DE69830343T2

DE69830343T2 - Thermischer druchflusssensor und sensor anderer eigenschaften eines fluids mit einem feedback loop der ein sensorelement in einer wheatstonebrücke zwingt dem widerstand eines variablen widerstandelements in the brücke zu folgen

Info

Publication number: DE69830343T2
Application number: DE69830343T
Authority: DE
Inventors: David Kubisiak; Ulrich Bonne
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1997-12-31
Filing date: 1998-12-03
Publication date: 2006-02-02
Anticipated expiration: 2018-12-04
Also published as: EP1068517B1; EP1329713B1; DE69830345D1; DE69830343D1; EP1329711B1; CA2316916A1; JP2002500355A; ES2195426T3; EP1068517A2; DE69837946T2; WO1999034198A2; US6169965B1; DE69830345T2; WO1999034198A3; DE69814474D1; DE69837946D1; DE69814474T2; EP1329712A1; EP1329712B1; EP1329713A1

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
1.ERFINDUNGSGEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Bestimmung von Fluideigenschaften und insbesondere die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit, der Temperaturleitfähigkeit, der spezifischen Wärme und der Geschwindigkeit eines relevanten Fluids.
2. BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK
Es ist eine Reihe von Ansätzen erdacht worden, um die Wärmeleitfähigkeit, die Temperaturleitfähigkeit, die spezifische Wärme und die Fluidgeschwindigkeit eines relevanten Fluids zu messen. In der Regel werden diese und weitere Eigenschaften über den Einsatz von verschiedenen Arten von Wärmesensoren detektiert, die Widerstandsensoren mit thermisch isolierten Ansteuer- und Erfassungselementen enthalten, die sich auf ungestützten Dünnfilmbrücken- oder Membranmikrostrukturen befinden.
Ein Ansatz zum Bestimmen der Wärmeleitfähigkeit ist im US-Patent Nr. 4,735,082 beschrieben, bei dem eine Wheatstone-Brückenschaltung mit einem erwärmten Element in einem Zweig der Brücke in einem Hohlraum und in Kontakt mit dem relevanten Probefluid angeordnet oder positioniert wird. Das erwärmte Element wird dazu verwendet, eine Reihe von Mengen von Wärmeenergie in das relevante Fluid bei verschiedenen Niveaus zu übertragen, indem die Eingangsspannung zu dem Heizelement periodisch variiert wird, die wiederum an einem Sensor in einem anderen Zweig als Spannungsdifferenzsignal an der Brücke detektiert wird. Durch Integration der Änderungen des Werts des aufeinanderfolgenden Stroms von Signalen erhält man ein Signal, das die Wärmeableitung durch das Fluid und somit die Wärmeleitfähigkeit des Fluids anzeigt.
Zusätzlich zu der Messung von thermisch induzierten Änderungen beim elektrischen Widerstand sind, wie unten ausführlicher beschrieben wird, insbesondere unter Bezugnahme auf die 1-5 des Stands der Technik, sehr kleine und sehr präzise "Mikrobrücken"-Halbleiterchipsensoren beschrieben worden, bei denen solche Mikroelemente wie etwa Heizungen und Sensoren verwendet werden. Zu solchen Sensoren könnte beispielsweise ein Paar von Dünnfilmsensorelementen um ein Dünnfilmheizelement zum Messen von Strömungsraten zählen. Halbleiterchipsensoren der beschriebenen Klasse werden in einem oder mehreren der eigenen Patente ausführlicher behandelt, wie etwa in US-Patent Nr. 4,478,076, US-Patent Nr. 4,478,077, US-Patent Nr. 4,501,144, US-Patent Nr. 4,651,564 und US-Patent Nr. 4,683,159.
