DE102004040003A1

DE102004040003A1 - Sensoren zur Erfassung von Bewegung und Beschleunigung im Raum auf der Basis thermodynamischer Effekte und Verfahren zum Betrieb und zur Herstellung derartiger Sensoren

Info

Publication number: DE102004040003A1
Application number: DE102004040003A
Authority: DE
Inventors: Heinz Ploechinger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-08-18
Filing date: 2004-08-18
Publication date: 2006-03-02
Anticipated expiration: 2024-08-19
Also published as: US7497118B2; US20060037395A1; DE102004040003B4

Abstract

Die Erfindung betrifft Aufbauprinzipien, Betriebs- und Herstellverfahren für thermodynamische Inertialsensoren, d. h. Sensoren zur schnellen Erfassung von Bewegung und Beschleunigung in sämtlichen Freiheitsgraden im Raum sowie zur getrennten Erfassung der Lage zum Lot bei einwirkender Erdbeschleunigung. DOLLAR A Es wird die Erkenntnis genutzt, dass zur Aufrechterhaltung einer gemeinsamen Konvektionszone zweier oder mehrerer Anregungs-Mess-Elemente die diesen Elementen zugeführten Leistungsanteile sich mit Lageänderung, Bewegung und Beschleunigung verändern.

Description

Aus der DE 42 43 978 C1 sind thermodynamische Sensoren zur Erfassung von Neigung und Beschleunigung bekannt.

In einer geschlossenen mit Fluid gefüllten Kapsel sind temperaturabhängige elektrische Widerstände angeordnet, von denen mindestens einer beheizt ist. Ausgewertet wird die konvektive Strömung, die sich in einem Schwere- oder Trägheitsfeld einstellt.

In der EP 1 111 395 A1 und US 6,722,199 B2 sind basierend auf dem Prinzip aus der DE 4243978 C1 Sensoren zur Erfassung von Drehrate, Drehbeschleunigung und Neigung beschrieben.

Bekannt sind auch andere Thermodynamische Sensoren, bei denen die Erfassung der Temperaturunterschiede im konvektiven Strömungsfeld beispielsweise durch Thermoelemente (Thermopiles) erfolgt.

Zunächst wird bei diesen bekannten Sensoren davon ausgegangen, dass sich die Messelemente bei Neigung oder Beschleunigung an die jeweilige Temperatur der Isothermen im Konvektionsfeld anpassen müssen. Auch bei kleiner Masse der Messelemente erfordert diese thermische Anpassung eine gewisse Zeit. Somit ist die Reaktionszeit der Sensoren oft zu hoch und die Grenzfrequenz relativ niedrig.

Bei den bekannten Sensoren lassen sich die Signale für Neigung und Beschleunigung nicht direkt unterscheiden.

Aus der DE 103 48 245.8-52 des Anmelders sind Sensoren auf der Basis von Dichteunterschieden in Fluiden und Verfahren zum Betrieb und zur Herstellung derartiger Sensoren bekannt.

Im Unterschied zu vorher beschriebenen Betriebsverfahren mit Sensorelementen, die sich in einem stationären Isothermenfeld bei Bewegung oder Lageänderung auf eine neue Temperatur einstellen, werden hier von einem Sendeelement zyklische Dichteschwankungen erzeugt, von einem Empfänger aufgenommen, und im wesentlichen zeitliche Verschiebungen (z. B. der Temperaturänderungen) erfasst, die sich bei Bewegung oder Lageänderung zeigen.

In der Patentschrift DE 42 43 978 C1 wird bereits im Anspruch 6 auf die Möglichkeit verwiesen, mindestens eines der temperaturabhängigen Elemente auf konstante Temperatur zu regeln. Eine konkrete Anweisung, wie diese Betriebsvariante vorteilhaft genutzt werden kann, findet sich weder in dieser Patentschrift, noch in anderen einschlägigen Schriften.

Aufgabe der Erfindung

Es ist Aufgabe dieser Erfindung, Aufbau, Betriebsweise und Herstellverfahren thermodynamischer Sensoren mit Fluid-Füllung zur Erfassung von Bewegung, Beschleunigung und Messgrößen, die sich auf Beschleunigung zurückführen lassen, zu beschreiben, bei denen eine Zuordnung von Lateral- und Vertikal-Beschleunigung, Drehrate und Drehbeschleunigung, sowie bei Einwirken der Erdbeschleunigung eine getrennte Lage-Erkennung zum Lot möglich ist. Ferner ist es Aufgabe dieser Erfindung, Voraussetzungen für schnelle Reaktion, hohe Grenzfrequenz, Selbsttestfähigkeit, eigenständige Nachkalibrierung, Überwachung der Fluid-Dichte, bestmögliche Genauigkeit und Langzeitstabilität derartiger Sensoren zu schaffen.

Die vorgeschlagenen Sensoren sollen für einzelne oder für eine Auswahl oder für alle genannten Größen (Inertialsensor) geeignet und vorzugsweise mikrosystemtechnisch herstellbar sein.

Bei der Auslegung der Sensoren sollen weitgehend alle einwirkenden Kräfte und Effekte (Trägheit, Erdanziehung, Zentrifugalbeschleunigung, Coriolis-Effekt etc.) Berücksichtigung finden.

Die Betriebsweisen sind einschließlich konkreter Schaltungen zu beschreiben.

Erfindungsgemäße Lösung

Der Erfindung liegen folgende Erkenntnisse zu Grunde:

1. Die Leistungsanpassung eines Anregungs-Messelementes durch einen elektronischen Regelkreis zur Aufrechterhaltung einer konstanten Temperatur des Elementes bei geändertem Wärmefluss kann erheblich schneller bewerkstelligt werden kann, als die Temperaturanpassung bei Anordnungen mit veränderlichen Temperaturen.
2. Isothermenfelder von zwei oder mehreren nach Erkenntnis 1 auf Konstant-Temperatur geregelten Elementen überlagern sich derart, dass die Leistungszufuhr zu den einzelnen Elementen im Ruhezustand der Anordnung und ohne einwirkende Beschleunigung konstant und gleichmäßig auf die einzelnen Elemente verteilt ist, wogegen sich bei Bewegung oder einwirkender Beschleunigung unterschiedliche Leistungsaufteilungen bzw. Änderungen der Gesamt-Leistungs-Zufuhr ergeben.

Erfindungsgemäß werden zwei oder mehrere benachbarte Isothermenfelder von zwei oder mehreren Heiz- oder Kühl-Elementen statisch oder zyklisch aufgebaut. Diese Anregungs-Elemente dienen entweder selbst als Temperatur-Messelemente oder haben Temperatur-Messelemente zugeordnet.

Als Anregungselemente können für Heizzwecke dotierte Halbleitermaterialien, aufgebrachte Widerstandsschichten usw., für Kühlung mikrosystemtechnisch hergestellte Kühl-Elemente dienen, aufgebaut z. B. nach dem Peltier-Effekt oder Thomson-Prinzip oder anderen (s. hierzu auch Artikel "Cryogenics on a Chip" in "Physics Today", May 2004, S. 41-47).

Die Anregungs-Mess-Elemente werden auf einem absoluten konstanten Temperaturwert oder auf einen zum Umgebungstemperaturniveau konstantem Temperaturabstand oder auf einen konstanten Temperaturabstand zu einem konstant gehaltenem Referenz-Temperaturniveau elektronisch geregelt. Im Isothermenfeld stellt die geregelte Temperatur auch das höchste Niveau (Heizelement) bzw. das niedrigste Niveau (Kühlelement) dar.

Die einzelnen Anregungs-Messelement-Regelkreise haben dabei vorzugsweise einen gemeinsamen Sollwert entsprechend dem zu regelnden Höchst- oder Mindest-Niveau, jedoch werden sie separat mit Leistung versorgt.

Bei mehreren Anregungs-Messelement-Regelkreisen kann es auch zweckmäßig sein, unterschiedliche Sollwerte zu wählen.

Außerdem kann es vorteilhaft sein, dem vorgewählten Höchst- oder Mindest-Niveau der Isothermenfelder periodische Schwankungen aufzumodulieren.

Die Isothermenfelder, beispielsweise erzeugt von zwei oder mehreren benachbarten Elementen mit gleichem Sollwert, überlagern sich im Innenbereich zwischen den Anregungs-Messelementen und bilden gemeinsame Isothermen im Außenbereich. Von außen betrachtet kann man deshalb ein gemeinsames Isothermenfeld annehmen.

An der Gesamtleistung zur Aufrechterhaltung des gemeinsamen Isothermenfeldes haben bei Ruhelage und bei gleichem Sollwert die einzelnen Anregungs-Messelemente jeweils den gleichen Anteil, bei zwei Elementen also je 50 %.

Bei Beschleunigung der Anordnung geraten die einzelnen Elemente zunächst in den Bereich anderer Isothermen. Der schnelle elektronische Regelkreis jedes einzelnen Elementes bewirkt jedoch bei kleinster Temperaturveränderungs-Tendenz über eine hohe Regelkreisverstärkung sofort eine Leistungsnachregelung, um die Soll-Temperatur aufrecht zu erhalten.

Im Sonderfall der von Anbeginn einwirkenden Erdbeschleunigung ist nur dann eine gleichmäßige Leistungsaufteilung (bei 2 Elementen je 50%) gegeben, wenn die Ebene, in der die Elemente liegen, waagerecht ausgerichtet ist.

Die Leistungsaufteilung ändert sich, wenn die Ebene der Elemente einen anderen Winkel zum Lot (abweichend von 90°) einnimmt.

