DE202021103781U1

DE202021103781U1 - Thermischer Strömungssensor

Info

Publication number: DE202021103781U1
Application number: DE202021103781.4U
Authority: DE
Original assignee: Sensirion AG
Current assignee: Sensirion AG
Priority date: 2021-07-14
Filing date: 2021-07-14
Publication date: 2021-07-23
Anticipated expiration: 2031-07-15

Abstract

Thermischer Strömungssensor, aufweisend:
ein Heizelement (20);
einen Temperatursensor (30); und
eine Auswerteelektronik (40), die dazu ausgebildet ist, das Heizelement (20) derart anzusteuern, dass es einen Heizpuls (P) erzeugt, eine Antwort des Temperatursensors (30) auf den Heizpuls (P) auszulesen und darauf basierend einen Strömungsindikator, der mit einer Strömungsgeschwindigkeit eines den Strömungssensor überstreichenden Fluids (F) korreliert, zu bestimmen,
dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (20) und der Temperatursensor (30) als integrierte Halbleiterschaltkreise in CMOS-Technologie auf einem Halbleitersubstrat (10) ausgebildet sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft einen thermischen Strömungssensor gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
STAND DER TECHNIK
Thermische Strömungssensoren nutzen aus, dass ein strömendes Fluid mehr Wärme von einer Wärmequelle weg transportiert als ein ruhendes Fluid. Aus dem Stand der Technik sind verschiedenste Bauformen von thermischen Strömungssensoren bekannt.
Beispielsweise offenbart US4848147A einen Strömungssensor mit einer Thermoelementsonde. Die Thermoelementsonde befindet sich im Strömungsweg eines Fluids. Sie wird mit einem Spannungspuls aufgeheizt. Nach dem Ende des Spannungspulses wird mit der Thermoelementsonde die Temperatur als Funktion der Zeit gemessen. Die Thermoelementsonde kühlt allmählich ab, wobei der Temperaturverlauf einer Exponentialfunktion folgt. Die Zeitkonstante dieser Exponentialfunktion hängt von der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids ab. Durch Messung der Zeitkonstanten wird auf die Strömungsgeschwindigkeit geschlossen. Ein Strömungssensor mit einer Thermoelementsonde beansprucht relativ viel Platz. Er umfasst zudem relativ viele diskrete Bauelemente, was seine Herstellung aufwändig und teuer macht.
Es sind auch thermische Strömungssensoren bekannt, die zwei nahe beieinander angeordnete Dünnschichtwiderstände aus Platin auf einem keramischen Substrat umfassen. Einer der Widerstände wird mit Strom beaufschlagt, um Wärme zu erzeugen. Der resultierende Widerstandswert des anderen Widerstands hängt dann von der Strömungsgeschwindigkeit ab. Auch solche Strömungssensoren sind in der Herstellung relativ aufwändig und entsprechend teuer.
WO0037895A1 offenbart eine weitere Bauform eines Strömungssensors. Ein Heizelement ist auf einer dünnen Membran zwischen zwei Temperatursensoren angeordnet. Das Heizelement erwärmt ein die Membran überstreichendes Fluid. Aus der resultierenden Temperaturdifferenz der beidseitig angeordneten Temperatursensoren wird eine Massenflussrate des Fluids ermittelt. Als Heizer dient bei dieser Bauform ein Widerstandselement, und als Temperatursensoren dienen Thermosäulen. Ein solcher Massenflusssensor kann zwar sehr kompakt ausgebildet werden und ermöglicht eine genaue Bestimmung der Massenflussrate, ist aber wiederum relativ aufwändig in der Herstellung.
In manchen Anwendungen genügt es, eine Aussage darüber treffen zu können, ob überhaupt eine Strömung vorhanden ist, oder die Strömungsgeschwindigkeit grob abzuschätzen. Eine genaue Messung der Strömungsgeschwindigkeit oder der Massenflussrate ist dabei nicht unbedingt erforderlich. Ein Anwendungsbeispiel ist die Erkennung von Verstopfungen in HLK-Anlagen (HLK = Heizung, Lüftung, Klima), wo es unter Umständen genügt, einen Warnindikator auszugeben, wenn die Strömungsgeschwindigkeit ein vorgegebenes Minimum unterschreitet. Die Strömungssensoren des Standes der Technik sind für solche einfachen Anwendungen häufig zu komplex und teuer. Es besteht daher ein Bedarf für einen Strömungssensor, der sich mit geringem Aufwand in grossen Stückzahlen realisieren lässt.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen thermischen Strömungssensor anzugeben, der besonders einfach und kostengünstig hergestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch einen thermischen Strömungssensor nach Anspruch 1 gelöst. Weitere Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Es wird also ein thermischer Strömungssensor angegeben, welcher aufweist:

ein Heizelement;
einen Temperatursensor; und
eine Auswerteelektronik, die dazu ausgebildet ist, das Heizelement derart anzusteuern, dass es einen Heizpuls erzeugt, eine Antwort des Temperatursensors auf den Heizpuls auszulesen und darauf basierend einen Strömungsindikator, der mit einer Strömungsgeschwindigkeit eines den Strömungssensor überstreichenden Fluids korreliert, zu bestimmen,
wobei das Heizelement und der Temperatursensor als integrierte Halbleiterschaltkreise in CMOS-Technologie auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet sind.

