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Die vorliegende Erfindung betrifft einen MEMS-Sensor mit einem Stromungskanal zu Führen eines Mediums. MEMS-Sensoren, also Sensoren, die Mikro-Elektro-Mechanischen-Systeme aufweisen, ermöglichen die Untersuchung von Eigenschaften eines Mediums, wie beispielsweise der Dichte oder der Viskosität an Kleinstmengen des Mediums. So lassen sich Fluidkanäle mit Durchmessern von weniger als 200 µm realisieren, wobei eine Freie Schwingungslänge eines Messrohrs eines vibronischen Dichtemessers nur einige Millimeter bis etwa einen Zentimeter beträgt.
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Beispielsweise für eine Viskositätsmessung ist ein vom Volumenfluss abhängiger Druckabfall über einem Wirkdruckgeber zu ermitteln. Dies setzt bis anhin einen Wirkdruckgeber und zwei Drucksensoren bzw. einen Differenzdrucksensor voraus, um den Druckabfall über dem Wirkdruckgeber zu messen. Weiterhin besteht bei MEMS-Sensoren das Risiko, dass medienführende Leitungen durch Partikel verblocken. Es ist daher erforderlich, die Reinheit der Medien beispielsweise durch Filter zu gewährleisten. Diese Filter sind zu überwachen, um zu gewährleisten, dass sie einerseits keine zu großen Durchgänge aufweisen und andererseits nicht gesättigt sind. Auch zur Filterüberwachung werden Differenzdrucksensoren eingesetzt, wobei der Filter den Wirkdruckgeber zwischen den zwei Druckabgriffen des Differenzdrucksensors bildet. Durch zusätzliche Drucksensoren bzw. Druckabgriffpunkte nehmen das eingeschlossene Gesamtvolumen, welches mit dem Medium zu füllen ist, sowie Komplexität der Vorrichtung zu. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, hier Abhilfe zu schaffen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch den MEMS-Sensor gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1.
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Der erfindungsgemäße MEMS-Sensor umfasst:
mindestens einen Strömungskanal zum Führen eines Mediums,
eine Barriereanordnung mit mindestens einem elastischen Verformungskörper;
wobei der mindestens eine Verformungskörper mindestens eine durchströmbare Öffnung aufweist, die dazu eingerichtet ist, bei einer Durchströmung einen Druckabfall zu bewirken, wobei der Verformungskörper dazu eingerichtet ist, durch den Druckabfall eine Auslenkung zu erfahren; und
einen Wandler zum Wandeln der Auslenkung des Verformungskörpers in ein elektrisches Signal,
wobei die Barriereanordnung in dem Strömungskanal angeordnet ist, um von einem in dem Strömungskanal strömenden Medium durchströmt zu werden.
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In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der Verformungskörper eine Membran.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist die mindestens eine durchströmbare Öffnung eine zentrale Öffnung der Membran auf.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Wandler Widerstandselemente auf, welche die Membran trägt.
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In einer Weiterbildung der Erfindung umfassen die Widerstandselemente piezoresistive Widerstandselemente, die in einer Vollbrückenschaltung angeordnet sind.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist die zentrale Öffnung einen Durchmesser von nicht weniger als 20 µm, insbesondere nicht weniger als 40 µm und bevorzugt nicht weniger als 80 µm auf.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist die zentrale Öffnung einen Durchmesser von nicht mehr als 1 mm, insbesondere nicht mehr als 500 µm und bevorzugt nicht mehr als 250 µm auf.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist der Sensor als Durchflusssensor zum Ermitteln des Durchflusses eines Mediums durch die mindestens eine Öffnung ausgebildet.
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In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der mindestens eine Verformungskörper eine Membran, welche eine Vielzahl von durchströmbaren Öffnungen aufweist, die einen porösen, zentralen Abschnitt der Membran bilden, wobei der Wandler Widerstandselemente aufweist, welche die Membran trägt.