Die Gesamtleistung ist, wie bereits in der DE 42 432 978 C1 , Anspruch 7 dargestellt, zunächst ein Maß für die Umgebungstemperatur, wenn das geregelte Temperaturniveau eine bestimmte Absolut-Temperatur als Sollwert hat. Wenn auf einen bestimmten Abstand zur Umgebungstemperatur oder zu einer konstant gehaltenen Referenztemperatur geregelt wird, ist die Gesamtleistung jedoch weitgehend unabhängig vom Umgebungstemperatur-Niveau.

In beiden Fällen ändert sich die Gesamtleistungsaufnahme bei der erfindungsgemäßen Anordnung jedoch, wenn die Anordnung beschleunigt wird.

Da beide oder mehrere Anregungs-Mess-Elemente auf ein einheitliches bzw. fixes Temperatur-Niveau geregelt sind und ein gemeinsames Isothermenfeld haben, kann man die Mehrfach-Anordnung vereinfachend als Einheit betrachten. Diese verhält sich wie der beheizte Glühfaden aus DE 40 43 962 C1 , Anspruch 8 (s. Stand der Technik bei DE 4243 978 C1 ).

Der Gesamtleistungsbedarf, abgeleitet aus der Summe der Leistungswerte für die einzelnen Elemente, ändert sich mit jeglicher Beschleunigung der Anordnung.

Bewegt sich die Anordnung beispielsweise lateral in Richtung der Ebene, in der die Elemente liegen, tauchen die äußeren Elemente in Isothermen mit einer anderen Temperatur ein, was zu entsprechender Nachregelung der einzelnen Elemente und somit zu einer Änderung der Gesamtleistung führt.

Die Änderung des Gesamtleistungsbedarfes ist ein Maß für die Beschleunigung, die auf die Anordnung einwirkt.

Eine statische Neigung der Anordnung führt, wie oben bereits angeführt, zu einer Änderung der Leistungsaufteilung, jedoch nicht oder nur in geringem Masse zu einer Änderung der Gesamtleistung.

Damit ist eine Unterscheidung zwischen Neigung und Beschleunigung möglich.

Eine vertikale Beschleunigung der Anordnung führt ebenfalls zu einer Änderung des Gesamtleistungsbedarfes.

Es genügt also bereits eine Anordnung von zwei benachbarten Anregungs-Mess-Elementen in einer Ebene, die separat auf konstante Temperatur geregelt sind, um aus den beiden Leistungs- bzw. Spannungs-Signalen durch Summen- und Differenzbildung Informationen über Richtung und Maß der Neigung in einer Achse und/oder über das Maß der Lateral-Beschleunigung in dieser Achse, sowie über das Maß der Vertikalbeschleunigung dieser Anordnung zu erhalten.

Die Anordnung eines zweiten Anregungs-Mess-Elementen-Paares im rechten Winkel in der gleichen Ebene zum ersten Paar ermöglicht zweiachsige Neigungs- und Beschleunigungs-erfassung.

Zur Richtungsbestimmung der Lateralbeschleunigung wird erfindungsgemäß zumindest ein weiteres Anregungs-Messelement in der Mitte zwischen zwei Elementen in der gleichen Ebene angeordnet und beispielsweise auf höhere Temperatur als die zwei Elemente geregelt.

Damit ändert sich bei Lateralbeschleunigung in dieser Ebene der Gesamtleistungsbedarf für alle 3 Elemente, aber auch die Aufteilung der Leistung der beiden äußeren Elemente, da sich eines in Richtung höherer Temperatur, das andere davon weg bewegt.

Wenn sich also in dieser Anordnung der Gesamtleistungsbedarf und die Aufteilung ändert, liegt eine Lateralbeschleunigung vor, deren Richtung aus der Aufteilung und deren Maß aus der Gesamtleistungsänderung abzulesen ist.

Will man auch die Richtung einer Vertikalbeschleunigung eindeutig bestimmen, empfiehlt sich die Verwendung einer weiteren vertikal beabstandeten Ebene mit Anregungs-Messelementen.

Mit 4 räumlich in gleichem Abstand angeordneten Elementen lässt sich beispielsweise ein Sensor für Neigungsmessung über 360 Winkelgrade mit gleichbleibender Genauigkeit über den vollen Bereich aufbauen.

Eine Anordnung von 8 Elementen in 2 Ebenen (beispielsweise je 4 an den Unterkanten und an der Oberkanten eines gedachten Würfels) dient zur Messung von Bewegung und Beschleunigung in sämtlichen Freiheitsgraden und bildet somit einen Inertialsensor.

Vorteile der Erfindung

Durch die erfindungsgemäße Betriebsweise werden langsame thermische Anpassungsvorgänge erübrigt, was zu schnellerer Reaktion der Sensoren führt. Durch die Beibehaltung einer konstanten Temperatur der Elemente wird das Übersprechen auf andere Messachsen minimiert. Zudem sind mechanische Folgeerscheinungen der Temperaturänderung, wie beispielsweise Durchbiegung oder Bimetall-Effekte bei identischen Element-Strukturen im Sinne der Messung weitgehend unwirksam.

Dies verbessert Genauigkeit und Langzeitstabilität.

Erfindungsgemäße Sensoren bieten getrennte Signale für Bewegung bzw. Beschleunigung in allen Freiheitsgraden, sowie für die Lage im Raum.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen erläutert.

Es zeigen

1a:

Einen erfindungsgemäßen Sensor im Schnitt (A) mit dem dichten Sensorgehäuse 111, gefüllt mit Fluid geeigneter Dichte, sowie den mikrosystemtechnisch hergestellten Teilen:
Trägerkörper 101, freitragende Sensorstege (Anregungs- und Messelemente) 102 und 103 mit temperaturabhängigem elektrischem Widerstand, beispielsweise aus dotiertem Silizium. Wenn diese beheizt sind, bilden sich um die Sensorstege Isothermenfelder aus. Wenn die beiden Stege in einer waagerechten Ebene liegen und mit gleicher Leistung beheizt werden, berühren sich deren Isothermen gleichen Temperaturwertes 107 und 108 in der Symmetrie-Ebene 106.

Die Darstellung in 1a zeigt angedeutete Isothermen (107, 108), wie sie sich etwa im Erdschwerefeld ausbilden. Im schwerelosen Raum haben die Isothermen die Form von Kreisen mit dem (hier vereinfachend als Punkt angenommenem) Element als Mittelpunkt. Die nächstfolgenden Isothermen mit anderem Temperaturwert bilden gemeinsame umschließende Isothermen, z. B. 105. Diese gemeinsamen Isothermen sollten innerhalb eines Kreises 109 um den Mittelpunkt 110 zwischen den Stegen liegen, um den Trägerkörper nicht zu berühren und somit Einflüsse der unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität des Trägerkörpers und der umgebenden Kapsel 111 möglichst gering zu halten.

1b

zeigt den mikrosystemtechnisch hergestellten Trägerkörper 101 aus 1a in der Draufsicht.

Eine Lateralbeschleunigung quer zu den Elementen in Richtung der Ebene, in der die Elemente angeordnet sind, hat zunächst das Eintauchen der beiden Elemente in Isothermen mit jeweils anderem Temperaturwert zur Folge.

Soll die Temperatur der Elemente jedoch gleich bleiben, muß beiden Elementen zusätzliche Leistung zugeführt werden. Die Summe der Betriebsleistung für beide Elemente steigt somit an.

Eine Neigung der der Symmetrieebene 106 aus dem Lot hat hingegen zur Folge, dass die Isothermenfelder der beiden Elemente quasi nur vertikal gegeneinander verschoben werden. In einem bestimmten Winkelbereich ist im stationären Zustand die Änderung der Gesamtleistung für beide Elemente gering bzw. vernachlässigbar. Die Aufteilung der Leistungsanteile an der Gesamtleistung ist ein Maß für den Neigungswinkel gegen das Lot.

Somit ist eine Signaltrennung zwischen Beschleunigung und Neigung möglich, indem man die Summe oder die Differenz bzw. das Verhältnis der jedem Element zugeführten Leistungswerte bildet.

1c

Zeigt im Schnitt eine andere Aufbauvariante eines Sensors mit Thermopiles als Temperatursensoren (Messelemente) auf 2 beheizten Stegen (Anregungselemente).

Auf dem Trägerkörper 101 ist zunächst eine Isolierschicht 114 angeordnet. Darüber befindet sich eine elektrische Widerstandsschicht, vorzugsweise nicht temperaturabhängig, aus der die Heizer 112 und 113 bestehen, sowie die Flächen 123 und 124.

Darüber ist erneut eine dünne Isolierschicht 114 angeordnet.

Im Bereich der freigeätzten Stege sind über dieser Isolierschicht die Thermopiles 115/117 und 116/118 aufgebracht. Die beiden äußeren Schenkel der Thermopiles 115/117 sind mit den beiden Anschlusspads 121 verbunden.

Die beiden äußeren Schenkel der Thermopiles 116/118 sind mit den beiden Anschlusspads 122 verbunden.

Die Kontaktflächen 123 und 124 besitzen eine Durchkontaktierung zu den Anschlusspads 119 und 120. Hier erfolgt die Stromzuführung für die Anregungselemente.

1d

zeigt die Draufsicht auf den Sensor aus 1c.

2a

zeigt eine Schaltung zum temperaturgeregelten Betrieb des Sensors aus 1a und 1b (zunächst mit Heizelementen).

In der fluidgefüllten Kapsel 201 befinden sich die temperaturabhängigen Anregungs-Messelemente 202 und 203.