Ein weiterer Ansatz zum Messen der Wärmeleitfähigkeit, der Temperaturleitfähigkeit und der spezifischen Wärme eines Fluids ist aus dem US-Patent Nr. 4,944,035 an Aagard et al. bekannt. Aagard et al. offenbart die Verwendung einer Mikrobrückenstruktur, die einen Heizfilm und mindestens einen beabstandete Sensorfilme aufweist. Ein Impuls elektrischer Energie wird an die Heizung mit einem Niveau und einer Dauer derart angelegt, daß an dem Sensor sowohl eine vorübergehende Änderung als auch eine im wesentlichen eingeschwungene Temperatur auftreten. Die Wärmeleitfähigkeit des relevanten Fluids wird auf der Basis einer bekannten Beziehung zwischen dem Sensorausgangssignal und der Wärmeleitfähigkeit bei eingeschwungenen Sensortemperaturen bestimmt. Die spezifische Wärme und die Temperaturleitfähigkeit des relevanten Fluids werden auf der Basis einer bekannten Beziehung zwischen Wärmeleitfähigkeit, der Änderungsrate des Sensorausgangssignals während einer vorübergehenden Temperaturänderung im Sensor und der Temperaturleitfähigkeit und der spezifischen Wärme bestimmt.
Ein typischer Ansatz zum Bestimmen der Geschwindigkeit eines relevanten Fluids besteht darin, die Zeit zu bestimmen, die eine Wärmewelle benötigt, um sich von einem Quellheizelement zu einem Zielsensorelement auszubreiten. Bei Kenntnis der Entfernung zwischen dem Heizelement und dem Sensorelement sowie dem Beitrag der Temperaturleitfähigkeit kann die Geschwindigkeit des Fluids berechnet werden. Dieser Ansatz wird im US-Patent Nr. 4,576,050 an Lambert vorgeschlagen. Lambert bestromt einen Heizstreifen mit einem oszillierenden Heizeingangssignal, damit in dem Fluid Wärmewellen emittiert werden. Die Wärmewellen breiten sich mit einer Geschwindigkeit durch das Fluid aus, die von der Fluidgeschwindigkeit abhängt, die senkrecht zum Heizstreifen fließt. Ein thermoelektrischer Detektor, der von einer oder beiden Seiten der Heizung beabstandet ist, erfaßt die Wärmewelle und liefert ein entsprechendes Detektorausgangssignal. Die Geschwindigkeit des Fluids wird zumindest in erster Ordnung anhand der zeitlichen Differenz zwischen dem Heizungseingangssignal und dem Detektorausgangssignal bestimmt.
Bei vielen der obigen Ansätze nach dem Stand der Technik besteht eine Beschränkung dahingehend, daß eine erhebliche Menge an Supporthardware und/oder -software erforderlich ist. Beispielsweise werden bei vielen der Ansätze nach dem Stand der Technik eine Reihe von Frequenzgeneratoren verwendet, um dem Heizelement ein Frequenzeingangssignal zu liefern. Frequenzgeneratoren können sowohl hinsichtlich Hardware als auch Leistung relativ aufwendig sein. Gleichermaßen erfordern viele der Ansätze nach dem Stand der Technik einen oder mehrere Hochfrequenzzeitgeber zum Messen der Zeit- oder Phasenverzögerung zwischen dem Heizungseingangssignal und einer entsprechenden Temperaturstörung in dem Fluid. Hochfrequenzzeitgeber können wie Generatoren für feste Frequenzen sowohl im Hinblick auf Hardware als auch Leistung relativ aufwendig sein. Schließlich sind viele der Ansätze nach dem Stand der Technik für Fehler anfällig, die durch Drifts bei Widerstandselementen verursacht werden.
Aus US 5,379,630 ist in 3 eine Vorrichtung bekannt zum Bestimmen der Wärmeleitfähigkeit eines relevanten Fluids, umfassend Sensormittel mit einem Sensorelement in Wärmeverbindung mit dem relevanten Fluid, wobei die Sensormittel einen Leistungseingang und einen Steuereingang und einen veränderlichen Widerstand aufweisen, wobei der Steuereingang den Widerstand des veränderlichen Widerstands steuert, Sensorausgangsmittel zum Bereitstellen eines Sensorausgangssignals, das den Widerstand des veränderlichen Widerstands und den Widerstand des Sensorelements in Beziehung setzt, Sensorbestromungsmittel, an die Sensorausgangsmittel und an den Leistungseingang der Sensormittel gekoppelt, zum Bereitstellen eines Sensorleistungssignals an den Leistungseingang der Sensormittel, wobei das Sensorleistungssignal bewirkt, daß der Widerstand des Sensorelements dem Widerstand des veränderlichen Widerstands im wesentlichen folgt, Bestroungsmittel, gekoppelt an den Steuereingang der Sensormittel, zum Bereitstellen eines zeitlich veränderlichen Eingangssignals an den Steuereingang der Sensormittel und Bestimmungsmittel zum Bestimmen der Änderung beim Sensorleistungssignal.