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In einer Weiterbildung der Erfindung umfassen die Widerstandselemente piezoresistive Widerstandselemente, die insbesondere in einer Vollbrückenschaltung angeordnet sind.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist der poröse Abschnitt eine mittlere Porengröße von nicht weniger als 0,1 µm, insbesondere nicht weniger als 1 µm und bevorzugt nicht weniger als 5 µm auf, wobei der poröse Abschnitt eine mittlere Porengröße von nicht mehr als 20 µm, insbesondere nicht mehr als 10 µm aufweist.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Barriereanordnung mehrere im Strömungskanal parallel angeordnete Verformungskörper auf.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Barriereanordnung mehrere im Strömungskanal in Reihe angeordnete Verformungskörper auf
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Eine Reihenanordnung ist besonders zur Zustandsüberwachung geeignet, da bei unveränderten Betriebsbedingungen eine Korrelation zwischen den druckabhängigen Verformungen der Einzelnen Verformungskörper gegeben ist. Veränderungen dieser Korrelation sind ein Indiz für eine Verblockung, eines Lecks oder einer anderen Störung.
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In einer Weiterbildung der Erfindung sind die Barriereanordnung und der Strömungskanal in einem Waferverband gebildet.
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In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der MEMS-Sensor weiterhin eine Betriebs- und Auswerteschaltung zum Erfassen von Signalen des mindestens einen Wandlers, anhand welcher eine durchflussabhängige Verformung des Verformungskörpers bestimmbar ist.
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In einer Weiterbildung der Erfindung umfassst die Barriereanordnung mindestens zwei Verformungskörper mit jeweils mindestens einem Wandler, wobei die Betriebs- und Auswerteschaltung dazu eingerichtet ist, die Signale mehrerer Wandlers zu erfassen, und Korrelationen zwischen den Signalen mindestens zweier Wandler zu überwachen.
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Die Erfindung wird nun anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbespiele näher erläutert. Es zeigt:
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1: einen schematischen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2: einen schematischen Längsschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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3: einen schematischen Längsschnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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4: einen schematischen Längsschnitt durch ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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5: einen schematischen Längsschnitt durch ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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6: einen schematischen Längsschnitt durch ein sechstes Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
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7: einen schematischen Längsschnitt durch ein siebtes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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Die Aufgabe wird gelöst durch den MEMS-Sensor gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1.
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Die in 1 bis 6 dargestellten Ausführungsbeipiele eines erfindungsgemäßen MEMS-Sensors weisen jeweils eine Barriereanordnung auf, die insbesondere in einem Si-Wafer präpariert ist, wobei Waferebene senkrecht zur Flussrichtung eines Strömungskanals verläuft, in den die Barriereanordnung nach der Vereinzelung eingesetzt ist. 7 zeigt dagegen ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Barrieareanordnung und der Strömungskanal im Waferverband gefertigt sind, wobei hier die Flussrichtung im Strömungskanal im wesentlichen parallel zur Waferebene verläuft. Selbstverständlich sind die Prinzipien der Ausführungsbeispiele gemäß 1 bis 6 auch im Waferverband anzuwenden.
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Das in 1 dargestellte erste Ausführungsbeispiel 100 eines MEMS-Sensors umfasst einen Strömungskanal mit einem ersten Kanalbabschnitt 110a und einem zweiten Kanalabschnitt 110b, welche beispielsweise Kapillarrohre aus Borosilikatglas oder Si-Kapillaren umfassen. Zwischen dem ersten Kanalabschnitt 110a und dem zweiten Kanalabschnitt 110b ist eine Barriereanordnung 120 angeordnet, die einen Halbleiterwerkstoff, insbesondere Silizium aufweist, und die druckdicht mit beiden Kanalabschnitten verbunden ist. Beispielsweise durch anodisches Bonden oder eutektisches Bonden (Au/Si, Au/Sb). Gleichermaßen kann die Barriereanordnung 120 zwischen den Kanalabschnitten 110a, 110b, axial eingespannt sein, wobei in diesem Fall auf beiden Seiten der Barriereanordnung 120 zwischen der Barriereanordnung und dem Kanalabschnitt ein insbesondere elastischer Dichtring (hier nicht dargestellt) vorzusehen ist. Die Barriereanordnung 120 umfasst einen membranartigen Verformungskörper 122, der durch anisotropes Ätzen im Si Wafer präpariert ist, wie an Ätzflanken 124a, 124b erkennbar ist. Selbstverständlich kann der membranartige Verformungskörper auch mit DRIE präpariert werden. Der membranartige Verformungskörper 122 weist im Zentrum eine Öffnung 126 mit einem Durchmesser von beispielsweise 100 µm bis 300 µm auf, durch welche ein Medium vom ersten Kanalabschnitt 110a zum zweiten Kanalabschnitt 110b strömt. Die Öffnung 126 ist beispielsweise durch Ätzen oder Ultraschallbohren präpariert. Der membranartige Verformungskörper umfasst weiterhin piezoresistive Widerstandselemente insbesondere in Vollbrückenschaltung, um ein Signal bereitzustellen, welches von der durch den Volumenstrom des Mediums bewirkten Verformung des membranartigen Verformungskörpers abhängt.