Der Verstärker 206 (207) schickt nach dem Einschalten über den Widerstand 205 (204) solange erhöhten Strom durch das Element 203 (202), bis am Minus-Eingang des Verstärkers durch die Erwärmung des temperaturabhängigen Elementes gleiches Potential wie am Plus-Eingang (Potential "A") ansteht. An diesem Betriebspunkt wird der Strom durch hohe Verstärkung und hohe Reaktionsgeschwindigkeit des ausgewählten Verstärkers schnell und präzise so nachgeregelt, dass an beiden Verstärkereingängen immer das Potential "A" anliegt. Je nach gewünschter Betriebsweise entsteht das Potential "A" wie folgt:

a) Betrieb auf konstanter Absolut-Temperatur:

Am Punkt "A" liegt der Widerstand 215 gegen Masse, der von einem Summenstrom aus den Verstärkern 208 und 209 über die Widerstände 210 und 211 durchflossen wird.

Die Verstärker 208 und 209 bilden rückwirkungsfrei die Potentiale an den Ausgängen der Verstärker 207 und 206 ab.

Die Widerstände 210 und 211 werden vorzugsweise so dimensioniert, dass sie den gleichen Widerstandswert haben und dieser dem doppelten Wert von 215 entspricht. In diesem Fall bildet sich ein Potential "A", das der Hälfte des Mittelwertes der Signalspannungen aus den Verstärkern 206 (Ausgang "B") und 207 (Ausgang "C") entspricht.

Die Widerstände 204 und 205 sind vorzugsweise gleich und so dimensioniert, dass sie gleich dem Widerstand sind, den die temperaturabhängigen Elemente 202 und 203 beim gewünschten Absolutwert der zu regelnden Konstant-Temperatur einnehmen.

Mit dem Kondensator 216 läßt sich das Nachführen des Potentials "A" nach Bedarf etwas verzögern, um beispielsweise die Wirkung von Störimpulsen zu minimieren.

b) Betrieb auf konstantem Temperaturabstand zur Umgebungstemperatur:

Ein temperaturabhängiger Widerstand 214 ist thermisch mit dem Trägerkörper oder dem Gehäuse der Anordnung verbunden und ist mittels der Widerstände 213 und 212 angepasst, um den gleichen Temperaturgang wie die Anregungs-Messelemente zu haben.

Optional kann noch ein Kondensator 216 parallel geschaltet sein.

Steigt nun beispielsweise die Umgebungstemperatur an, wird auch das Potential "A" und somit der Sollwert für die zu regelnde Temperatur entsprechend angehoben. Der Abstand von der geregelten Temperatur zur Umgebungstemperatur bleibt damit gleich.

c) Temperatur-Modulationsbetrieb

Speist man am Punkt "A", 2a, bei einer der oben beschriebenen Varianten einen geringen periodisch wechselnden Strom ein, wodurch sich das "Soll"-Potential "A" entsprechend periodisch ändert, wird auch das geregelte Temperaturniveau periodisch wechseln.

Ein beispielsweise eingespeistes Sinus-Signal hat eine sinusförmige "Wärmewelle" ("Thermowelle") zur Folge, wenn der Mittelwert der Temperaturschwankungen einen genügend großen Abstand zur Umgebungstemperatur hat.

In dieser Variante lassen sich somit die Vorteile des geregelten Temperatur-Niveaus mit den Vorteilen der Betriebsweise mit "Wechselanteil-Modus", wie sie in der DE 103 48 245.8-52 beschrieben sind, verbinden.

In der 2a sind die Ausgänge der Regelverstärker 206 und 207 mit "B" und "C" gekennzeichnet.

Wird hier ein Differenzverstärker, bestehend aus Verstärker 221 und den Widerständen 217, 218, 219, 220 angeschlossen, steht am Ausgang 227 ein Signal für die Leistungsaufteilung im gemeinsamen Isothermenfeld, also beispielsweise für die Neigung, zur Verfügung.

Schließt man an die Punkte "B" und "C" einen Summationsverstärker, bestehend aus Verstärker 226 und den Widerständen 222, 223 (vorzugsweise gleich) und 224, erhält man am Ausgang 228 ein Summensignal, das ein Maß für die Gesamtleistung im gemeinsamen Isothermenfeld und somit für die Beschleunigung der Anordnung darstellt.

Sind beide Ausgangsverstärker vorhanden, stehen ausgehend von einer Sensoranordnung zwei getrennte Signale, beispielsweise für Neigung und Beschleunigung, zur Verfügung.

Die Schaltung kann problemlos erweitert werden, beispielsweise auf 4 Anregungs- Messelemente mit gleichem Sollwert, wobei dann die Widerstände 210 und 211, sowie zwei weitere den 4-fachen Wert von 215 haben.

Das Prinzip der Schaltung ist gleichermaßen für Ausführungen mit Kühlelementen geeignet.

2b

zeigt eine entsprechende Schaltung für den Betrieb auf konstantem Temperaturabstand zur Umgebungstemperatur bei Verwendung von getrennten Anregungs- und Messelementen, wie sie in 1c und 1d gezeigt sind (Version für Heizelemente).

Der Sollwert für die Regelverstärker 206 und 207 wird hier (bei Schalterstellung A) aus einer Referenzspannung 238 abgeleitet über die Spannungsteiler-Widerstände 237 und 236.

Die Heizelemente 232 und 233 werden solange mit erhöhtem Strom versorgt, bis die Spannung an den thermisch bestens angekoppelten Thermopiles 234 und 235 dem Sollwert-Potential entspricht.

Da die kalten Schenkel der Thermopiles auf dem Temperaturniveau des Trägerkörpers und somit auf Umgebungstemperatur liegen, wird mit einer fest vorgegebenen Sollwertspannung automatisch auf konstanten Temperaturabstand geregelt.

Wenn statt einer Konstantspannung eine Gleichspannung mit aufmoduliertem Wechselanteil 239 (bei Schalterstellung D) Verwendung findet, kann auch hier eine überlagerte "Wärmewelle" generiert werden.

Die Auswertung erfolgt bei dieser Schaltung über die Ausgänge "B" und "C" wie bei der vorherigen Schaltung 2a.

Eine "Kaskadierung" mehrere Anregungs- und Messelemente ist hier noch einfacher zu bewerkstelligen, indem die Plus-Eingänge der weiteren Verstärker wie auch 206 und 207 parallel geschaltet werden.

3a

zeigt Messergebnisse aus einem Versuchsaufbau, bei dem ein Sensor 301 an einem Ende einer Wippe 302 montiert ist. Der Sensor 301 entspricht weitgehend der 1a und 1b, die Betriebsschaltung für den Sensor weitgehend der 2a.

Die Wippe 302 ist an einem Drehpunkt 303 gelagert und wird motorisch um den Winkel a zyklisch ausgelenkt.

Am Signalausgang für Beschleunigung (228) zeigt sich der Signalverlauf 304, am anderen Signalausgang (227) der Signalverlauf 305 für die Neigung.

3b

zeigt Messergebnisse aus dem Versuchsaufbau wie 3a, jedoch ist der Sensor 301 jetzt direkt auf dem Drehpunkt 303 der Wippe 302 montiert. Die Wippe erfährt die gleiche Auslenkung wie vor. Am Signalausgang für Beschleunigung zeigt der Signalverlauf 306 nun eine erheblich geringere Amplitude ("Kipp-Beschleunigung"), während das Signal für die Neigung 307 keine Unterschiede zu 305 erkennen läßt.

4a

zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführung eines erfindungsgemäßen Sensors, ähnlich der 1, jedoch mit einem zusätzlichen Anregungs-Messelement 404 auf dem Trägerkörper 401 in der Mitte zwischen den beiden Anregungs-Messelementen 402 und 403.

Das Element 404 ist vorzugsweise auf eine andere (hier gezeigt: höhere) Temperatur geregelt als die Elemente 402 und 403. Die äußere gemeinsame Isotherme 405 unterscheidet sich im Temperaturwert nur mehr unwesentlich von der Umgebungstemperatur und liegt innerhalb des Kreises 409.

Dieser Kreis um die Mitte des mittleren Elementes kennzeichnet den Bereich, in dem keine Teile von Trägerkörper oder Gehäuse die Isothermen in der freien Ausbreitung beeinträchtigen.

Bei einer Lateral-Beschleunigung oder -Bewegung quer zu den drei Elementen ändert sich sowohl die Gesamtleistung, wie auch die Leistungsaufteilung.

Während sich eines der seitlichen Elemente in Richtung höherer Isothermen des mittleren Elementes bewegt, entfernt sich das jeweils andere von diesen höheren Isothermen. Dadurch ist die Richtung der Bewegung bzw. Beschleunigung feststellbar.

4b

zeigt schematisch die Draufsicht auf den Trägerkörper aus 4a.

4c

zeigt eine Schaltung, mit der das Element 404 (aus 4a und 4b) auf eine bestimmte (höhere) Temperatur geregelt werden kann.

In dieser Schaltung wird auf eine Temperaturdifferenz zur Umgebungstemperatur geregelt, die mit dem Temperatursensor 414 erfasst wird. Mit den Widerständen 413 und 412 erfolgt die Anpassung an den Temperaturkoeffizienten von 404.

Die Widerstände 405 und 410 sind so auszulegen, dass im eingeschwungenen Zustand bei der Solltemperatur die beiden Eingänge des Verstärkers 406 gleiches Potential haben.

Am Ausgang 428 ist ein Signal für die Summenbildung der Gesamtleistungsaufnahme abzugreifen.

