360 mit dem Heizerreger 366 um einen vorgegebenen Betrag oberhalb der Umgebungstemperatur des Luftstroms erwärmt. In der veranschaulichenden Ausführungsform enthält der Heizerreger 366 eine Rückkopplungsschleife 368 zum Überwachen des Widerstands und somit der Temperatur des Heizelements 368. Wenn ein Luftstrom anliegt, so wird das stromaufwärtige Sensorelement 362 gekühlt, und das stromabwärtige Sensorelement 364 wird erwärmt. Infolge dessen kommt es zu einem Temperaturunterschied zwischen dem stromaufwärtigen und dem stromabwärtigen Sensorelement 362 und 364. Ein elektronischer Schaltkreis 370 bestimmt den Widerstand und somit die Temperatur sowohl des stromaufwärtigen als auch des stromabwärtigen Sensorelements 362 und 364 und gibt die Differenz als ein Ausgangssignal 372 aus. Die zweite Sensorbaugruppe 220 arbeitet in einer ähnlichen Weise und erzeugt ein Differenzsignal 374.
9 ist ein Blockschaubild eines Datenverarbeitungsblocks zum Verarbeiten der Differenzsignale 372 und 374, die durch die erste Sensorbaugruppe 216 und die zweite Sensorbaugruppe 220 von 8 erzeugt werden. Der Datenverarbeitungsblock 380 empfängt die Differenzsignale 372 und 374 und errechnet sowohl die Geschwindigkeit 382 als auch den Richtungswinkel 384 des herankommenden Luftstroms, bevorzugt je nach Erfordernis unter Verwendung der Gleichungen (4)–(8).
Kehren wir zu 8 zurück. Die Heizerreger der ersten und der zweiten Sensorbaugruppe 216 und 220 sind bevorzugt aktive Schaltkreise mit Rückkopplung und versorgen die Heizelemente mit der erforderlichen Leistung (oder Spannung), um eine Heiztemperatur aufrecht zu erhalten, die einen festen Betrag oberhalb der Umgebungstemperatur des herankommenden Luftstroms liegt. Das hat eine Reihe von Vorteilen; zum Beispiel hilft es, ein adäquates Signal-Rausch-Verhältnis für jeden der Sensoren aufrecht zu erhalten.
Um die Zuverlässigkeit und Genauigkeit des Sensors zu erhöhen, kann die Leistung (oder Spannung), die den Heizelementen zugeführt wird, überwacht werden. In der gezeigten Ausführungsform erzeugt der Heizerreger 366 der ersten Sensorbaugruppe 216 ein Leistungssignal 390, das die Leistung anzeigt, die momentan benötigt wird, um die Temperatur des Heizelements 360 auf dem gewünschten Heiztemperaturpegel zu halten. Die zweite Sensorbaugruppe 220 kann gleichermaßen ein Leistungssignal 392 erzeugen.
In 9 kann der Datenverarbeitungsblock die Leistungssignale 390 und 392 empfangen und ein redundantes Signal für die Luftstromgeschwindigkeit errechnen. Wenn die Geschwindigkeit des Luftstroms zunimmt, nimmt auch der Betrag der Leistung oder Spannung zu, die benötigt wird, um den gewünschten Heiztemperaturpegel aufrecht zu erhalten. Es gibt somit eine Beziehung zwischen der Leistung (oder Spannung), die den Heizelementen zugeführt wird, und der Geschwindigkeit des Luftstroms. Die Beziehung ist relativ unabhängig von der Richtung des herankommenden Luftstroms. Es wird in Betracht gezogen, dass die Geschwindigkeit des Luftstroms unter Verwendung der Leistungs- (oder Spannungs-)Signale 390 und/oder 392 ermittelt werden kann und mit der Geschwindigkeit verglichen werden kann, die unter Verwendung der Differenzsignale 372 und 274 von den Sensor elementen ermittelt wurde. Wenn es eine erhebliche Differenz gibt, so kann eine Fehlermarkierung 400 gesetzt werden.