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Soweit nicht anders beschrieben, erfolgt die Präparation der folgenden Ausführungsbeispiel wie beim ersten Ausführungsbeispiel.
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Das in 2 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel 200 eines MEMS-Sensors umfasst einen Strömungskanal mit einem ersten Kanalbabschnitt 210a und einem zweiten Kanalabschnitt 210b, welche beispielsweise Kapillarrohre aus Borosilikatglas oder Si-Kapillaren umfassen. Zwischen dem ersten Kanalabschnitt 210a und dem zweiten Kanalabschnitt 210b ist eine Barriereanordnung 220 angeordnet, die einen Halbleiterwerkstoff, insbesondere Silizium aufweist, und die druckdicht mit beiden Kanalabschnitten verbunden ist. Die Barriereanordnung 220 umfasst einen membranartigen Verformungskörper 222, Der membranartige Verformungskörper 122 weist im Zentrum einen geätzten, offenporigen Bereich 226 mit einem Durchmesser von beispielsweise 100 µm bis 500 µm auf, wobei der maximale Porendurchmesser beispielsweise 10 µm beträgt durch welche ein Medium vom ersten Kanalabschnitt 210a zum zweiten Kanalabschnitt 210b strömt. Der membranartige Verformungskörper umfasst weiterhin piezoresistive Widerstandselemente insbesondere in Vollbrückenschaltung, um ein Signal bereitzustellen, welches von der durch den Volumenstrom des Mediums bewirkten Verformung des membranartigen Verformungskörpers abhängt. Dieses Ausführungsbeispiel kann einerseits als Durchflussmesser für niederviskose Medien dienen, andererseits ist es als Filter geeignet um Partikel mit einer Größe, die die maximale Porengröße übersteigen, zuverlässig zurückzuhalten, wobei das Signal der Brückenschaltung zur Zustandsüberwachung dient. Wenn bei bekanntem Volumenstrom die Verformung – also der Druckabfall über dem Verformungskörper – zunimmt, dann zeigt dies eine zunehmende Verstopfung des als Filter dienenden offenporigen Bereichs 226 an. Wenn dagegen die Verformung bei bekanntem Volumenstrom zu niedrig ist, so kann das entsprechende Signal der Brückenschaltung als Hinweis auf ein Leck gedeutet werden.
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Das in 3 dargestellte dritte Ausführungsbeispiel 300 eines MEMS-Sensors umfasst einen Strömungskanal mit einem ersten Kanalbabschnitt 310a und einem zweiten Kanalabschnitt 310b, welche beispielsweise Kapillarrohre aus Borosilikatglas oder Si-Kapillaren umfassen. Zwischen dem ersten Kanalabschnitt 310a und dem zweiten Kanalabschnitt 310b ist eine Barriereanordnung 320 angeordnet, die einen Halbleiterwerkstoff, insbesondere Silizium aufweist, und die druckdicht mit beiden Kanalabschnitten verbunden ist. Die Barriereanordnung 220 umfasst hier zwei membranartige Verformungskörper 322-1, 322-2, die jeweils im Zentrum eine Öffnung 326-1, 326-2 mit einem Durchmesser von beispielsweise 100 µm bis 300 µm aufweisen, durch welche ein Medium vom ersten Kanalabschnitt 310a zum zweiten Kanalabschnitt 310b strömt. Die membranartigen Verformungskörper umfassen weiterhin jeweils piezoresistive Widerstandselemente insbesondere in Vollbrückenschaltung, um ein Signal bereitzustellen, welches von der durch den Volumenstrom des Mediums bewirkten Verformung des membranartigen Verformungskörpers abhängt. Insofern, als hier die beiden Öffnungen strömungstechnisch parallel geschaltet sind, wird an beiden Öffnungen im wesentlichen der gleiche Druck abfallen. Signalabweichungen zwischen den Messbrücken der beiden Verformungskörper sind damit ein Indiz für Fehler im der elektrischen Signalpfad.