5

zeigt eine weitere Sensoranordnung, wie sie in ähnlicher Form bereits aus der EP 1 111 395 B1 , 7a und aus der DE 103 48 245.8-52 , 4a bekannt ist.

Im Gegensatz zu diesen genannten Anordnungen sind hier 12 identische Anregungs-Messelemente spiegel- und rotationssymmetrisch in vier Dreiergruppen um den Chip-Mittelpunkt angeordnet und diese Elemente werden erfindungsgemäß in einer ersten Variante auf gleiche Temperatur geregelt.

In weiteren Varianten können die geregelten Temperaturen innerhalb einer Dreiergruppe oder von Gruppe zu Gruppe unterschiedlich sein und/oder sich zyklisch ändern, um beispielsweise umlaufende "Wärmewellen" (ähnlich DE 103 48 245.8-52 ) zu generieren.

5a

Zeigt einen Schnitt durch die Mitte der Sensoranordnung mit dem Trägerkörper 501 und den Dreiergruppen von Anregungs-Messelementen 532, 534, 533 sowie 513, 514, 512.

5b

Zeigt die Draufsicht der Sensoranordnung auf dem Trägerkörper 501 mit den vier Dreiergruppen von Anregungs-Messelementen 502, 504, 503 und 512, 514, 513 und 522, 524, 523 und 532, 534, 533.

Diese Gruppen sind polygonförmig äquidistant zum Mittelpunkt 550 angeordnet. Referenzwiderstände 541 (mit angedeuteten Anschlusspads 542 und 543), 544, 545, 546 sind zur Temperaturerfassung des Trägerkörpers 501 thermisch gut leitend mit diesem vorgesehen.

Eine Sensoranordnung nach 5 ist grundsätzlich sowohl zur Neigungserfassung von zwei Achsen, wie auch zur Erfassung von Lateralbeschleunigung und Vertikalbeschleunigung, sowie von Drehbeschleunigung und Drehrate bei Drehung um den Mittelpunkt 550 geeignet.

Wenn die Anregungs-Messelemente dieser Anordnung erfindungsgemäß beispielsweise beheizt und auf konstante Temperatur geregelt sind, verändert sich die Leistungsaufteilung in den einzelnen Gruppen bei Neigung entsprechend den vorbeschriebenen Regeln.

Wenn beispielsweise das Element 532 nach unten und damit entsprechend das Element 512 nach oben geneigt wird, wird der Leistungsanteil der Elemente 532 und 513 höher, der Leistungsanteil der Elemente 533 und 512 niedriger als der Anteil in waagrechter Position. Wenn man die Signale aus den jeweils gegenüberliegenden Gruppen zusammenfasst und den Mittelwert bildet, erhält man Signale für beide Neigungsrichtungen, die um Effekte der unterschiedlichen thermischen Ankoppelung an den Trägerkörper bereinigt sind.

Wird die Anordnung einer Lateral-, Vertikal- oder Drehbeschleunigung ausgesetzt, steigt der Gesamtleistungsbedarf.

Aus der Aufteilung der Leistungsanteile für die vier Dreiergruppen lassen sich Hinweise für die Richtung der einwirkenden Beschleunigung ableiten Versetzt man die Anordnung dagegen in Rotation um 550, verringert sich der Leistungsanteil aller vier dem Mittelpunkt nächsten Elemente (503, 513, 523, 533), während den äußeren Elementen (502, 512, 522, 532) ein größerer Leistungsanteil zugeführt werden muß. Dies ist im wesentlichen durch folgende Effekte bedingt:
Die Elemente auf der äußeren Kreisbahn bzw. dem äußeren Polygonzug sind weiter voneinander entfernt als auf einer inneren Bahn. Sie bewegen sich demnach durch ausgedehntere Fluid-Zonen mit niedrigerem Temperaturniveau.

Durch den Druckgradienten und die Zentrifugalkraft werden die dichteren kälteren Fluidzonen nach außen verdrängt und zudem durch den Coriolis-Effekt entsprechend radial verschoben.

Je nach der anliegenden Drehrate kann durch die Wirkung des Coriolis-Effektes eine Geostrophische Front entstehen.

Wie einleitend zu 5 angeführt, können erfindungsgemäß die vier Dreiergruppen auch auf unterschiedliche Temperaturen geregelt sein. Bei Rotation ergibt sich dann ein Signalprofil, aus dem man die Richtung der Drehung ableiten kann.

Sind beispielsweise die Gruppen 502, 504, 503 und 522, 524, 523 auf eine mittlere Temperatur geregelt, die Gruppe 532, 534, 533 auf eine höhere, die Gruppe 512, 514, 513 auf eine niedrigere, wird die Gruppe 502, 504, 503 bei Rechtsdrehung höheren Leistungsbedarf, bei Linksdrehung niedrigeren Leistungsbedarf als die gegenüberliegende Gruppe 522, 524, 523 anzeigen.

Bei Betrieb mit Microprozessor sind die vorbeschriebenen Betriebsarten mit gleichen bzw. unterschiedlichen Regel-Sollwerten auch alternierend möglich.

Auf diese Weise kann auch ein Selbsttest der Anordnung erfolgen.

In einer weiteren Betriebsvariante "umlaufende Wärmewelle" läßt sich die Anordnung zur Erfassung der Drehrate wie folgt betreiben:
Die auf dem inneren Kreis bzw. Polygonzug liegenden Elemente 513 und 533 werden zunächst auf eine mittlere Temperatur geregelt, das Element 503 auf eine höhere, das Element 523 auf eine niedrigere. In Ruhelage werden die Elemente 513 und 533 gleiche Leistung benötigen. Wenn man die Anordnung um den Mittelpunkt 550 dreht, ändert sich die Leistungsaufteilung für die Elemente 513 und 533.

Legt man einen Schwellwert für die Leistungsänderung beispielsweise am Element 513 fest und setzt den Sollwert für die Regelung des Elementes 513 nach Überschreiten dieses Schwellwertes z. B. auf höhere Temperatur, gleichzeitig den Sollwert für das gegenüberliegende Element 533 auf niedrige und die Sollwerte für die Elemente 503 und 523 auf mittlere Temperatur, erhält man eine umlaufende Wärmewelle, deren Frequenz ein Maß für die Drehung darstellt.

Die Richtung der Drehung läßt sich aus der Sollwert-Abfolge entnehmen.

Die Elemente auf den außenliegenden Kreisen bzw. Polygonzügen (502, 504 etc.) können auf gleiche mittlere Temperatur geregelt sein und über die Leistungsverteilung die Neigung der Anordnung anzeigen.

Verzichtet man auf diese Neigungs-Anzeige-Funktion und ersetzt die Elemente auf dem mittleren Kreis bzw. Polygonzug 504, 514, 524, 534 durch eine durchgehende thermische Trennwand, kann beispielsweise auf dem inneren Kreis bzw. Polygonzug 503, 513, 523, 533 eine rechtslaufende, auf dem äußeren Kreis bzw. Polygonzug 502, 532, 522, 512 eine linkslaufende Wärmewelle erzeugt werden. Ähnlich dem Sagnac-Prinzip bei optischen Kreiseln ist die Differenz der Umlaufzeiten ein Maß für die Drehrate.

6a

zeigt eine erfindungsgemäße Sensoranordnung mit Anregungs-Mess-Elementen auf zwei Ebenen. Hierdurch ist eine verbesserte räumliche Auflösung und Genauigkeit für Lage- und Bewegungsmessung ermöglicht. Außerdem besitzt diese Anordnung beste Voraussetzungen für Selbstkalibrierung auf Null-Lage und Erdbeschleunigung.

Eine derartige Anordnung kann beispielsweise durch Bonden von zwei SOI-Wafern aufeinander mikrosystemtechnisch hergestellt werden.

In einem dichten Gehäuse 609 ist ein Trägerkörper 601 fest verbunden (z. B. durch Anodic Bonding) mit dem weiteren Trägerkörper 604.

Die Anregungs-Mess-Elemente 602 und 603 sind Bestandteil des Trägerkörpers 601, die Elemente 605 und 606 sind Bestandteil des Trägerkörpers 604. Der Trägerkörper 604 (z. B SOI-Wafer) ist dabei auf eine geeignete Dicke ausgelegt, um gleichen Abstand von Element 605 zu Element 602 und zu Element 606 zu haben. Im Querschnitt liegen die 4 Elemente in den Ecken eines gedachten Quadrates. Bei Regelung der einzelnen Elemente beispielsweise auf konstante gleiche Temperatur, wobei alle 4 Elemente auf den Punkt A in der Schaltung lt. 2a zu gleichen Teilen einwirken, bilden sich im Erdschwerefeld Isothermen 607 aus.

Die natürliche, eichfähige Null-Lage der Anordnung (rechter Winkel zum Lot) ist gegeben, wenn die Leistungsaufteilung zwischen den Elementgruppen 602, 605 und 603, 606 je 50 % ist.

In der waagerechten, gegebenen Anordnung ist die Leistungsaufteilung zwischen den Elementgruppen 602, 603 und 605, 606 ein Maß für die Erdbeschleunigung.

Das Prinzip dieses Sensors erlaubt demnach Selbsttest und Nachkalibrierung bezüglich Null-Lage und Erdbeschleunigung ohne externe Referenz in allen vier Quadranten bei Neigung um 360 Winkelgrade.

Volle Auflösung und beste Genauigkeit über die gesamten 360 Winkelgrade sind weitere vorteilhafte Eigenschaften der Anordnung.

Zweckmäßigerweise sollten die äußersten noch relevanten Isothermen innerhalb eines Kreises 608 liegen, dessen Mittelpunkt mit der Mitte des gedachten Element-Quadrates zusammenfällt.