Außerdem können die Leistungs- (oder Spannungs-)Signale 390 und/oder 392 zum Detektieren einer Änderung der Wärmeübertragungslast der Heizelemente 360 verwendet werden. Eine solche Änderung kann zum Beispiel durch das Vorhandensein von Regen, Graupel, Eis, Staub oder sonstigen Fremdkörpern oder -substanzen auf dem Sensor verursacht werden. Wenn sich die Wärmeübertragungslast ändert, so wird in Betracht gezogen, dass ein Durchflussratenkorrekturfaktor berechnet werden kann, um die Änderung der Wärmeübertragungslast zu kompensieren. Alternativ kann die Sensorvorrichtung deaktiviert werden, bis die Wärmeübertragungslast in einen erwarteten Bereich zurückkehrt.
Alternativ kann der Heizerreger 366 von 8 einen Temperaturerhöhungsübergangszustand in dem Heizelement 360 erzeugen, was wiederum einen Temperaturerhöhungsübergangszustand in dem Luftstrom hervorruft. Jedes Sensorelement 362 und 364 kann dafür verwendet werden zu detektieren, wann der Temperaturerhöhungsübergangszustand in dem Luftstrom an dem entsprechenden Sensorelement ankommt. Die Zeitverzögerung zwischen dem Temperaturerhöhungsübergangszustand in dem Heizelement und dem resultierenden Temperaturerhöhungsübergangszustand in den Sensorelementen kann zu der Geschwindigkeitskomponente des Luftstroms entlang der entsprechenden Sensorachse in Beziehung gesetzt werden.
In dieser Ausführungsform kann jeder Mikrobrückendurchflusssensor eine entsprechende Zeitverzögerungssteuerung 370 zum Bestimmen der Zeitverzögerungswerte aufweisen. Ein Zeitverzögerungswert kann der Zeitverzögerung zwischen dem Temperaturerhöhungsübergangszustand in dem Heizelement 360 und dem resultierenden Temperaturerhöhungsübergangszustand in dem stromaufwärtigen Sensorelement 362 entsprechen. Ein anderer Zeitverzögerungswert kann der Zeitverzögerung zwischen dem Temperaturerhöhungsübergangszustand in dem Heizelement 360 und dem resultierenden Temperaturerhöhungsübergangszustand in dem stromabwärtigen Sensorelement 364 entsprechen.
Die Geschwindigkeitskomponente des herankommenden Luftstroms, die entlang der ersten Sensorachse verläuft, kann unter Verwendung der zwei Zeitverzögerungswerte des ersten Mikrobrückendurchflusssensors ermittelt werden. Gleichermaßen kann dann die Geschwindigkeitskomponente des herankommenden Luftstroms, die entlang der zweiten Sensorachse verlauft, unter Verwendung der zwei Zeitverzögerungswerte des zweiten Mikrobrückendurchflusssensors ermittelt werden. Weitere veranschaulichende Verfahren und Sensorkonfigurationen zum Bestimmen der Geschwindigkeitskomponente des herankommenden Luftstroms entlang der entsprechenden Sensorachse sind offenbart in: US-Patent Nr. 4,478,076 , US-Patent Nr. 4,478,077 , US-Patent Nr. 4,501,144 , US-Patent Nr. 4,651,564 , US-Patent Nr. 4,683,159 , US-Patent Nr. 5,050,429 , der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/002,157 , eingereicht am 31. Dezember 1997, mit dem Titel "Time Lag Approach For Measuring Fluid Velocity", der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/001,735 , eingereicht am 31. Dezember 1997, mit dem Titel "Self-Oscillating Fluid Sensor", und der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/001,453 , eingereicht am 31. Dezember 1997, mit dem Titel "Fluid Property and Flow Sensing Via a Common Frequency Generator and FFT", die alle an den Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung abgetreten wurden.
Ungeachtet des Verfahrens, das zum Bestimmen der Geschwindigkeitskomponenten entlang der Sensorachsen verwendet wird, wird in Betracht gezogen, dass die Sensoren periodisch ausgenullt werden können, um Drift und Versatz in der unterstützenden Elektronik zu ver ringern. Dies kann zum Beispiel bewerkstelligt werden, indem man periodisch die Sensorausgangssignale aufzeichnet, wenn null Heizeingangsleistung anliegt. Diese Sensorausgangssignale können dafür verwendet werden, einen neuen "Null"-Punkt für die Sensoren festzulegen.