Indem sowohl das Heizelement als auch der Temperatursensor als integrierte Halbleiterschaltkreise in CMOS-Technologie auf einem Halbleitersubstrat (insbesondere auf einem Siliziumchip) ausgebildet sind, resultiert ein thermischer Strömungssensor, der sich sehr einfach und kostengünstig in grosser Stückzahl fertigen lässt. Anders als bei vielen Strömungssensoren aus dem Stand der Technik sind keine komplexen Fertigungsschritte erforderlich.
Um die Fertigung möglichst einfach zu halten, sind sowohl das Heizelement als auch der Temperatursensor vorzugsweise auf dem „Bulk“ des Halbleitersubstrats angeordnet. Insbesondere wird bei der Fertigung das Halbleitersubstrat im Bereich des Heizelements und des Temperatursensors vorzugsweise nicht durch Ätzen entfernt oder in seiner Dicke reduziert. Das Heizelement und der Temperatursensor befinden sich also vorzugsweise nicht auf einer Membran verringerter Dicke. Überraschend hat sich gezeigt, dass dennoch eine ausreichende Messgenauigkeit erzielt werden kann. Somit resultiert ein Durchflusssensor, der extrem kostengünstig gefertigt werden kann und dennoch eine ausreichende Messgenauigkeit erreicht.
Das Heizelement kann insbesondere eine Mehrzahl von Feldeffekttransistoren, insbesondere MOSFETs, umfassen. Die Source-Drain-Strecken der Feldeffekttransistoren können insbesondere parallel geschaltet sein. Die Auswerteelektronik kann dann dazu ausgebildet sein, die Feldeffekttransistoren derart anzusteuern, dass sie die Heizleistung erzeugen. Auf diese Weise lässt sich sehr einfach eine steuerbare Heizleistung erzeugen.
Der Temperatursensor umfasst vorzugsweise mindestens ein Halbleiterbauelement mit einem p-n-Übergang, insbesondere mindestens einen bipolaren Transistor. Die Auswerteelektronik ist dann dazu ausgebildet, eine Durchlassspannung des mindestens einen p-n-Übergangs zu erfassen und darauf basierend einen Temperaturindikator zu ermitteln. Es ist aber auch denkbar, dass der Temperatursensor einen oder mehrere MOSFETs umfasst und die Auswerteelektronik dazu ausgebildet ist, einen temperaturabhängigen Unterschwellen-Drainstrom zu erfassen. Für Details zu Temperatursensoren, die in CMOS-Technologie gefertigt werden können, wird auf folgendes Dokument verwiesen: K.A.A. Makinwa, „Smart temperature sensors in standard CMOS“, Procedia Engineering 5 (2010) 930-939.
Die Auswerteelektronik stellt vorzugsweise den Strömungsindikator in Form eines digitalen Signals zur Verfügung. Insbesondere erfolgt also in der Auswerteelektronik vorzugsweise eine Signalwandlung von analogen in digitale Signale.
In vorteilhaften Ausführungsformen ist die Auswerteelektronik als integrierte Schaltung in CMOS-Technologie auf demselben Halbleitersubstrat wie das Heizelement und der Temperatursensor ausgebildet. Dadurch kann ein vollständiges Ein-Chip-System (engl. System-on-a-Chip, SoC) zur Verfügung gestellt werden, das alle relevanten Funktionen in sich vereint und hocheffizient gefertigt werden kann. Durch die Integration aller Elemente auf einem einzigen Halbleitersubstrat wird zudem verhindert, dass die Signale, die von der Auswerteelektronik verarbeitet werden, durch andere Temperaturgradienten, die nicht von der Strömung verursacht sind, und die damit assoziierten Wärmepfade beeinflusst oder verfälscht werden.
Um einen Strömungsindikator zu ermitteln, kann die Auswerteelektronik dazu ausgebildet sein, ein Verfahren mit den folgenden Schritten auszuführen:

Ansteuern des Heizelements derart, dass es den Heizpuls erzeugt;
Bestimmen von mindestens zwei Temperaturwerten zu unterschiedlichen Zeitpunkten nach Beendigung des Heizpulses mit dem Temperatursensor;
Ermitteln einer Abkühlrate am Temperatursensor aus den mindestens zwei Temperaturwerten; und
Bestimmen des Strömungsindikators basierend auf der Abkühlrate.

Dieses Verfahren nutzt aus, dass der Temperaturabfall nach dem Ende des Heizpulses umso schneller erfolgt, je höher die Strömungsgeschwindigkeit bzw. die Massenflussrate des Fluids ist..
Entsprechend stellt die Erfindung auch ein Verfahren zur Ermittlung eines Strömungsindikators zur Verfügung, wobei der Strömungsindikator mit einem Heizelement und einem Temperatursensor ermittelt wird, wobei das Heizelement und der Temperatursensor als integrierte Halbleiterschaltkreise in CMOS-Technologie auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet sind, und wobei das Verfahren umfasst:

In einer alternativen Ausführung kann die Auswerteelektronik aber auch dazu ausgebildet sein, ein Verfahren mit den folgenden Schritten auszuführen:

Ansteuern des Heizelements derart, dass es den Heizpuls erzeugt;
Bestimmen eines Temperaturwerts zu einem vorgegebenen Zeitpunkt nach Beginn des Heizpulses mit dem Temperatursensor;
Bestimmen des Strömungsindikators basierend auf dem Temperaturwert.