6b

zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung mit Elementen in zwei Ebenen wie bei 6a, jedoch sind hier beispielhaft vier Gruppen mit je 4 räumlich verteilten Elementen kreis- oder polygonförmig um den Chip-Mittelpunkt angeordnet.

Die Anzahl der Elementgruppen kann auch höher oder niedriger sein und hängt vom vorgesehenen Einsatzfeld ab.

Eine einzelne Elementgruppe besteht wie bei 6a aus vier räumlich entsprechend einem gedachten Quadrat angeordneten Elementen 602, 603, 605, 606. Die aus zwei gebondeten Wafern vereinzelten Trägerkörper 601 und 604 befinden sich im dichten Fluid-gefüllten Gehäuse 609.

Wiederum sollte auf ausreichenden Abstand gemäß der Kreise 608 geachtet werden.

Wenn man die einzelnen Elementgruppen, wie unter 5 beschrieben, mit unterschiedlichen Sollwerten betreibt, ist neben Neigung, Beschleunigung und Drehrate auch die Richtung der Drehung aus den Signalen abzuleiten.

Damit kann ein erfindungsgemäßer Sensor Lage im Schwerefeld und Bewegung in sämtlichen Freiheitsgraden nach Maß und Richtung erkennen und weist damit Merkmale eines Inertial-Sensors auf.

Zudem bietet die Anordnung beste Voraussetzung für Selbsttest und Kalibrierung auf natürliche Null-Lage und Erdbeschleunigung.

Um Auflösung und Genauigkeit weiter zu erhöhen, lassen sich auch hier umlaufende Wärmewellen überlagern und nach den unter 5 beschriebenen Verfahren (Frequenzänderung bzw. Änderung der Umlaufzeit-Differenz nach Sagnac) auswerten.

7a

zeigt einen erfindungsgemäßen Sensoraufbau unter Verwendung von Heiz- und Kühlelementen.

Im Fluid-gefüllten Gehäuse 709 befindet sich der Trägerkörper 701 mit dem Heizelement 703 und den Kühlelementen 702 und 704.

Mikrosystemtechnisch hergestellte Peltier-Elemente können beispielsweise je nach Stromrichtung sowohl als Kühler, wie auch als Heizer dienen.

Ähnlich wie in 1c und 1d gezeigt, sind die kaskadierten Peltier-Elemente über eine thermisch gut leitende elektrische Isolierschicht auf Stegen (entsprechend 112, 113) aufgebracht.

Hier haben diese Stege jedoch temperaturabhängigen Widerstand, um als Temperatursensoren zu dienen.

Sind beispielsweise die Sollwerte für die Regelung der Kühlelemente auf einen bestimmten negativen Temperaturabstand zur Umgebungs-Temperatur eingestellt und der Sollwert der Regelung des Heizelementes auf einen positiven Temperaturabstand mit dem gleichen Betrag, wird sich in waagerechter Ruhelage ein Temperaturprofil einstellen, wie es schematisch in der Zeichnung angedeutet ist.

Die Isothermen 707, 706, 708 liegen unter den beschriebenen Bedingungen auf dem Niveau der Umgebungstemperatur.

Vorteile der Anordnung sind großer Signalhub und gute Symmetrie.

Bei Umkehr der jeweiligen Stromrichtung läßt sich beispielsweise zyklisch eine Kalt-Warm-Wellenbewegung erzeugen und es können Methoden wie Zeitmessung bzw. Wechselanteil (wie vorbeschrieben) bei der Signalauswertung Anwendung finden.

7b

zeigt die Draufsicht einer Anordnung, wie sie beispielsweise hergestellt sein kann, um die unter 7a beschriebene Funktion zu erfüllen.

Über einer freigeätzten Kaverne des Trägerkörpers 701 sind zunächst die Mess-Elemente 702, 703, 704 freitragend angeordnet und mit Anschluß-Pads auf dem Trägerkörper verbunden. Auf diesen Mess-Elementen ist eine dünne, gut wärmeleitende elektrische Isolierschicht angebracht.

Auf dieser wiederum befinden sich die "aktiven Stützpunkte" der Peltier-Elemente zum Kühlen bzw. Heizen der gesamten Anregungs-Mess-Elemente. Die Peltier-Elemente haben ebenfalls Anschluß-Pads.

In der gezeigten Anordnung ist je eine Reihe von Peltier-Elementen vom Trägerkörper zum Mess-Element 702 und zum Mess-Element 704 vorgesehen, um diese zu kühlen.

Je eine Reihe von Peltier-Elementen ist isoliert davon vom Mess-Element 703 aus in Richtung Element 702 und Element 704 (alternativ direkt zum Trägerkörper) vorgesehen, um das Element 703 zu heizen.

8

zeigt eine erfindungsgemäße Sensoranordnung mit Heiz- und Kühl-Elementen in zwei Ebenen.

Im Fluid-gefüllten Gehäuse 809 befinden sich die verbundenen Trägerkörper 801 mit den Kühlelementen 802, 803 und 804 mit den Heiz-Elementen 805, 806.

Vorteilhaft ist diese Anordnung z. B. für Neigungsmessungen um 360 Winkelgrade und zur Messung von Vertikalbeschleunigung.

9

zeigt eine weitere Variante einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung mit Heiz- und Kühl-Elementen in zwei Ebenen.

Im Fluid-gefüllten Gehäuse 909 befinden sich die verbundenen Trägerkörper 901 mit den Heizelementen 902, 903 und 904 mit den Kühlelementen 905, 907, 908, 906.

Weitere Sensorgruppen wie 902, 905, 907 und 903, 908, 906 können kreis- oder polygonförmig um die Mittelachse angeordnet sein.

Diese Sensoranordnung ist beispielsweise vorteilhaft für die Erfassung von Drehbeschleunigung und Drehrate durch großen Signalhub und beste Symmetrie.

10a

zeigt eine erfindungsgemäße Sensoranordnung mit Elementen in zwei Ebenen ähnlich der 6b.

Im Unterschied zu 6b, bei der auch unterschiedliche Sollwerte für die radial verteilten Element-Gruppen umlaufend vorgesehen sind, wird bei dieser Anordnung von unterschiedlichen Sollwerten für eine Elementgruppe nahe dem Zentrum und für eine andere in größerem Abstand zum Zentrum ausgegangen.

Alternativ kann eine Elementgruppe aus beheizten Elementen, die andere aus gekühlten Elementen bestehen.

Im Fluid-gefüllten Gehäuse 1009 befinden sich verbundene Trägerkörper 1001 und 1004.

Die Anregungs-Mess-Elemente 1002 und 1005 sind Teil einer äußeren umlaufenden Element-Gruppe, alle z. B. auf niedrige Temperatur geregelt oder gekühlt.

Die Anregungs-Mess-Elemente 1003 und 1006 stehen für eine innere umlaufende Element-Gruppe, z. B auf höhere Temperatur geregelt.

In waagerechter Ruhelage wird bei den beschriebenen Voraussetzungen das Fluid umgewälzt in Richtung der rechts in der Zeichnung angedeuteten Pfeilabfolge und es stellt sich eine konstante Leistungsverteilung zwischen äußerer und innerer Gruppe ein.

Wird die Anordnung um die angedeutete Mittelachse in Drehung versetzt, wirken Zentrifugalkraft, Coriolis-Effekt und je nach Drehrate eine Geostrophische Front, wodurch sich die Leistungsaufteilung zwischen äußerer und innerer Gruppe ändert.

Ein freitragender Trennring zwischen der äußeren Gruppe 1002, 1005... und der inneren Gruppe 1003, 1006... kann alternativ den "Kamineffekt" verstärken. Er ist auf eine geeignete Höhe ausgelegt, um zwischen Ring und Gehäuseboden bzw. Gehäusedeckel genügend freien Raum für die Strömung zu lassen.

10b

zeigt die Draufsicht einer Anordnung nach 10a mit den Trägerkörpern 1001 und 1004, den äußeren Elementen 1005..., den inneren Elementen 1006..., sowie eine angedeutete Geostrophische Front 1008 und den alternativ angeordneten freitragenden Trennring 1007.

10c

zeigt ein Segment einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung, wobei die Anordnung aus mehreren derartigen Segmenten besteht.

Wenn es sich, wie hier gezeichnet, um 90°-Segmente handelt, gehören vier davon zu einer quadratischen Sensoranordnung.

Die gezeigte Ausführungsform von Widerstands-Anregungs-Mess-Elementen kann sowohl für Sensoranordnungen mit einer Element-Ebene, wie beispielsweise in 5 gezeigt, wie auch für Sensoranordnungen mit zwei Element-Ebenen lt. 6, 8, 9 und 10a Verwendung finden.

Die kammartigen Anregungs-Mess-Elemente 1005, 1006... sind zusammengesetzt aus einzelnen Stegen, um eine möglichst große Oberfläche für den Wärmeaustausch zu erhalten.

Wenn die Stege beispielsweise aus Polysilizium bestehen und hohen elektrischen Widerstand aufweisen, ist es zweckmäßig, die gezeichnete Parallelschaltung der Stege zur Erzielung eines geeigneten niedrigeren Zielwiderstandes zu verwenden.

Sind die Stege dagegen mit niederohmigen Metallwiderständen ausgerüstet, ist eine mäanderförmige Reihenschaltung zu bevorzugen.

Die gezeichnete Ausführungsform in 10c ist direkt auf die 10b übertragbar (1008 = mögl. Geostrophische Front; 1007 = alternativer Trennring).