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Das in 4 dargestellte vierte Ausführungsbeispiel 400 eines MEMS-Sensors umfasst einen Strömungskanal mit einem ersten Kanalbabschnitt 410a und einem zweiten Kanalabschnitt 410b, welche beispielsweise Kapillarrohre aus Borosilikatglas oder Si-Kapillaren umfassen. Zwischen dem ersten Kanalabschnitt 410a und dem zweiten Kanalabschnitt 410b ist eine Barriereanordnungen mit zwei Teilanordnungen 420-1, 420-2 strömungstechnisch in Reihe angeordnet, die einen Halbleiterwerkstoff, insbesondere Silizium aufweisen, und die druckdicht miteinander und mit beiden Kanalabschnitten verbunden ist. Die Teilanordnungen 420-1, 420-2 umfassen jeweils einen membranartigen Verformungskörper 422-1, 422-2. Die membranartige Verformungskörper 422-1, 422-2 weisen jeweils im Zentrum einen geätzten, offenporigen Bereich 426-1, 426-2 mit einem Durchmesser von beispielsweise 100 µm bis 500 µm auf. Durch die offenporigen Bereiche 426-1, 426-2 strömt ein Medium vom ersten Kanalabschnitt 410a zum zweiten Kanalabschnitt 410b strömt. Die membranartigen Verformungskörper 422-1, 422-2. umfassen weiterhin piezoresistive Widerstandselemente insbesondere in Vollbrückenschaltung, um ein Signal bereitzustellen, welches von der durch den Volumenstrom des Mediums bewirkten Verformung des jeweiligen membranartigen Verformungskörpers abhängt 422-1, 422-2. Dieses Ausführungsbeispiel kann insbesondere als sich selbst überwachende Filterkaskade eingesetzt werden, wobei die Zahl der Teilanordnungen beliebig erhöht werden kann. Die maximalen Porengrößen können in allen offenporigen Bereichen gleich sein oder in Strömungsrichtung von Teilanordnung zu Teilanordnung abnehmen. Die Signale der Brückenschaltungen dienen zur Zustandsüberwachung. Wenn sich die Korrelation zwischen den Signalen mit der Zeit verändert, ist dies indiziell für eine Veränderung des Strömungswiderstands eines offenporigen Bereichs 426-1, 426-2, sei es durch Leckage oder Verstopfung.
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Das in 5 dargestellte fünfte Ausführungsbeispiel 500 eines MEMS-Sensors umfasst einen Strömungskanal mit einem ersten Kanalbabschnitt 510a und einem zweiten Kanalabschnitt 510b, welche beispielsweise Kapillarrohre aus Borosilikatglas oder Si-Kapillaren umfassen. Zwischen dem ersten Kanalabschnitt 510a und dem zweiten Kanalabschnitt 510b ist eine Barriereanordnung mit zwei Teilanordnungen 520-1, 520-2 angeordnet, die jeweils strömungstechnisch parallel geschaltete membranartige Verformungskörper 522-1, 522-2, 522-3, 522-4 mit jeweils einer zentralen Öffnung 526-1, 526-2, 526-3, 526-4 mit einem Durchmesser von beispielsweise 100 µm bis 300 µm aufweisen, durch welche ein Medium vom ersten Kanalabschnitt 310a zum zweiten Kanalabschnitt 310b strömt. Die membranartigen Verformungskörper 522-1, 522-2, 522-3, 522-4 umfassen weiterhin jeweils piezoresistive Widerstandselemente insbesondere in Vollbrückenschaltung, um ein Signal bereitzustellen, welches von der durch den Volumenstrom des Mediums bewirkten Verformung des membranartigen Verformungskörpers abhängt. Zwischen den Teilanordnungen 520-1, 520-2 ist ein dritter Kanalabschnitt 510-c angeordnet, welcher die Teilanordnungen in der Weise beabstandet, dass jede Teilanordnung für sich wie eine Parallelschaltung von Strömungswiderständen wirkt, wobei die Teilanordnungen strömungstechnisch insgesamt in Reihe geschaltet sind. Im Ergebnis bedeutet dies dass hier die Korrelation der Gesamtströmungswiderstände der beiden Teilanordnungen zu vergleichen ist, wenn diese Anordnung zur Überwachung eindgesetzt werden soll. Selbstverständlich ist dieses Ausführungsbeispiel zur redundanten Durchflussmessung geeignet.