Dieses alternative Verfahren nutzt aus, dass die Temperatur, die sich am Temperatursensor nach einer vorgegebenen Zeit nach Beginn des Heizpulses einstellt, umso niedriger ist, je höher die Strömungsgeschwindigkeit bzw. die Massenflussrate des Fluids ist. In diesem alternativen Verfahren wird der Heizpuls vorteilhaft genügend lang gewählt, dass sich eine stationäre Temperatur am Temperatursensor einstellt, bei der die zugeführte Wärmeleistung durch das Heizelement der abgeführten Wärmeleistung entspricht. Die Temperaturmessung kann aber auch erfolgen, bevor sich ein solches Gleichgewicht eingestellt hat.
Entsprechend stellt die Erfindung auch ein Verfahren zur Ermittlung eines Strömungsindikators zur Verfügung, wobei der Strömungsindikator mit einem Heizelement und einem Temperatursensor ermittelt wird, wobei das Heizelement und der Temperatursensor als integrierte Halbleiterschaltkreise in CMOS-Technologie auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet sind, und wobei das Verfahren umfasst:

Ergänzend kann die Auswerteelektronik dazu ausgebildet sein, den Temperatursensor in genügend grossem zeitlichem Abstand zu einem Heizpuls auszulesen, um die Temperatur des Halbleitersubstrats in Abwesenheit einer zusätzlich zugeführten Heizleistung durch das Heizelement zu messen. Diese Temperatur entspricht in der Praxis nahezu der Temperatur des umgebenden Fluids, sofern der Wärmeeintrag durch die Auswerteelektronik vernachlässigbar klein ist. Die so gemessene Temperatur wird nachstehend auch als Referenztemperatur bezeichnet.
Die Geschwindigkeit des Temperaturabfalls nach dem Ende des Heizpulses bzw, der Temperaturwert, der sich nach einer bestimmten Zeit während eines Heizpulses einstellt, korreliert nicht nur mit der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids, sondern auch mit den Wärmetransporteigenschaften des Systems aus Strömungssensor und dem damit in Kontakt stehenden Fluid, insbesondere mit der thermischen Leitfähigkeit des Fluids und der Wärmeabfuhr durch den Strömungssensor hindurch. Die thermische Leitfähigkeit des Fluids ist wiederum temperaturabhängig. Auch die Wärmeabfuhr durch den Strömungssensor hindurch kann temperaturabhängig sein. Es kann daher sinnvoll sein, dass die Auswerteelektronik bei der Ermittlung des Strömungsindikators eine Temperaturkompensation durchführt, die die Temperaturabhängigkeit von Wärmetransporteigenschaften des Systems aus Strömungssensor und Fluid kompensiert. Insbesondere kann die Auswerteelektronik dazu ausgebildet sein, zu einem Zeitpunkt, zu dem der Temperatursensor nicht durch Heizwärme aus einem Heizpuls beeinflusst ist, den schon erwähnten Referenz-Temperaturwert auszulesen und den Referenz-Temperaturwert bei der Temperaturkompensation zu berücksichtigen. Der Referenz-Temperaturwert kann aber auch mit einem separaten Temperatursensor, der genügend weit vom Heizelement entfernt ist, ermittelt werden. Für die Vornahme der Kompensation kann die Auswerteelektronik z.B. eine Lookup-Tabelle umfassen, die mindestens eine Wärmetransporteigenschaft des Systems aus Strömungssensor und Fluid als Funktion des Referenz-Temperaturwerts charakterisiert, und die Auswerteelektronik kann die Temperaturkompensation mit Hilfe dieser Lookup-Tabelle vornehmen. Die Lookup-Tabelle kann beispielsweise Werte der Abkühlrate des ruhenden Fluids als Funktion des Referenz-Temperaturwerts umfassen.
In besonders vorteilhaften Ausführungsformen ist in den thermischen Strömungssensor ausserdem ein Feuchtesensor integriert. Der Feuchtesensor ist dann vorzugsweise derart oberhalb des Heizelements auf dem Halbleitersubstrat angeordnet, dass der Feuchtesensor vom Heizelement erwärmbar ist. Auf diese Weise erfüllt das Heizelement eine Doppelfunktion: Zum einen dient es zur Erzeugung von Heizpulsen zur Ermittlung des Strömungsindikators, und zum anderen dient es zur Erwärmung des Feuchtesensors, um diesen beispielsweise zu regenerieren, wie das nachstehend noch näher beschrieben ist.
Der Feuchtesensor kann in an sich bekannter Weise eine Elektrodenstruktur mit mindestens zwei Elektroden und ein dielektrisches Material aufweisen, wobei das dielektrische Material eine feuchteabhängige Dielektrizitätszahl aufweist und derart im Bereich der Elektrodenstruktur angeordnet ist, dass es eine Kapazität der Elektrodenstruktur beeinflusst. Die Auswerteelektronik kann dann in an sich bekannter Weise dazu ausgebildet sein, einen Feuchteindikator aus einer Kapazitätsänderung der Elektrodenstruktur zu ermitteln.
Allerdings kann kein zuverlässiges Messergebnis erzielt werden, wenn im dielektrischen Material oder auf diesem Material flüssiges Wasser vorhanden ist, beispielsweise in Form von Kondensationsfeuchte oder aufgrund von Spritzwasser. Auch kann das Messergebnis unzuverlässig werden, wenn das dielektrische Material über einen längeren Zeitraum hinweg einer hohen relativen Feuchte ausgesetzt ist. In diesem Fall ist es vorteilhaft, das dielektrische Material mit Hilfe des Heizelements durch Ausheizen zu regenerieren.
Entsprechend kann die Auswerteelektronik dazu ausgebildet sein, in einem Regenerationsmodus das Heizelement derart anzusteuern, dass das Heizelement eine Heizleistung erzeugt, die höher als die Heizleistung während des Heizpulses ist, und/oder das Heizelement für einen Zeitraum, der länger als ein Heizpuls ist, zur Erzeugung einer Heizleistung anzusteuern.
Figurenliste
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben, die lediglich zur Erläuterung dienen und nicht einschränkend auszulegen sind. In den Zeichnungen zeigen:

1 eine Prinzipskizze eines thermischen Strömungssensors gemäss einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 ein Beispiel für die Beschaltung des Temperatursensors im thermischen Strömungssensor nach 1;
3 eine schematische Draufsicht auf einen thermischen Strömungssensor gemäss einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, mit integriertem Feuchtesensor;
4 einen beispielhaften schematischen Schichtaufbau eines thermischen Strömungssensors nach 3;
5 ein funktionales Blockdiagramm eines thermischen Strömungssensors nach 3;
6 ein schematisches Diagramm, das die Heizleistung und die Temperaturantwort als Funktion der Zeit illustriert;
7 ein Diagramm, dass den Verlauf der Temperaturantwort als Funktion der Zeit in einer semilogarithmischen Darstellung illustriert; und
8 ein Flussdiagramm zur Illustration eines Verfahrens gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
In der 1 ist in stark schematischer Weise ein thermischer Strömungssensor gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert. Der Strömungssensor umfasst ein Halbleitersubstrat 10 in Form eines Siliziumchips. Das Halbleitersubstrat 10 definiert eine Substratebene, die in der 1 mit der Zeichenebene zusammenfällt.
Auf dem Halbleitersubstrat 10 ist einerseits ein Heizelement 20 ausgebildet. Dieses umfasst zwei Heizzonen 21, 22, die in der Substratebene lateral zueinander beabstandet sind. Zwischen den beiden Heizzonen 21, 22 ist auf dem Halbleitersubstrat 10 andererseits ein Temperatursensor 30 ausgebildet. Der Temperatursensor 30 ist koplanar mit dem Heizelement 20 in der Substratebene angeordnet.
Ein Fluid F steht in thermischem Kontakt mit dem thermischen Strömungssensor und überströmt diesen. Das Fluid kann ein Gas oder eine Flüssigkeit sein. Bevorzugt ist das Fluid ein Gas, insbesondere Luft.
Das Heizelement 20 umfasst eine Mehrzahl von parallel geschalteten MOSFETs 23, die in Standard-CMOS-Technologie auf dem Halbleitersubstrat 10 erzeugt wurden. Während in 1 nur zehn MOSFETs dargestellt sind, kann eine beliebige Zahl von MOSFETs zum Einsatz kommen. In der Praxis können z.B. 50-200 MOSFETs eingesetzt werden. Im vorliegenden Beispiel handelt es sich um n-Kanal-MOSFETs. Es können aber auch p-Kanal-MOSFETs eingesetzt werden. Ein Heizstrom I_H und entsprechend eine Heizleistung werden erzeugt, indem einerseits eine Spannung zwischen Source und Drain jedes MOSFETs angelegt wird und andererseits die Gates von allen oder einem Teil der MOSFETs mit einer geeigneten Steuerspannung angesteuert werden, um den Kanal zwischen Source und Drain der betreffenden MOSFETs zumindest teilweise leitend zu machen. Der resultierende Source-Drain-Strom erzeugt ohmsche Verluste, die die Substratoberfläche im Bereich der MOSFETS erwärmen. Die Heizleistung lässt sich durch die Zahl der leitend geschalteten MOSFETs steuern. Während die MOSFETs im Beispiel der 1 in zwei Heizzonen 21, 22 symmetrisch zum Temperatursensor 30 angeordnet sind, ist auch eine andere Anordnung denkbar, beispielsweise eine Anordnung der MOSFETs auf nur einer Seite des Temperatursensors 20 oder eine Anordnung, bei der die MOSFETs den Temperatursensor 20 vollständig umgeben.
Der Temperatursensor 30 umfasst mindestens einen bipolaren Transistor, bevorzugt aber mehrere bipolare Transistoren 31, 32, die ebenfalls in Standard-CMOS-Technologie auf dem Halbleitersubstrat 10 erzeugt wurden. Im vorliegenden Beispiel handelt es sich um pnp-Transistoren. Es können aber auch npn-Transistoren eingesetzt werden.
In der 2 ist ein Beispiel für eine mögliche Beschaltung der Transistoren 31, 32 des Temperatursensors 30 dargestellt, wie sie an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist (vgl. K.A.A. Makinwa, „Smart temperature sensors in standard CMOS“, Procedia Engineering 5 (2010) 930-939). Kollektor und Basis der Transistoren 31, 32 sind jeweils miteinander verbunden. Eine erste Konstantstromquelle 41 erzeugt einen konstanten Strom I₀ durch die Basis-Emitter-Strecke des ersten Transistors 31. Eine zweite Konstantstromquelle 42 erzeugt einen konstanten Strom I₀ durch die parallelen Basis-Emitter-Strecken einer Anordnung von einer Anzahl p parallel geschalteter zweiter Transistoren 32, wobei die Zahl p typischerweise zwischen 3 und 8 liegt. Dadurch resultiert in den zweiten Transistoren 32 eine um einen Faktor p geringere Stromdichte als im Transistor 32. Die resultierenden Durchlassspannungen an den Transistoren 31, 32 sind temperaturabhängig. Die Differenz ΔV_BE der Durchlassspannungen folgt der folgenden Abhängigkeit: $Δ V_{B E} \sim \frac{k T}{q} ln p .$
Hierbei bezeichnet k die Boltzmannkonstante, T die absolute Temperatur und q die Elektronenladung. Durch Messung der Spannungsdifferenz ΔV_BE kann somit auf die Temperatur T geschlossen werden.
In der Schaltung der 2 wird die Spannungsdifferenz ΔV_BE in einem Differenzverstärker 43 um einen vorgegebenen Faktor α verstärkt, um eine Spannung V_PTAT zu erhalten, die proportional zur absoluten Temperatur (engl. PTAT = „proportional to absolute temperature“) ist. Diese Spannung wird in einem Addierer 44 zur Durchlassspannung der Anordnung von Transistoren 32 hinzuaddiert, um eine weitgehend temperaturunabhängige Referenzspannung VREF zu erhalten. Die Spannungen V_PTAT und V_REF werden einem Sigma-Delta-ADC 45 zugeführt. Dieser gibt eine digitale Grösse µ aus, die der Temperatur T proportional ist.
Der Temperatursensor 30 kann aber auch anders als im Beispiel der 2 beschaltet sein. Im einfachsten Fall kann sogar nur ein einziger p-n-Übergang zum Einsatz kommen, dessen temperaturabhängige Durchlassspannung gemessen wird, insbesondere die Basis-Emitter-Strecke eines einzigen bipolaren Transistors.
Der thermische Strömungssensor kann in vorteilhafter Weise mit einem Feuchtesensor kombiniert werden. Dies ist in der 3 illustriert, die in schematischer Weise ein Ausführungsbeispiel eines Strömungssensors mit integriertem Feuchtesensor 50 illustriert.