In folgendem Beispiel wird eine vorteilhafte erfindungsgemäße Anwendung dieser Ausführungsform, kombiniert mit Auswerteverfahren "Zeitmessung", beschrieben:
Alle Elemente seien zunächst auf niedrige Temperatur (kleiner Abstand zur Umgebungstemperatur) geregelt.

Beginnend mit dem Element 1005 und dem diametral gegenüberliegenden Element wird rampen- oder sinusartig deren Solltemperatur angehoben.

In Ruhelage breitet sich die damit erzeugte Wärmeenergie in alle Richtungen aus und beeinflusst auch die im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn benachbarten Elemente.

In waagerechter Ruhelage werden diese benachbarten geregelten Elemente zu gleicher Zeit und in gleichem Umfang ihre eigene Betriebsleistung reduzieren. Setzt man einen Schwellwert für diese Reduzierung an den beiden benachbarten Elementen, wird dieser Schwellwert in diesem Fall gleichzeitig erreicht.

Ein Unterschreiten des Schwellwertes verursacht eine Richtungsumkehr der Sollwertvorgabe für Element 1005 und dem gegenüber liegenden, wodurch diese abkühlen. Dadurch wird den benachbarten Elementen wieder mehr Leistung abverlangt. Bei einem weiteren Schwellwert für Leistungszunahme erfolgt eine erneute Richtungsumkehr der Sollwertvorgabe.

In waagerechter Ruhelage stellt sich eine Grundfrequenz dieser Oszillation ein.

Bei Drehung der Anordnung wird eines der benachbarten Elemente früher als das andere ansprechen. Die Zeitdifferenz bzw. die Differenz der zugehörigen Frequenz zur Grundfrequenz ist ein Maß für die Drehrate.