10 ist ein Diagramm, das die gemessene Geschwindigkeitskomponente des herankommenden Luftstroms, ΔG_A, im Verhältnis zu dem nicht-normalen Richtungswinkel φ 252 des Luftstroms zeigt. Wie zu sehen ist, steht die gemessene Geschwindigkeitskomponente des herankommenden Luftstroms, ΔG_A, zu dem nicht-normalen Richtungswinkel φ 252 des Luftstroms durch eine Kosinusfunktion in Beziehung, wie in den Gleichungen (1) und (2) oben ausgedrückt.
Herkömmliche Mikrobrückendurchflusssensoren haben ein Substrat und eine Brücke, wobei sich die Brücke über einen Hohlraum erstreckt, der in dem Substrat ausgebildet ist. Die Brücke trägt in der Regel die Heiz- und Sensorelemente, wie oben beschrieben. Die Empfindlichkeit herkömmlicher Mikrobrückendurchflusssensoren nimmt in der Regel Strömungen im Bereich von 0,01 bis 30 m/s (0,02 bis 60 Knoten) auf. Für einige Anwendungszwecke jedoch, wie zum Beispiel bei der Flugsteuerung, muss die Empfindlichkeit der Mikrobrückendurchflusssensoren Strömungen im Bereich von bis zu 600 m/s (1200 Knoten) aufnehmen. Dementsprechend muss für einige Anwendungszwecke die Empfindlichkeit des Mikrobrückendurchflusssensors verringert werden, oder seine obere Strömungsgrenze muss erweitert werden, mitunter um das 120-fache oder mehr. Außerdem sind viele herkömmliche Mikrobrückendurchflusssensoren nicht robust genug, um rauen Umgebungsbedingungen standzuhalten. Zum Beispiel muss der Mikrobrückendurchflusssensor in vielen Flugsteuerungsumgebungen oft Bedingungen trotzen, zu denen heftige Winde, Hagel, Regel usw. gehören.
Eine Möglichkeit zum Verbessern der Robustheit und zum Verringern der Empfindlichkeit herkömmlicher Mikrobrückendurchflusssensoren besteht darin, die Dicke "d" 162 (siehe 3) der Brücke zu erhöhen. Bei herkömmlichen Mikrobrückendurchflusssensoren liegt die Dicke 162 der Brücke in der Größenordnung von 1 Mikrometer. Um einen solchen Sensor robuster zu machen, wird in Betracht gezogen, dass die Dicke "d" 162 der Brücke auf 15 Mikrometer oder mehr erhöht werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Dicke "d" 162 der Brücke auf etwa 10 Mikrometer erhöht werden.
Wenn die Dicke "d" 162 der Brücke erhöht wird, so nimmt die Empfindlichkeit des Sensors ab, die Robustheit nimmt zu, und die Reaktionszeit nimmt ab. Wie oben angesprochen, sollte in vielen Anwendungen, wie zum Beispiel bei der Flugsteuerung, die Reaktionszeit des Sensors relativ niedrig bleiben, wie zum Beispiel weniger als 10 Millisekunden. Somit ist klar, dass dieser Wärmesensor auf einzigartige Weise geeignet ist, sowohl die gewünschte Robustheit als auch die gewünschte Reaktionsgeschwindigkeit für solche Anwendungszwecke bereitzustellen.
Eine andere Vorgehensweise zum Erhöhen der Robustheit und zum Verringern der Empfindlichkeit eines Brückensensors besteht drin, den Hohlraum 750 eines herkömmlichen Mikrobrückendurchflusssensors 752 wenigstens teilweise mit einem Füllstoff 754 zu füllen. Eine solche Ausführungsform ist in 11 gezeigt. Der Füllstoff 754 hat bevorzugt einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der im Wesentlichen dem des Substratmaterials (zum Beispiel Silizium) ähnelt, und hat einen niedrigen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten. In einer Ausführungsform ist der Füllstoff ein UV-härtbares Epoxidharz. Es wird in Betracht gezogen, dass der Füllstoff nach Bedarf eine Waben-, eine Rippen- oder eine Prägekonfiguration annehmen kann.
Wenn ein Füllstoff 754 in den Hohlraum eingebracht wird, so nimmt die Empfindlichkeit des Sensors ab, die Robustheit nimmt zu, und die Reaktionszeit nimmt zu. Für viele Anwendungszwecke sollte die Reaktionszeit relativ niedrig bleiben, wie zum Beispiel weniger als 20 Millisekunden. Somit wird ein Kompromiss zwischen dem Grad der Empfindlichkeit und Robustheit des Sensors im Verhältnis zur gewünschten Reaktionszeit gefunden.