Aus US 4,043,196 ist eine ähnliche Vorrichtung bekannt, die ausgelegt ist zum Bestimmen der Strömungsrate eines relevanten Fluids.
DE2934566 offenbart eine Vorrichtung zum Bestimmen der Strömungsrate eines relevanten Fluids, umfassend Heizmittel in Wärmeverbindung mit dem relevanten Fluid, Sensormittel mit einem Sensorelement in Wärmeverbindung mit dem relevanten Fluid, wobei die Sensormittel einen Leistungseingang aufweisen, Sensorausgangsmittel zum Bereitstellen eines Sensorausgangssignals, Bestromungsmittel, an die Heizmittel und an die Sensormittel gekoppelt, zum Bereitstellen eines zeitlich veränderlichen Eingangssignals an die Heizmittel und an die Sensormittel und Bestimmungsmittel zum Bestimmen einer Phasenverzögerung beim Sensorausgangssignal.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die interne Phasenverzögerung der Heiz- und/oder Sensorelemente auf negativ gezwungen werden, während die Sensorwiderstandsphasenverzögerung gegenüber einem von einem Frequenzgenerator bereitgestellten Eingangssignal im wesentlichen Null ist. Ein spannungsanhängiger Widerstand, bevorzugt ein Feldeffekttransistor (FET), ist bevorzugt in einem Zweig einer entsprechenden Wheatstone-Brücke vorgesehen. Bei dieser Ausführungsform liefert der Frequenzgenerator ein zeitlich veränderliches Eingangssignal an den spannungsabhängigen Widerstand. Ein Differenzverstärker erfaßt eine etwaige Unsymmetrie in der Wheatstone-Brücke und liefert die erforderliche Leistung zum Ausgleichen der Wheatstone-Brücke über ein Leistungseingangssignal. Somit werden der Widerstand und die Temperatur der Heiz- und/oder Sensorelemente gezwungen, den Widerstand des spannungsabhängigen Widerstands im wesentlichen zu verfolgen oder in diesem Fall das zeitlich variierende Eingangssignal. Dementsprechend werden die Phasenverzögerung zwischen den Heiz- und/oder Sensorelementen und dem zeitlich variierenden Eingangssignal von dem Differenzverstärker gezwungen, im wesentlichen Null zu sein.
Die Laufzeit, die die Temperaturstörung benötigt, um sich von dem Heizelement zum Sensorelement auszubreiten, kann durch Erfassen der Phasenverschiebung des Leistungseingangssignals detektiert werden, das von dem Differenzverstärker zum Ausgleichen der Wheatstone- Brücke des Sensors geliefert wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden zwei oder mehr Frequenzen von dem Frequenzgenerator für die Heiz- und Sensorelemente bereitgestellt. Ein einen FFT-Algorithmus implementierender Prozessor kann dann die Phasenverschiebung der Leistungseingangssignale bestimmen, die für jede der Frequenzkomponenten an die Wheatstone-Brücke des Sensorelements geliefert wird. Eine ideale Frequenz kann beispielsweise durch Extrapolieren aus den gemessenen Phasenverschiebungen im Leistungseingangssignal auf eine einem Idealzustand entsprechende Phasenverschiebung bestimmt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung und viele der damit einhergehenden Vorteile der vorliegenden Erfindung lassen sich ohne weiteres erkennen, wenn sie unter Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung bei Betrachtung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen, in denen in allen Figuren gleiche Referenzzahlen gleiche Teile bezeichnen, besser verstanden werden. Es zeigen:
1, 2 und 3 verschiedene Ansichten einer Ausführungsform eines Mikrobrücken-Strömungssensors nach dem Stand der Technik;
4 eine teilweise weggeschnittene Ansicht eines Fluideigenschafts- und Strömungssensorsystems auf der Basis von Wärmemikrobrücken- oder Mikromembransensoren;
5 eine erste veranschaulichende Querschnittsansicht eines Mikrobrückensensors gemäß der vorliegenden Erfindung mit zwei nachgeschalteten Sensorelementen;