Der Feuchtesensor 50 umfasst eine Anordnung aus zwei Elektroden 51, 52. Jede Elektrode ist kammartig strukturiert, mit mehreren parallelen Elektrodenfingern, die den Zinken der Kämme entsprechen. Die Kämme greifen derart ineinander, dass Elektrodenfinger der beiden Elektroden 51, 52 abwechselnd benachbart zueinander angeordnet sind. Auf den Elektroden ist ein dielektrisches Material 53, in der Praxis meist ein Polymer, angeordnet, dessen dielektrische Eigenschaften von der Feuchte des umgebenden Fluids abhängen. Dadurch beeinflusst die Feuchte die elektrische Kapazität des durch die Elektrodenanordnung 51, 52 und das dielektrische Material 53 gebildeten Kondensators. Durch Messung dieser elektrischen Kapazität kann in an sich bekannter Weise auf die Feuchte des umgebenden Gases geschlossen werden, insbesondere auf dessen relative Feuchte (engl. relative humidity, RH). Eine solche Anordnung aus Elektroden und dielektrischem Material und ein zugehöriges Betriebsverfahren sind an sich aus dem Stand der Technik bekannt. Für weitere Details des Aufbaus wird auf WO 01/42776 A1 verwiesen.
Der Feuchtesensor 50 ist gemeinsam mit dem Heizelement 20 und dem Temperatursensor 30 auf dem Halbleitersubstrat 10 ausgebildet. Ebenfalls auf demselben Halbleitersubstrat ist eine integrierte Auswerteelektronik 40 in Form eines ASIC ausgebildet. Anschlusspads 45 dienen zur Verbindung mit der Aussenwelt.
Die 4 illustriert in stark schematischer Weise, wie ein solcher Feuchtesensor 50 oberhalb des Heizelements 20 und des Temperatursensors 30 des Strömungssensors angeordnet werden kann. Die 4 ist nicht massstäblich und dient lediglich zur Illustration des grundsätzlichen Aufbauprinzips. Die 4 zeigt einen Längsschnitt durch einen Schichtaufbau, wie er durch einen an sich bekannten CMOS-Fertigungsprozess erzeugt werden kann. Auf dem Halbleitersubstrat 10 aus Silizium (Si) sind einerseits MOSFETs 23 des Heizelements 20 und andererseits bipolare Transistoren des Temperatursensors 30 ausgebildet., wobei nur der bipolare Transistor 31 schematisch illustriert ist. Um die Transistoren zu bilden, ist das Halbleitersubstrat 10 geeignet dotiert, und die dotierten Bereiche sind mit geeigneten Anschlüssen kontaktiert, wie das in der CMOS-Technologie an sich bekannt ist. Auf dem Halbleitersubstrat 10 sind zudem weitere, in der 4 nicht dargestellte Transistoren vorhanden, um die Auswerteelektronik 40 zu bilden. Auf dem Halbleitersubstrat 10 ist zudem eine Schichtanordnung 11 aus abwechselnden dielektrischen Oxidschichten (OX) und strukturierten, elektrisch leitenden Schichten (Al/Cu) aufgebracht. Durchkontaktierungen (Vias) 12 aus Wolfram (W) zwischen den leitenden Schichten stellen Verbindungen zwischen den verschiedenen Transistoren her und verbinden diese mit Lötpunkten 38. In den obersten Schichten der Schichtanordnung sind die Elektroden 51, 52 des Feuchtsensors 50 ausgebildet und mit dem dielektrischen Material 53 bedeckt. Eine Passivierungsschicht schützt die obersten Schichten. Unterhalb des Heizelements 20 und des Temperatursensors 30 ist das Halbleitersubstrat 10 nicht dünner ausgebildet als in den lateral daran anschliessenden Bereichen, d.h. das Heizelement 20 und der Temperatursensor 30 befinden sich nicht auf einer dünnen Membran, die eine Öffnung im Halbleitersubstrat überspannt, sondern über dem „Bulk“ des Halbleitersubstrats.
Die 5 zeigt ein funktionales Blockdiagramm eines Strömungssensors mit integriertem Feuchtesensor. Der Strömungssensor umfasst das Heizelement 20, den Temperatursensor 30, den Feuchtesensor 50 sowie die Auswerteelektronik 40. Die Auswerteelektronik 40 umfasst einen Mikroprozessor (CPU) 41, der mit einem I/O-Interface 42 zum Ansteuern und Auslesen der Temperatur- und Feuchtesensoren 30, 50 und zum Ansteuern des Heizelements 20 kommuniziert. Ein Speicher 43 enthält Programmdaten zur Ausführung auf dem Mikroprozessor 41 und Kalibrationsdaten für die Kalibration der ausgegebenen Temperatur- und Feuchtewerte und der ermittelten Strömungsgeschwindigkeit bzw. des Massenflusses. Der Speicher 43 kann insbesondere mindestens eine Lookup-Tabelle enthalten, die Wärmetransporteigenschaften des Systems aus Strömungssensor und umgebendem Fluid als Funktion der Temperatur charakterisiert, um bei der Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit eine Temperaturkompensation vornehmen zu können. Zur Kommunikation mit der Aussenwelt dient ein standardisiertes I²C-Interface 44 mit den üblichen Anschlüssen SDA (Daten) und SCL (Takt).
In der 6 ist ein mögliches Betriebsverfahren für den Strömungssensor illustriert. Zu Beginn hat der Temperatursensor 30 eine Anfangstemperatur („Referenztemperatur“) T₀. Diese Temperatur entspricht der Temperatur des Halbleitersubstrats 10 in Abwesenheit einer zusätzlich zugeführten Heizleistung durch das Heizelement 20. Sie entspricht im Gleichgewicht weitgehend der Temperatur des umgebenden Fluids, sofern die Verlustwärme der integrierten Auswerteelektronik 40 klein ist. Die Auswerteelektronik 40 steuert nun das Heizelement 20 derart an, dass dieses zwischen den Zeitpunkten t₀ und t₁ einen Heizpuls P erzeugt. Die während des Heizpulses P erzeugte Wärme wird einerseits durch das Halbleitersubstrat 10 und die Schichtstruktur 11 und andererseits durch das Fluid F vom Heizelement 20 weg transportiert. Dabei ist die Wärmeabfuhr durch das Fluid umso grösser, je grösser die Strömungsgeschwindigkeit bzw. Massenflussrate des Fluids ist. Im Ergebnis steigt während des Heizpulses P die Temperatur im Bereich des Temperatursensors 30 zunächst steil an. Der Temperaturanstieg flacht mit zunehmender Pulsdauer immer mehr ab, und die Temperatur nähert sich einem stationären Wert an, bei dem ein Gleichgewicht zwischen der zugeführten Heizleistung und der abgeführten Wärmemenge pro Zeiteinheit besteht. Dabei nähert sich die Temperatur bei ruhendem Fluid (strichpunktierte Linie in 6) einem höheren stationären Temperaturwert an als bei strömendem Fluid (durchgezogene Linie in 6). Am Ende des Heizpulses erreicht der Temperatursensor eine Temperatur T₁. Nach dem Ende des Heizpulses P nimmt die Temperatur des Temperatursensors 30 wieder ab und nähert sich allmählich wieder der Referenztemperatur T₀, entsprechend der Temperatur des zugeführten Fluids F, an.