12 zeigt ein Diagramm, das Mikrobrückensensorausgangssignale im Verhältnis zur Durchflussrate für zwei Mikrobrückendurchflusssensoren mit einer und ohne eine Epoxidharzunterfüllung zeigt. Eine erste Kurve wurde unter Verwendung eines standardmäßigen Mikrobrückendurchflusssensors erhalten. Eine zweite Kurve wurde unter Verwendung eines Mikrobrückendurchflusssensors mit einer Epoxidharzunterfüllung erhalten. In beiden Fällen wurde der Heiztemperaturanstieg auf etwa 30°C eingestellt. Das Diagramm zeigt, das die Epoxidharzunterfüllung die Signalausgabe um etwa einen Faktor 4 schwächt, wodurch die Ausgangskurve in Richtung höherer Strömungen verschoben wird. Das verringert im Allgemeinen auch die Gesamtrauschpegel um mehr als das 4-fache. In dem gezeigten Beispiel wird das Signal-Rausch-Verhältnis um etwa 20 % für vergleichbare Strömungen verbessert.
13 zeigt noch eine andere Vorgehensweise zum Verbessern der Robustheit und zum Verringern der Empfindlichkeit einer Sensorbaugruppe. Bei dieser Vorgehensweise werden die Heizvorrichtung 710 und die Sensorelemente 712 und 714 direkt auf einem Substrat 716 wie zum Beispiel Silizium, Pyrex-Glas, Keramik oder einem sonstigen geeigneten Substrat ausgebildet. Diese Konfiguration wird im vorliegenden Text als ein Microbrick^TM-Durchflusssensor bezeichnet. Der Microbrick^TM-Durchflusssensor macht den Hohlraum und die Brücke eines herkömmlichen Mikrobrückensensors überflüssig. Weil der Luftstrom nicht um beide Seiten der Heiz- und Sensorelemente herum strömt, wird die Empfindlichkeit verringert. Weil die Rückseiten der Heizvorrichtung 710 wie auch der Sensorelemente 712 und 714 durch das Substrat gestützt werden, ist der Sensor robuster als ein herkömmlicher Mikrobrückensensor. In jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen wird in Betracht gezogen, dass eine(nicht gezeigte) Schutzschicht auf der Oberseite der Heiz- und Sensorelemente abgeschieden werden kann, um die Empfindlichkeit weiter verringern zu helfen und die Robustheit des Sensors weiter erhöhen zu helfen.
14 ist ein Diagramm, das veranschaulichende Reaktionszeiten für eine Mikrobrücken- und eine Microbrick^TM-Sensorbaugruppe (310) zeigt. Wie zu sehen ist, nehmen die Reaktionszeiten sowohl für die Mikrobrückenals auch die Microbrick^TM-Durchflusssensoren mit der Luftgeschwindigkeit ab, wobei die Luftgeschwindigkeit auf der oberen Achse gezeigt ist. Die Reaktionszeit für den Microbrick^Tm-Durchflusssensor ist weniger als für den Mikrobrückendurchflusssensor, aber beide haben schnelle Reaktionszeiten selbst bei relativ niedrigen Durchflussraten.
Um die Robustheit der Sensorbaugruppe weiter zu erhöhen, wird in Betracht gezogen, dass die Goldbonddrähte, die in der Regel dafür verwendet werden, die E/A-Kontaktinseln der Mikrobrücken- oder Microbrick^TM-Durchflusssensoren mit chipexternen Komponenten oder Packages zu verbonden, durch Wafer-Durchkontakte ersetzt werden. 15A ist eine schematische seitliche Querschnittsansicht einer Sensorbaugruppe, bei der Goldbonddrähte zum Verbinden des Sensorchips mit einem Sockel verwendet werden. Ein Durchflusssensor ist bei 700 gezeigt, der an einem Sockel 702 montiert ist. Ein Loch ist durch den oberen Teil der Siliziumnitridschicht des Sensors geschnitten, um das Heiz- oder Sensorelement 704 zu erreichen. Gleichermaßen kann der Sockel 702 einen Kontaktpfeiler 706 aufweisen, der sich dort hindurch erstreckt, wie gezeigt. Um den Kontakt pfeiler 706 mit dem Heiz- oder Sensorelement 704 zu verbinden, kann ein Goldbonddraht 708 an das Heiz- oder Sensorelement 704 und den Kontaktpfeiler 706 unter Verwendung eines Lötbondprozesses gelötet werden. Eine Einschränkung dieser Vorgehensweise ist, dass die Goldbonddrähte 708 relativ zerbrechlich sein können, speziell in rauen Einsatzumgebungen. Vibrationen, Stöße, Verunreinigungen und weitere Faktoren können alle zur Materialermüdung der Goldbonddrähte beitragen.