Claims

Sensor zur Erfassung von Lage und/oder Bewegung im Raum mit einem abgeschlossenen Behältnis, das ein Fluid und wenigstens zwei Anregungs-Messelemente umschließt, die durch Stromfluss in ihrer Eigentemperatur verändert werden können und die gleichzeitig ein Signal für ihre Eigentemperatur in Form von Widerstandswert oder Spannung bereitstellen, dadurch gekennzeichnet, – dass die Anregungs-Messelemente eine von der Behältnis-Temperatur unterschiedliche Temperatur haben, – dass sich um die Anregungs-Messelemente herum Isothermenfelder befinden und – dass die Anregungs-Messelemente räumlich derart angeordnet sind, sich mit ihren Isothermenfeldern in einem vorgegebenen Temperaturbereich gegenseitig zu überlagern.
Sensor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Anregungs-Messelemente im Randbereich zur Behältnis-Wandung gemeinsame Isothermen haben, die vorzugsweise ganz oder großteils in Kreise um den räumlichen Mittelpunkt der Anregungs-Messelemente-Anordnung einbeschrieben werden können.
Sensor nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass jedes der wenigstens zwei Anregungs-Messelemente und/oder jede Gruppe (Hintereinanderschaltung, Parallelschaltung, Brückenschaltung) von Anregungs-Messelementen auf eine vorgegebene Temperatur elektronisch regelbar ist und dass ein Maß für die elektrische Leistungszufuhr zur Aufrechterhaltung der vorgegebenen Temperatur für jedes einzelne Anregungs-Messelement und/oder für Gruppen (Hintereinanderschaltung, Parallelschaltung, Brückenschaltung) von Anregungs-Messelementen abgegriffen werden kann.
Sensor nach Ansprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Leistungsbilanz, d. h. die Gesamt-Leistungsaufnahme und die Aufteilung der zugeführten Leistung zu den einzelnen Anregungs-Messelementen oder zu Gruppen von Anregungs-Messelementen als Maß dient für die auf das Behältnis einwirkende Bewegung, Lateral- und Vertikalbeschleunigung, Drehrate und Drehbeschleunigung, sowie für Messgrößen, die sich auf Beschleunigung zurückführen lassen (z. B. Lage zum Lot) und die von außen auf das Behältnis einwirken.
Sensor nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungs-Messelemente räumlich verteilt auf mindestens zwei Ebenen angeordnet sind und dass mindestens zwei der Anregungs-Messelemente eine von der Behältnis-Temperatur unterschiedliche Temperatur aufweisen.
Sensor nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass auch einzelne, mehrere oder alle Merkmale aus den Ansprüchen 1 bis 4 zutreffen.
Sensor nach Ansprüchen 5 und/oder 6 dadurch gekennzeichnet, dass eine Gruppe von vier Anregungs-Messelementen auf zwei Ebenen angeordnet ist, wobei zwei auf der unteren Ebene und zwei auf der oberen Ebene liegen und der Abstand der Anregungs-Messelemente in einer Ebene dem Abstand der Ebenen entspricht, so dass die Mittelpunkte der Querschnitte durch die Anregungs-Messelemente an den Ecken eines Quadrates liegen, um so beispielsweise eine Neigungsmessung in einer Achse über 360 Winkelgrade mit voller Genauigkeit zu ermöglichen.
Sensor nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass auf zwei Ebenen jeweils vier Anregungs-Messelemente angeordnet sind wie an den oberen und unteren Kanten eines Würfels, um so beispielsweise eine Neigungsmessung in zwei Achsen über jeweils 360 Winkelgrade mit voller Genauigkeit zu ermöglichen.
Sensor nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass vier Gruppen mit je vier Anregungs-Messelementen lt. Anspruch 6 äquidistant und jeweils um 90 Winkelgrade versetzt um einen Mittelpunkt herum angeordnet sind, um so beispielsweise Signale für Lage und Bewegung in sämtlichen Freiheitsgraden zu liefern, womit der Sensor Merkmale eines Inertial-Sensors aufweist.
Sensor nach Ansprüchen 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungs-Messelemente in einer Ebene kreisförmig oder in einem Polygonzug, der mehr als vier Elemente aufweist, um einen Mittelpunkt angeordnet sind und vorzugsweise zur Erfassung von Drehrate und Drehbeschleunigung ausgelegt sind.
Sensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungs-Messelemente in zwei Ebenen angeordnet sind und der Sensor Merkmale eines Inertial-Sensors aufweist.
Sensor nach Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass er nach einem Verfahren der Mikrosystemtechnik hergestellt ist und dass die Anregungs-Messelemente freitragend über einer Öffnung oder mehreren Öffnungen des Substrates oder der Substrate (Silizium-Wafer, SOI-Wafer etc.) angeordnet sind und dass auf dem Substrat thermisch gut leitend ein Referenz-Messelement oder mehrere Referenz-Elemente zur Temperaturerfassung des Substrates angeordnet sind.
Sensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass jedes einzelne Anregungs-Messelement zwei Anschlüsse zur Zuführung der elektrischen Leistung (z. B. 120) und weitere zwei separate Anschlüsse zum Abgreifen einer Spannung (z. B. 122) aufweist.
Sensor nach Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungs-Messelemente ausgewählt sind aus einer nachfolgend aufgelisteten Art: a) Anregungs-Messelemente aus einem Material, das durch Stromfluss seine Eigentemperatur verändern kann, als auch ein Maß für seine Eigentemperatur in Form des eigenen elektrischen Widerstandes, der eine reproduzierbare Temperaturabhängigkeit aufweist, bereitstellt: Dotiertes Halbleitermaterial, z. B. Silizium oder Polysilizium; Nichtdotiertes Halbleitermaterial, z. B. Silizium oder Polysilizium; Widerstandsschicht aus Metall, z. B. Aluminium, Nickel, Platin, Wolfram, (optional in Verbindung mit mechanischen Stützmaterialien wie Oxidmembranen, Oxidabdeckung etc.). b) Anregungs-Messelemente aus mehreren Materialien, wobei ein Material vorgesehen ist oder mehrere Materialien vorgesehen sind, durch Stromfluss die Temperatur des gesamten Anregungs-Messelementes zu verändern, ein weiteres Material oder weitere Materialien vorgesehen sind, ein Signal für die Eigentemperatur des Anregungs-Messelementes bereitzustellen und ein weiteres Material oder weitere Materialien zur elektrischen Isolation dient bzw. dienen: Widerstandsschicht aus Metall, z. B. NiCr, Konstantan, etc. als Anregungselement; Dotiertes oder nicht dotiertes Halbleitermaterial, z. B. Silizium oder Polysilizium, als Anregungselement; Schichtaufbau aus zwei unterschiedlichen Materialien als elektrisches Kühlelement mit üblichen Materialkombinationen (z. B. Peltier- oder Thomson-Element mit Metallen, dotierten Halbleitern, Wismut-Tellurid, Antimon-Tellurid, etc.); Schicht zur elektrischen Isolation, z. B. Oxidschicht; Widerstandsschicht aus Metall (z. B. Nickel etc.) oder aus dotiertem oder nicht dotiertem Halbleiter (z. B. Silizium oder Polysilizium) als Temperatur-Messelement; Schichtaufbau aus zwei unterschiedlichen Materialien als Temperatur-Messelement („Thermopile") mit üblichen Materialkombinationen (z. B. Metalle, dotierte oder nicht dotierte Halbleiter
Sensor nach Ansprüchen 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Anregungs-Messelemente unterschiedlicher Art aus den Listen von Anspruch 14 gemischt in einem Sensor angeordnet sind.
Verfahren zum Betrieb von Sensoren nach Ansprüchen 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass Anregungs-Messelemente oder -Gruppen auf einer Absoluttemperatur durch einen schnellen elektronischen Regelkreis mit hoher Regelkreisverstärkung über eine Nachregelung der Leistungszufuhr konstant gehalten werden.
Verfahren zum Betrieb von Sensoren nach Ansprüchen 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass Anregungs-Messelemente oder -Gruppen auf einer Differenztemperatur zur Temperatur des Behältnisses oder des Substrates durch einen schnellen elektronischen Regelkreis mit hoher Regelkreisverstärkung über eine Nachregelung der Leistungszufuhr konstant gehalten werden.
Verfahren zum Betrieb von Sensoren nach Ansprüchen 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass Anregungs-Messelemente oder -Gruppen auf einer Differenztemperatur zu anderen Anregungs-Messelementen oder -Gruppen durch einen schnellen elektronischen Regellkreis mit hoher Regelkreisverstärkung über eine Nachregelung der Leistungszufuhr konstant gehalten werden.
Verfahren nach Ansprüchen 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass alle Anregungs-Messelemente oder -Gruppen in einem Behältnis gleichen Sollwert für die Regeltemperatur haben.
Verfahren nach Ansprüchen 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass Anregungs-Messelemente oder -Gruppen in einem Behältnis unterschiedliche Sollwerte für die Regeltemperatur haben.
Verfahren nach Ansprüchen 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass dem Sollwert oder den Sollwerten von einem oder mehreren Anregungs-Messelementen oder -Gruppen periodische Schwankungen überlagert werden, beispielsweise in Form von Rampen- Rechteck- oder Sinus-Signalen.
Verfahren nach Ansprüchen 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass dem Sollwert von einem ersten Anregungs-Messelement oder den Sollwerten von mehreren Anregungs-Messelementen einer ersten Gruppe ein Anteil überlagert wird, der aus dem Signal eines zweiten Anregungs-Messelementes oder aus Signalen von mehreren Anvegungs-Messelementen einer zweiten Gruppe abgeleitet ist.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die abgeleiteten Signale in Form einer Rückkopplung den Sollwerten überlagert werden, so dass sich über die Isothermenkopplung eine Eigenschwingung einstellt.
Verfahren nach Ansprüchen 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass zur Auswertung Verfahren aus der DE 103 48 245.8-52 herangezogen werden.
Verfahren zum Betrieb von Sensoren nach Ansprüchen von 1 bis 15 und/oder Verfahren nach Ansprüchen 16 bis 24 mittels einer Schaltung, die folgende Merkmale aufweist: a) Jedes Anregungs-Messelement oder jede Gruppe von Anregungs-Messelementen verfügt über einen eigenen Regelkreis-Verstärker (z. B. 206, 207; Operationsverstärker, für hohe Regelgeschwindigkeit geeignet) b) Geregelt wird das Widerstandsverhältnis „Widerstand Anregungs-Messelement oder -Gruppe" (202, 203) zu „Vorwiderstand" (204, 205), wobei sich dieses Verhältnis in der Brücke mit „oberem Brückenwiderstand" (gebildet z. B. aus der Parallelschaltung 210, 211) und dem „unteren Brückenwiderstand" (215) entsprechend dem Verhältnis „unterer Brückenwiderstand" zu „oberem Brückenwiderstand" einstellt. c) Das (optional gemeinsame) Potential „A" entspricht dem Sollwert für die vorgesehene Regeltemperatur. Es wird dem Plus-Eingang des jeweiligen Regelkreis-Verstärkers zugeführt. Wenn ein einheitlicher Sollwert für mehrere Anregungs-Messelemente bzw. -Gruppen vorgesehen ist, ist das Potential „A" mit allen entsprechenden Plus-Eingängen verbunden. Am Punkt „A" kann auch ein Signal zur Erzeugung periodischer Schwankungen (nach Ansprüchen 21 bis 23) eingespeist werden.
Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der „untere Brückenwiderstand" (215) ersetzt ist durch eine Kombination aus einem temperaturabhängigen Referenzwiderstand (214), der thermisch leitend mit dem Sensorträgerkörper verbunden sein oder an anderer Stelle freitragend sein kann, und einen oder zwei Festwiderständen (212, 213) zur Einstellung eines gewünschten Temperatur-Koeffizienten dieser Kombination, so dass dadurch die Regelung einer Differenz-Temperatur zwischen Referenz-Temperatur und der Temperatur des Anregungs-Messelementes möglich wird.
Verfahren nach Ansprüchen 25 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass ein Glättungs-Kondensator (216) vom Punkt „A" zur Masse eingefügt ist.
Verfahren nach Ansprüchen 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Differenzbildung aus Regelsignalen (B, C) von zwei Anregungs-Messelementen oder -Gruppen ein Signal für Neigung (227) erzeugt wird.
Verfahren nach Ansprüchen 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Summenbildung aus Regelsignalen (B, C...) von zwei oder mehreren Anregungs-Messelementen oder -Gruppen ein Signal für Beschleunigung (228) erzeugt wird.
Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 25 für Sensoren mit „Thermopiles" als Messelement mittels einer Schaltung, die das Merkmal „a" aus Anspruch 25, sowie folgende weitere Merkmale aufweist: Die Solltemperatur wird vorgegeben durch eine Referenzspannung, die dem Signal der „Thermopiles" bei der vorgesehenen Regeltemperatur entspricht. Diese Spannung wird an den Plus-Eingang bzw. die Plus-Eingänge zweier oder mehrerer Regelverstärker angelegt. Ein Signal zur Erzeugung periodischer Schwankungen (nach Ansprüchen 21 bis 23) kann dieser Spannung überlagert sein.