Nachdem transiente Heizeffekte des Heizelements (z.B. „Nachheizen“ aufgrund der Wärmekapazität des Heizelements) abgeklungen sind, verläuft der Temperaturabfall in der Praxis annähernd exponentiell: $Δ T (t) = Δ T (t_{2}) \cdot exp (- k (t - t_{2})) .$
Hier bezeichnet ΔT(t) die Temperaturdifferenz zwischen der momentanen Temperatur T des Temperatursensors 30 und der Gleichgewichtstemperatur T₀ als Funktion der Zeit t, und t₂ bezeichnet einen beliebigen Zeitpunkt nach dem Abklingen von transienten Heizeffekten.
7 illustriert den Temperaturabfall in semilogarithmischer Darstellung. Es gilt: $log (\frac{Δ T (t)}{Δ T (t_{2})}) = - k (t - t_{2}),$
d.h. in semilogarithmischer Darstellung resultiert eine Gerade mit Steigung - k. Der Koeffizient k wird in diesem Dokument auch als Abkühlrate bezeichnet. Er lässt sich leicht durch die Messung von Temperaturen T₂, T₃ an zwei oder mehr verschiedenen Zeitpunkten t₂, t₃ nach dem Abklingen von transienten Heizeffekten ermitteln, sofern die Referenztemperatur T₀ bekannt ist. Die Referenztemperatur T₀ wiederum kann entweder mit einem separaten Temperatursensor, der genügend weit vom Heizelement 20 entfernt ist, ermittelt werden, oder sie kann vor dem Heizpuls P und/oder genügend lange nach dem Heizpuls P mit dem Temperatursensor 30 gemessen werden.
Die Abkühlrate k ist betragsmässig umso grösser, je grösser die Strömungsgeschwindigkeit bzw. Massenflussrate des umgebenden Fluids ist (strichpunktierte Linie in 7: ruhendes Fluid; durchgezogene Linie: strömendes Fluid). Durch eine geeignete Kalibration lässt sich somit aus einer Messung der Abkühlrate k ein Indikator für die Strömungsgeschwindigkeit bzw. Massenflussrate bestimmen. Dieses Messverfahren entspricht grundsätzlich dem Messverfahren, das in US4848147A offenbart ist. Anders als in dem genannten Dokument werden für die Messung aber ein Heizelement und ein separater Temperatursensor eingesetzt, die als integrierte Halbleiterschaltkreise ausgeführt sind.
In einer besonders einfachen alternativen Ausführungsform kann die Strömungsgeschwindigkeit bzw. Massenflussrate auch gemessen oder zumindest abgeschätzt werden, indem die Temperatur des Temperatursensors 30 nach einer vorgegebenen Zeit nach Beginn des Heizpulses P, z.B. kurz vor dem Zeitpunkt t₁ am Ende des Heizpulses P, ermittelt wird. Die entsprechende Temperatur T₁ ist umso geringer, je höher die Strömungsgeschwindigkeit bzw. Massenflussrate ist. Durch eine geeignete Kalibration lässt sich somit aus einer Messung dieser Temperatur ein Indikator für die Strömungsgeschwindigkeit bzw. Massenflussrate bestimmen. Es sei darauf hingewiesen, dass es sich bei der gemessenen Temperatur nicht notwendigerweise um einen stationären Wert zu handeln braucht, bei dem ein Gleichgewicht zwischen der zugeführten Heizleistung und der abgeführten Wärmemenge pro Zeiteinheit besteht.
Das Heizelement 20 kann nicht nur dazu eingesetzt werden, die Strömungsgeschwindigkeit bzw. Massenflussrate zu bestimmen, sondern es kann auch dazu dienen, das dielektrische Material 53 des Feuchtesensors 50 zu erwärmen und so den Feuchtesensor zu regenerieren, wenn dieser hohen Feuchtewerten ausgesetzt war. Die Erwärmung kann insbesondere dazu dienen, flüssiges Wasser, das sich durch Kondensation oder direkten Kontakt mit Wasser im oder auf dem dielektrischen Material 53 angesammelt hat, zu verdampfen. Dazu kann mit dem Heizelement 20 eine höhere Heizleistung erzeugt werden als bei einer Messung der Strömungsgeschwindigkeit bzw. Massenflussrate, und/oder die Heizleistung kann über einen längeren Zeitraum als bei einer solchen Messung erzeugt werden.
Ein entsprechendes Verfahren ist in der 8 illustriert. Die Auswerteelektronik 40 empfängt über das I²C-Interface einen Steuerbefehl (Schritt 71). Sie prüft, um welche Art von Steuerbefehl es sich handelt (Verzweigung 72). Falls es sich um einen Befehl zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit bzw. Massenflussrate handelt, nimmt die Auswerteelektronik einen entsprechenden Betriebmodus A ein. In diesem Betriebsmodus erzeugt die Auswerteelektronik 40 einen Heizpuls (Schritt 73), misst die Temperaturantwort (Schritt 74) und gibt einen Strömungsindikator aus (Schritt 75). Falls es sich dagegen um einen Befehl zum Regenerieren des dielektrischen Materials 53 handelt, nimmt die Auswerteelektronik 40 einen entsprechenden Betriebsmodus B ein. In diesem Betriebsmodus erzeugt die Auswerteelektronik 40 einen Heizpuls grösserer Länge und/oder grösserer Leistung, um das dielektrische Material zu regenerieren (Schritt 76). Falls es sich schliesslich um einen Befehl zur Feuchte- und oder Temperaturmessung handelt, nimmt die Auswerteelektronik 40 einen entsprechenden Betriebsmodus C ein. In diesem Betriebsmodus nimmt die Auswerteelektronik 40 eine Kapazitätsmessung an der Elektrodenstruktur 51, 52 vor, um ein Mass für die relative Feuchte RH zu bestimmen, und/oder liest den Temperatursensor 30 aus, um die Temperatur des Fluids zu bestimmen, und gibt mindestens einen dieser Werte aus (Schritt 77).
Während die Erfindung vorstehend anhand von Beispielen erläutert wurde, versteht es sich von selbst, dass die Erfindung nicht auf diese Beispiele beschränkt ist und vielfältige Abwandlungen möglich sind, ohne den Bereich der Erfindung, wie er in den Ansprüchen definiert ist, zu verlassen.
Bezugszeichenliste