Eine verbesserte Vorgehensweise ist in 15B gezeigt. Bei dieser Vorgehensweise ist ein Durchflusssensor bei 800 gezeigt, der auf einem Sockel 802 montiert ist. Anstelle von Goldbonddrähten werden bei dieser Ausführungsform Wafer-Durchkontakte 812 verwendet. Wafer-Durchkontakte sind Kontakte, die sich durch das Substrat 814 des Sensorchips hindurch erstrecken. Um die Wafer-Durchkontakte 812 mit dem Sockel 802 zu verbinden, können Lötkontakte oder dergleichen vorhanden sein. Die Lötkontakte stimmen vorzugsweise mit den Wafer-Durchkontakten 812 und den Kontaktpfeilern 706 überein, wie gezeigt. Dadurch entsteht eine überaus zuverlässige Verbindung zwischen den Sensorbaugruppen und chipexternen Komponenten. Außerdem kann es dank der Wafer-Durchkontakte 812 bequemer sein, die Sensorelemente anzuschließen, die sich vom Rand des Sensorschips weiter entfernt befinden.
Es wird in Betracht gezogen, dass der Sockel 802 Seitenwände 816 enthalten kann, wie gezeigt. Die Seitenwände 816 erstrecken sich bevorzugt aufwärts entlang den Seiten des Sensorschips 800, so dass die Oberseiten 820 der Seitenwände 816 im Wesentlichen auf die Oberseite des Sensorschips 800 ausgerichtet sind. Dies kann einen ausgezeichneten Schutz für den Sensorchip 800 darstellen.
Bei einigen Anwendungen ist der Sensor 800 rauen Umgebungsbedingungen ausgesetzt. Bei solchen Anwendungen kann der Sockel 802 als eine Isolierung oder Sperre zwischen der rauen Umgebung des Sensors und einer weniger rauen Umgebung auf der anderen Seite des Sockels 802 verwendet werden. In der veranschaulichenden Ausführungsform von 15B enthält der Sockel 802 eine O-Ring-Dichtung 822, die dafür konfiguriert ist, gegen eine Innenwand eines (nicht gezeigten) Lumens abzudichten. Bei dieser Konfiguration kann der Sockel 802 eine Sperre zwischen der rauen Umgebung des Sensors und der weniger rauen Umgebung auf der anderen Seite des Sockels 802 bilden, während immer noch die Sensorsignale durch den Sockel hindurch geleitet werden.
Nachdem nun die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, erkennt der Fachmann ohne Weiteres, dass die im vorliegenden Text beschriebenen Lehren auf noch weitere Ausführungsformen angewendet werden können, ohne den Geltungsbereich der Ansprüche, die dieser Spezifikation angehängt sind, zu verlassen.