Sensor nach Ansprüchen 1 bis 15 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei Anregungs-Messelementen (402, 403), die gemeinsame Isothermen haben und die auf gleiche Temperatur geregelt sind, mittig ein weiteres Anregungs-Messelement (404) angeordnet ist mit einer abweichenden Temperatur, so dass das Isothermenfeld zwischen den zwei Anregungs-Messelementen (402, 403) verformt wird, um aus der unterschiedlichen Änderung der Anregungs-Messelemente (402, 403) bei deren lateraler Beschleunigung die Richtung der Beschleunigung erkennen zu können.
Verfahren zum Betrieb von Sensoren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Anregungs-Messelement auf eine Temperatur geregelt wird mit einem Verfahren entsprechend den Ansprüchen 16 bis 27 und dass ein Signal aus diesem Regelkreis genutzt oder mit genutzt wird, um die Gesamtbeschleunigung der Anordnung zu bestimmen.
Sensor nach Ansprüchen 1 bis 15 dadurch gekennzeichnet, dass zwölf Anregungs-Messelemente spiegel- und rotationssymmetrisch in vier Dreiergruppen um einen Mittelpunkt angeordnet sind, wobei die Elemente innerhalb einer Gruppe vorzugsweise parallel und äquidistant sind.
Verfahren zum Betrieb von Sensoren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass alle Anregungs-Messelemente nach einem Verfahren nach Ansprüchen 19 und/oder 25 bis 27 auf gleiche Temperatur geregelt werden.
Verfahren zum Betrieb von Sensoren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne oder mehrere Anregungs-Messelemente oder -Gruppen nach einem der vor beschriebenen Verfahren auf unterschiedliche Temperatur geregelt werden, um aus dem Signalprofil vorzugsweise bei Rotation die Drehrichtung ableiten zu können.
Verfahren zum Betrieb von Sensoren nach Ansprüchen 1 bis 15 und nach Anspruch 35 dadurch gekennzeichnet, dass eine Regeltemperatur- Sollwertänderung für ein erstes Anregungs-Messelement durch eine Signaländerung eines zweiten, dem ersten benachbarten Anregungs-Messelement veranlasst wird, vorzugsweise nach Überschreitung eines vorbestimmten Schwellwertes der Signaländerung.
Verfahren nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass bei Sensoren mit einer kreis- oder polygonförmigen Anordnung der Anregungs-Messelemente die Signaländerung bei einem ersten Anregungs-Messelement eine Sollwerterhöhung bei einem zweiten, dem ersten vor gelagerten Anregungs-Messelement und eine Sollwertabsenkung bei einem dritten, dem ersten nach gelagerten Anregungs-Messelement (oder umgekehrt) bewirkt und damit eine umlaufende Wärmewelle zustande kommt und deren Frequenz bzw. Umlaufzeit ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, dass auf Kreis- oder Polygonzügen von Anregungs-Messelementen mit unterschiedlichem Radius, optional mit dazwischen angeordneter Trennwand, gegenläufige Wärmewellen erzeugt werden und/oder dass die Wärmewellen-Umlaufrichtung alternierend umgekehrt wird und dass die Differenz von Umlaufzeiten als Maß für die Drehung der Anordnung herangezogen wird.
Verfahren zum Betrieb von Sensoren nach Ansprüchen 1 bis 15, 31, 33, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Anregungs-Messelemente oder -Gruppen kurzzeitig auf einen höheren oder niedrigeren Sollwert oder nacheinander auf unterschiedliche Sollwerte geregelt werden und die Reaktion, d. h. die Signaländerung der benachbarten Elemente zu Selbsttestzwecken ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 39 dadurch gekennzeichnet, dass die Laufzeit einer Sollwertänderung von einem ersten Anregungs-Messelement bis zu einem bestimmten Schwellwert einer Signaländerung an einem zweiten benachbarten Anregungs-Messelement als Maß für den Befüllzustand des Behältnisses herangezogen wird.
Verfahren zur Herstellung von Sensoren nach Ansprüchen 5 bis 9 und 11 bis 15 mit folgenden Schritten: a) Ein erster Wafer (vorzugsweise SOI) mit einer Standartdicke (z. B. 601) wird als Träger der unteren Ebene von Anregungs-Messelementen (z. B. 602, 603) in bekannter Weise strukturiert. b) Ein zweiter Wafer (vorzugsweise SOI) mit einer Dicke, die beispielsweise dem Abstand der Anregungs-Messelemente (z. B. 602, 603) auf dem ersten Wafer entspricht (z. B. 604), wird als Träger der oberen Ebene von Anregungs-Messelementen (z. B. 605, 606) in bekannter Weise strukturiert. c) Der erste und der zweite Wafer werden aufeinander justiert und durch Anodic Bonding zusammengefügt. d) Optional wird ein weiterer Wafer mit einer Ausnehmung, die der Sensoranordnung plus der nötigen Abstände entspricht, in einer Anlage unter Anwesenheit des gewählten Füllmediums (Fluid) wiederum mittels Anodic Bonding hinzugefügt, wodurch der Sensor in ein dichtes Gehäuse (z. B. 609) zusammen mit dem Fluid eingeschlossen ist.
Sensor nach Ansprüchen 5 bis 9 und 11 bis 15 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei Anregungs-Messelemente in zwei Ebenen angeordnet sind, die im rechten Winkel zueinander stehen, wobei der Abstand zwischen dem ersten und zweiten und dem zweiten und dritten Element gleich ist, oder dass mindestens vier Anregungs-Messelemente in zwei Ebenen wie in den Ecken eines gedachten Quadrates oder wie an den Kanten eines Würfels angeordnet sind, um Selbsttest, Eichung und Nachjustierung der Signale für Neigungswinkel und Beschleunigung in alle Messrichtungen, für die der Sensor ausgelegt ist, mittels der Erdbeschleunigung zu ermöglichen.
Verfahren zum Betrieb von Sensoren nach Anspruch 42, insbesondere zur Eichung, zur Nachkalibrierung und zum Selbsttest derartiger Sensoren, optional unter Verwendung eines Microprozessors, mit folgenden Schritten: In waagerechter Null-Lage der Anordnung (rechter Winkel der Substratebenen zum Lot) muss bei gleichartigen, auf gleiche Temperatur geregelten Anregungs-Messelementen in der waagerechten Ebene die Leistungsaufteilung gleichmäßig sein, eventuelle Abweichungen durch Fertigungstoleranzen können auf Null abgeglichen oder im optionalen Microprozessor als Offset abgespeichert werden. Die Signale der gleichartigen, auf gleiche Temperatur geregelten und gleich beabstandeten Anregungs-Messelemente in der senkrechten Ebene müssen in dieser waagerechten Null-Lage der Anordnung eine Leistungsaufteilung zeigen, die der Erdbeschleunigung entspricht, womit das Ausgangsignal auf 1 g abgeglichen werden kann oder im optionalen Microprozessor als 1,000 g gespeichert wird. Nach Kippen der Anordnung um 90 Winkelgrade in einer Ebene können die vorher in der wagerechten Ebene auf Null (bzw. Offset) abgeglichenen Elemente nunmehr in der senkrechten Ebene auf Erdbeschleunigung abgeglichen bzw. dieser Wert abgespeichert werden, während die vorher senkrechte Ebene jetzt in der Waagerechten den Nullpunktabgleich erfährt. Bei Sensoren, die genügend Anregungs-Messelemente z. B. in Würfel-Anordnung besitzen, kann die Anordnung noch um 90 Winkelgrade in die nächste Ebene gekippt und obige Prozeduren durchgeführt werden. Zur Erhöhung der Genauigkeit kann es zweckmäßig sein, die Prozedur in gleicher oder umgekehrter Reihenfolge zu wiederholen oder für eine Nachkalibrierung einzusetzen. Ein Selbsttest bzw. eine automatische Nachkalibrierung kann bewerkstelligt werden, wenn beispielsweise die waagerechte Ebene gleiche Leistungsaufteilung und damit Null-Lage anzeigt, wenn gleichzeitig die Gesamtleistungszufuhr unverändert bleibt, also keine Beschleunigung außer der Erdbeschleunigung einwirkt, indem man das resultierende Signal aus der senkrechten Ebene als 1 g erkennt und ggf. nach kalibriert.
Sensor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei Anregungs-Messelemente (702, 703, 704) in einer Ebene angeordnet sind und dass diese wie folgt aufgebaut sind: Auf einem Steg, der temperaturabhängiges leitendes Material enthält und als Temperatursensor dient, sind elektrisch isoliert in zwei Teilbereichen längs des Steges an dessen Rändern zwei Reihen von kaskadierten Kontaktstellen aus zwei aufeinander geschichteten unterschiedlichen Materialien, vorzugsweise übliche Materialien, um ein Peltier-Element zu bilden, angeordnet. Die beiden Reihen von z. B. Peltier-Elementen sind voneinander ebenfalls elektrisch isoliert, thermisch jedoch gut miteinander und mit dem Temperatursensor verbunden. Die Materialien der Kontaktstellen sind als Brücken herausgeführt zum Substrat (701) bzw. weitergeführt zum mittleren Anregungs-Messelement (703). Die beiden äußeren Anregungs-Messelemente (702, 704) verfügen über je zwei Anschlüsse für den Temperatursensor, je zwei Anschlüsse für die äußere Peltier-Reihe und je zwei Kontaktstellen für die innere Peltier-Reihe. Das mittlere Anregungs-Messelement besitzt Anschlüsse für den Temperatursensor.
Verfahren zum Betrieb von Sensoren nach Anspruch 44, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden äußeren Peltier-Reihen versorgt werden mit je einem Strom z. B. positiver Stromrichtung, die beiden inneren Peltier-Reihen mit je einem Strom z. B. negativer Stromrichtung oder umgekehrt und dass je nach Stromrichtung damit die äußeren Anregungs-Messelemente gegenüber der Substrattemperatur gekühlt oder erwärmt werden, während das innere Anregungs-Messelement gegenläufig erwärmt oder gekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 45, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungs-Messelemente nach einem der vor beschriebenen Verfahren auf konstante Temperatur geregelt werden, wobei vorzugsweise eine Regelung der Differenz zur Substrattemperatur angewendet wird und die Solltemperaturen für die äußeren Elemente gleichen Betrag und gleiches Vorzeichen, die Solltemperatur für das innere Element gleichen Betrag und umgekehrtes Vorzeichen haben und dass optional die Vorzeichen zyklisch umgekehrt werden.
Sensor nach Ansprüchen 5 bis 9 und 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass auf der ersten unteren Ebene Anregungs-Messelemente mit Kühlwirkung gegenüber der Substrattemperatur, auf der zweiten oberen Ebene Anregungs-Messelemente mit Heizwirkung gegenüber der Substrattemperatur angeordnet sind, wobei optional die Zuordnung zu den Ebenen generell oder zyklisch getauscht werden kann.
Verfahren zum Betrieb von Sensoren nach Anspruch 47, dadurch gekennzeichnet, dass ein vor beschriebenes Verfahren zur Regelung der einzelnen Anregungs-Messelemente oder -Gruppen eingesetzt wird, wobei die Sollwerte vorzugsweise so gewählt sind, dass die Isothermen (z. B. in Kelvin-Schritten) von Heiz- und Kühlelementen gleiche oder annähernd gleiche Abstände haben und dass symmetrische Isothermenfelder um eine Symmetrieebene zwischen den Element-Ebenen und um die Substrattemperatur herum ausgebildet werden.
Sensor nach Ansprüchen 5 bis 9 und 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass Anregungs-Messelemente in einer ersten Ebene (1002) und einer zweiten Ebene (1005) und auf einem ersten Radius (1006) und einem zweiten Radius (1005) kreis- oder polygonförmig um eine Mittelachse angeordnet sind und dass optional die Elemente auf beiden Ebenen auf dem ersten Radius Heizwirkung und auf dem zweiten Radius Kühlwirkung haben oder umgekehrt.
Sensor nach Anspruch 49, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Radien ein freitragender Trennring angeordnet ist, dessen Höhe sich von der ersten zur zweiten Ebene erstreckt.
Verfahren zum Betrieb von Sensoren nach Ansprüchen 49 und 50, dadurch gekennzeichnet, dass ein vor beschriebenes Verfahren zur Regelung der einzelnen Anregungs-Messelemente oder -Gruppen eingesetzt wird, wobei die Sollwerte vorzugsweise so gewählt bzw. gestaffelt sind, dass eine Konvektionswalze um die Elemente des inneren Radius und die benachbarten Elemente des äußeren Radius zustande kommt, wobei optional die Staffelung der Sollwerte für eine möglichst hohe Strömungsgeschwindigkeit der Konvektionsströmung gewählt ist.
Sensor nach Ansprüchen 1 bis 15, 31, 33 42, 44, 47, 49, 50, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anregungs-Messelement eingesetzt oder mit eingesetzt wird mit folgenden Merkmalen: Ein Widerstands-Anregungs-Messelement für Heizzwecke (Detail 10c) besteht aus mehreren einzelnen Stegen, um eine möglichst große Oberfläche für den Wärmeaustausch zu erhalten, wobei je nach Grundmaterial die einzelnen Stege oder Gruppen von Stegen in unterschiedlicher Weise zusammengeschaltet sein können, um einen gewünschten Gesamtwiderstand zu erreichen a) Parallelschaltung von Stegen (1006) b) Hintereinanderschaltung von Stegen c) Hintereinanderschaltung von Gruppen mit parallel geschalteten Stegen (1005 in Reihe mit 1009) d) Brückenschaltung von zwei hintereinander geschalteten Stegen oder Gruppen lt. c).