10: Halbleitersubstrat
20: Heizelement
21,22: Heizzone
23: MOSFET
30: Temperatursensor
31, 32: bipolarer Transistor
33, 34: Konstantstromquelle
35: Differenzverstärker
36: Addierer
37: Analog-Digital-Konverter (ADC)
38: Lötpunkt
40: Auswerteelektronik
41: Prozessor (CPU)
42: I/O-Interface
43: Speicher
44: I²C-Interface
45: Anschlusspad
50: Feuchtesensor
51, 52: Elektrode
53: dielektrisches Material
71: Steuerbefehl
72: Verzweigung
73: Erzeugung Heizpuls
F: Fluid
IH: Heizstrom
I0: Basis-Emitter-Strom
p: Stromfaktor
ΔVBE: BE-Spannungsdifferenz
VPTAT: PTAT-Spannung
VREF: Referenzspannung
α: Verstärkungsfaktor
µ: Ausgangsgrösse
SDA: Datenanschluss
SCL: Taktanschluss
P: Heizpuls
t0...3: Zeitpunkt
T0...3: Temperatur
T: Temperatur
RH: relative Feuchte
k: Abkühlrate
A, B, C: Betriebsmodus

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4848147 A [0003, 0047]
WO 0037895 A1 [0005]
WO 0142776 A1 [0039]