Claims

Sensorbaugruppe (310) zum Detektieren des Richtungswinkels eines herankommenden Fluidstromes (312), der eine Geschwindigkeit aufweist, wobei die Sensorbaugruppe eine Symmetrieachse (314) aufweist und außerdem Folgendes aufweist: einen ersten Mikrobrückendurchflusssensor (316) mit wenigstens einem länglichen Heizstreifen (710) und wenigstens einem länglichen Sensorstreifen (712, 714), die beide in thermischer Verbindung mit dem herankommenden Fluidstrom stehen, wobei der wenigstens eine längliche Sensorstreifen (712, 714) seitlich von dem wenigstens einen länglichen Heizstreifen (710) beabstandet ist und sich sowohl der wenigstens eine längliche Heizstreifen (710) als auch der wenigstens eine längliche Sensorstreifen (712, 714) wenigstens im Wesentlichen senkrecht zu einer ersten Sensorachse (318) erstrecken, wobei der erste Mikrobrückendurchflusssensor ein Ausgangssignal ausgibt, das zu der Komponente der Geschwindigkeit des herankommenden Fluidstromes (312), der entlang der ersten Sensorachse (318) verläuft, in Beziehung steht; einen zweiten Mikrobrückendurchflusssensor (320) mit wenigstens einem länglichen Heizstreifen (710) und wenigstens einem länglichen Sensorstreifen (712, 714), die beide in thermischer Verbindung mit dem herankommenden Fluidstrom (312) stehen, wobei der wenigstens eine längliche Sensorstreifen (712, 714) seitlich von dem wenigstens einen länglichen Heizstreifen (710) beabstandet ist und sich sowohl der wenigstens eine längliche Heizstreifen (710) als auch der wenigstens eine längliche Sensorstreifen (712, 714) wenigstens im Wesentlichen senkrecht zu einer zweiten Sensorachse (322) erstrecken, wobei der zweite Mikrobrückendurchflusssensor ein Ausgangssignal ausgibt, das zu der Komponente der Geschwindigkeit des herankommenden Fluidstromes (312), der entlang der zweiten Sensorachse (322) verläuft, in Beziehung steht; wobei der erste Sensor (316) und der zweite Sensor (320) symmetrisch um die Symmetrieachse (314) der Sensorbaugruppe herum angeordnet sind und so angeordnet sind, dass die erste Sensorachse (318) die zweite Sensorachse (322) an einem Punkt und in einem Winkel von weniger als 90 Grad schneidet; und einem Bestimmungsmittel zum Bestimmen des Richtungswinkels des herankommenden Fluidstromes (312) anhand des Ausgangssignals des ersten Sensors (316) und des Ausgangssignals des zweiten Sensors (320).
Sensorbaugruppe (310) nach Anspruch 1, wobei das Bestimmungsmittel des Weiteren die Geschwindigkeit des herankommenden Fluidstromes (312) anhand des Ausgangssignals des ersten Sensors (316) und des Ausgangssignals des zweiten Sensors (320) bestimmt.
Sensorbaugruppe (310) nach Anspruch 1, wobei der Richtungswinkel des herankommenden Fluidstromes (312) in Beziehung zur Fluglage eines Flugzeugs steht, indem die Sensorbaugruppe (310) entlang einer vertikalen Ebene montiert wird.
Sensorbaugruppe (310) nach Anspruch 1, wobei der erste Sensor ein Heizmittel enthält, das mit jedem der wenigstens einen länglichen Heizstreifen (710) verbunden ist, um einen Übergangszustand einer erhöhten Temperatur in jedem der wenigstens einen länglichen Heizstreifen (710) zu erzeugen.
Sensorbaugruppe (310) nach Anspruch 1, wobei der erste Sensor ein Substrat (716) und eine Brücke aufweist, wobei die Brücke den wenigstens einen länglichen Heizstreifen (710) und den wenigstens einen länglichen Sensorstreifen (712, 714) trägt, wobei in dem Substrat unter der Brücke ein Hohlraum ausgebildet ist, der die Brücke von dem Substrat (716) trennt.
Sensorbaugruppe (310) nach Anspruch 5, wobei der Hohlraum wenigstens im Wesentlichen mit einem Füllstoff (754) gefüllt ist.
Sensorbaugruppe (310) nach Anspruch 1, wobei der erste Mikrobrückensensor eine Schutzbeschichtung über dem wenigstens einen länglichen Heizstreifen (710) und wenigstens einen länglichen Sensorstreifen (712, 714) aufweist.
Sensorbaugruppe (310) nach Anspruch 1, wobei zwischen dem wenigstens einen länglichen Heizstreifen (710) und wenigstens einen länglichen Sensorstreifen (712, 714) des ersten Sensors mittels Wafer-Durchkontakten ein Kontakt hergestellt wird.
Sensorbaugruppe (310) nach Anspruch 1, wobei zwischen dem wenigstens einen länglichen Heizstreifen (710) und wenigstens einen länglichen Sensorstreifen (712, 714) des ersten Sensors mittels Drahtbonds ein Kontakt hergestellt wird.
Sensorbaugruppe (310) nach Anspruch 1, wobei das Fluid ein Gas ist.
Sensorbaugruppe nach Anspruch 1, wobei das Fluid Luft ist.