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Das in 6 dargestellte sechste Ausführungsbeispiel 600 eines MEMS-Sensors umfasst einen Strömungskanal mit einem ersten Kanalbabschnitt 610a und einem zweiten Kanalabschnitt 610b, welche beispielsweise Kapillarrohre aus Borosilikatglas oder Si-Kapillaren umfassen. Zwischen dem ersten Kanalabschnitt 610a und dem zweiten Kanalabschnitt 610b ist eine Barriereanordnung mit zwei Teilanordnungen 620-1, 620-2 angeordnet, die jeweils membranartige Verformungskörper 622-1, 622-2, 622-3, 622-4 mit jeweils einer zentralen Öffnung 626-1, 626-2, 626-3, 626-4 mit einem Durchmesser von beispielsweise 100 µm bis 300 µm aufweisen, durch welche ein Medium vom ersten Kanalabschnitt 310a zum zweiten Kanalabschnitt 310b strömt. Die membranartigen Verformungskörper 622-1, 622-2, 622-3, 622-4 umfassen weiterhin jeweils piezoresistive Widerstandselemente insbesondere in Vollbrückenschaltung, um ein Signal bereitzustellen, welches von der durch den Volumenstrom des Mediums bewirkten Verformung des membranartigen Verformungskörpers abhängt. Im Unterschied zum fünften Ausführungsbeispiel sind hier die Teilanordnungen 620-1, 620-2 fluiddicht miteinander verbunden, so dass eine erste Öffnung 626-1 eines ersten Verformungskörpers der ersten Teilanordnung ausschließlich mit einer dritten Öffnung 626-3 eines dritten Verformungskörpers der zweiten Teilanordnung strömungstechnisch in Reihe geschaltet ist, und dass eine zweite Öffnung 626-2 eines zweiten Verformungskörpers der ersten Teilanordnung ausschließlich mit einer vierten Öffnung 626-4 eines vierten Verformungskörpers der zweiten Teilanordnung strömungstechnisch in Reihe geschaltet ist, Die beiden Reihenschaltungen sind dann insgesamt wieder strömungstechnisch parallel zueinander geschaltet. Die Verformungen des ersten Verformungskörpers und des dritten Verformungskörpers sind daher streng korreliert, ebenso wie die Verformungen des zweiten Verformungskörpers und des vierten Verformungskörpers. Weiterhin sollte der Druckabfall über den beiden parallelen Reihenschaltungen gleich sein. Damit sind die Möglichkeit zur überwachten Druckmessung mit diesem Ausführungsbeispiel gegeben. Wenn anstelle der Öffnungen offenporige Bereiche vorgesehen werden, kann damit auch eine überwachte Filteranordnung realisiert werden.
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Das in 7 dargestellte siebte Ausführungsbeispiel 700 eines MEMS-Sensors zeigt einen im Waferverband hergestellten Sensor. Er umfasst zwei Kanalwafer 710a, 710b, zwischen denen ein Barrierewafer 720 angeordnet ist.
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In den Kanalwafern 710a, 710b sind Kanalabschnitte 712a-1, 712a-2 712b-1, 712b-2 präpariert sind, welche mit Öffnungen in dem Barrierewafer 720 fluchten.
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Der Barrierewafer 720 umfasst geätzte Verformungskörper 722-1, 722-2, 722-3, mit Öffnungen 726-1, 726-2, 726-3, die mittels der Kanalabschnitte 712a-1, 712a-2 712b-1, 712b-2 strömungstechnisch in Reihe geschaltet sind. Die Öffnungen können Filteröffnungen beispielsweise mit einem Durchmesser kleiner 20 µm und/oder Blendenöffnungen mit einem Durchmesser von 100 bis beispielsweise 500 µm sein, wobei bei einem Verformungskörper nur ein Öffnungstyp vorkommen sollte. Die membranartigen Verformungskörper 722-1, 722-2, 722-3. umfassen weiterhin piezoresistive Widerstandselemente insbesondere in Vollbrückenschaltung, um ein Signal bereitzustellen, welches von der durch den Volumenstrom des Mediums bewirkten Verformung des jeweiligen membranartigen Verformungskörpers abhängt. Aufgrund der strömungstechnischen Reihenschaltung der Öffnungen, sollten die Signale der Brückenschaltungen streng korreliert sein.
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Der Barrierewafer 720 umfasst insbesondere Silizium wähnend die Kanalwafer 710a, 710b beispielsweise Keramik, Glas oder Si aufweisen können. Die Fügeverfahren sind entsprechend zu wählen.