Claims

Thermischer Strömungssensor, aufweisend: ein Heizelement (20); einen Temperatursensor (30); und eine Auswerteelektronik (40), die dazu ausgebildet ist, das Heizelement (20) derart anzusteuern, dass es einen Heizpuls (P) erzeugt, eine Antwort des Temperatursensors (30) auf den Heizpuls (P) auszulesen und darauf basierend einen Strömungsindikator, der mit einer Strömungsgeschwindigkeit eines den Strömungssensor überstreichenden Fluids (F) korreliert, zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (20) und der Temperatursensor (30) als integrierte Halbleiterschaltkreise in CMOS-Technologie auf einem Halbleitersubstrat (10) ausgebildet sind.
Thermischer Strömungssensor nach Anspruch 1, wobei das Halbleitersubstrat (30) im Bereich des Heizelements (20) und des Temperatursensors (30) bei der Fertigung des Strömungssensors nicht durch Ätzen entfernt oder in seiner Dicke reduziert wurde, um eine Membran verringerter Dicke auszubilden.
Thermischer Strömungssensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Heizelement (20) eine Mehrzahl von Feldeffekttransistoren (23), insbesondere MOSFETs umfasst, und wobei die Auswerteelektronik (40) dazu ausgebildet ist, die Feldeffekttransistoren (23) derart anzusteuern, dass sie die Heizleistung erzeugen.
Thermischer Strömungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Temperatursensor (30) mindestens ein Halbleiterbauelement mit einem p-n-Übergang, insbesondere mindestens einen bipolaren Transistor (31, 32), umfasst, und wobei die Auswerteelektronik (40) dazu ausgebildet ist, eine Durchlassspannung des mindestens einen p-n-Übergangs zu erfassen und darauf basierend einen Temperaturindikator (µ) zu ermitteln.
Thermischer Strömungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswerteelektronik (40) als integrierte Schaltung in CMOS-Technologie auf dem Halbleitersubstrat (10) ausgebildet ist.
Thermischer Strömungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswerteelektronik (40) dazu ausgebildet ist, ein Verfahren mit den folgenden Schritten auszuführen: Ansteuern des Heizelements (20) derart, dass es den Heizpuls (P) erzeugt; Bestimmen von mindestens zwei Temperaturwerten (T₂, T₃) zu unterschiedlichen Zeitpunkten (t₂, t₃) nach Beendigung des Heizpulses (P) mit dem Temperatursensor (30); Ermitteln einer Abkühlrate (k) am Temperatursensor (30) aus den mindestens zwei Temperaturwerten (T₂, T₃); und Bestimmen des Strömungsindikators basierend auf der Abkühlrate (k).
Thermischer Strömungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswerteelektronik (40) dazu ausgebildet ist, ein Verfahren mit den folgenden Schritten auszuführen: Ansteuern des Heizelements (20) derart, dass es den Heizpuls (P) erzeugt; Bestimmen eines Temperaturwerts (T₁) zu einem vorgegebenen Zeitpunkt (t₁) nach Beginn des Heizpulses (P) mit dem Temperatursensor (30); Bestimmen des Strömungsindikators basierend auf dem Temperaturwert (T₁).
Thermischer Strömungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswerteelektronik (40) dazu ausgebildet ist, bei der Bestimmung des Strömungsindikators eine Temperaturkompensation durchzuführen, um eine Temperaturabhängigkeit von Wärmetransporteigenschaften des Systems aus Strömungssensor und dem damit in Kontakt stehenden Fluid (F) zu kompensieren.
Thermischer Strömungssensor nach Anspruch 8, wobei die Auswerteelektronik (40) dazu ausgebildet ist, mit dem Temperatursensor (30) zu einem Zeitpunkt, zu dem der Temperatursensor (30) nicht durch Heizwärme aus dem Heizpuls (P) beeinflusst ist, einen Referenz-Temperaturwert (T₀) auszulesen und den Referenz-Temperaturwert (T₀) bei der Temperaturkompensation zu berücksichtigen.
Thermischer Strömungssensor nach Anspruch 9, wobei die Auswerteelektronik (40) einen Speicher (43) mit einer Lookup-Tabelle umfasst, die mindestens eine Wärmetransporteigenschaft des Systems aus Strömungssensor und dem damit in Kontakt stehenden Fluid (F) als Funktion des Referenz-Temperaturwerts (T₀) charakterisiert, und wobei die Auswerteelektronik (40) die Temperaturkompensation mit Hilfe der Lookup-Tabelle vornimmt.
Thermischer Strömungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf dem Halbleitersubstrat (10) ausserdem ein Feuchtesensor (50) ausgebildet ist, und wobei der Feuchtesensor (50) derart oberhalb des Heizelements (20) auf dem Halbleitersubstrat (10) angeordnet ist, dass der Feuchtesensor (50) vom Heizelement (20) erwärmbar ist.
Thermischer Strömungssensor nach Anspruch 11, wobei der Feuchtesensor (50) eine Elektrodenstruktur (51, 52) mit mindestens zwei Elektroden und ein dielektrisches Material (53) aufweist, und wobei das dielektrische Material (53) eine feuchteabhängige Dielektrizitätszahl aufweist und derart im Bereich der Elektrodenstruktur (51, 52) angeordnet ist, dass es eine Kapazität der Elektrodenstruktur (51, 52) beeinflusst.
Thermischer Strömungssensor nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Auswerteelektronik (40) dazu ausgebildet ist, einen Feuchteindikator aus einer Kapazitätsänderung der Elektrodenstruktur (51, 52) zu ermitteln.
Thermischer Strömungssensor nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Auswerteelektronik (40) dazu ausgebildet ist, in einem Regenerationsmodus (B) das Heizelement (20) derart anzusteuern, dass das Heizelement (20) eine Heizleistung erzeugt, die höher als die Heizleistung während des Heizpulses (P) ist, und/oder das Heizelement (20) für einen Zeitraum, der länger als der Heizpuls (P) ist, zur Erzeugung einer Heizleistung anzusteuern.