6 eine zweite veranschaulichende Querschnittsansicht eines Mikrobrückensensors gemäß der vorlie genden Erfindung mit einem vorgeschalteten und einem nachgeschalteten Sensorelement;
7 eine dritte veranschaulichende Querschnittsansicht eines Mikrobrückensensors gemäß der vorliegenden Erfindung mit mehr als zwei nachgeschalteten Sensorelementen;
8 eine vierte veranschaulichende Querschnittsansicht eines Mikrobrückensensors gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer Reihe von nachgeschalteten und vorgeschalteten Sensorelementen;
9 ein Schemadiagramm einer veranschaulichenden Ausführungsform, die nicht innerhalb der vorliegenden Erfindung liegt;
10 ein Diagramm, das eine ideale Frequenz für eine Heizungs-Sensor-Kombination und zwei von dem Frequenzgenerator von 9 gelieferte feste Frequenzen zeigt;
11 eine graphische Darstellung, die ein veranschaulichendes Verfahren zum Bestimmen einer idealen Frequenz anhand der gemessenen internen Phasenverzögerungen des Sensorelements bei zwei festen Frequenzen zeigt;
12 eine graphische Darstellung, die ein veranschaulichendes Verfahren zum Bestimmen einer idealen Frequenz anhand der gemessenen internen Phasenverzögerungen des Sensorelements bei zwei festen Frequenzen unter Verwendung der idealen Leistung-Amplitudenkurve von 13 zeigt;
13 eine graphische Darstellung, die ein veranschaulichendes Verfahren zum Bestimmen einer idealen Leistungsamplitude für das sich mit der Zeit ändernde Eingangssignal, das dem Sensorelement geliefert wird;
14 ein Schemadiagramm einer ersten veranschaulichenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die internen Phasenverzögerungen des Heiz- und des Sensorelements auf im wesentlichen Null gezwungen werden;
15 ein ausführlicheres Schemadiagramm einer der Wheatstone-Brücken- und -Verstärkerschaltungen von 14; und
16 ein Diagramm, das eine ideale Frequenz für eine Heizungs-Sensor-Kombination zeigt, wobei von dem Frequenzgenerator von 14 zwei feste Frequenzen geliefert werden, und die entstehende Phasenverschiebung der von dem Differenzverstärker der Sensorschaltung gelieferten Leistungseingangssignale.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung zielt dann auf ein System ab, das ausgewählte Fluideigenschaften bestimmt, einschließlich Wärmeleitfähigkeit, spezifische Wärme, Temperaturleitfähigkeit und Geschwindigkeit eines relevanten Fluids unter Verwendung eines gemeinsamen Frequenzgenerators für die Heiz- und/oder Sensorelemente. Weiterhin wird in Betracht gezogen, daß über eine FFT-Analyse verschiedene Frequenzkomponenten, sofern sie geliefert werden, getrennt und/oder die gewünschten Phasenverzögerungen zwischen ausgewählten Signalen bestimmt werden können.
Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ziehen das Halten eines Heizelements von mikroskopischer Größe in einer Probe des relevanten Fluids in Betracht. Das Mikromembran- oder Mikrosensorsystem oder die "Mikrobrücke", wie sie hier bezeichnet wird, auch wenn dies keine Einschränkung ist, wird gegenwärtig aus mehreren Gründen bevorzugt.
Das System reagiert extrem schnell, ist sehr präzise, wegen seiner vorteilhaften Kopplung an das relevante Fluid sehr empfindlich und klein und läßt sich an eine Vielzahl von Konfigurationen anpassen.
Der Mikrobrücken-Halbleiterchipsensor, der beispielsweise in bestimmten, für die Erfindung bevorzugten Ausführungsformen in Betracht gezogen wird, kann der Form von einem oder mehreren der Mikrobrückensysteme ähneln, die alle in den eigenen US-Patenten Nr. 4,478,076, 4,478,077, 4,501,144, 4,651,564, 4,683,159 und 4,994,035 veranschaulicht sind.
Ein derartiges System wird exemplarisch von den 13 dargestellt, die dem US-Patent Nr. 4,994,035 an Aagard et al. entnommen sind. Es wird nun eine Erörterung dieses Beispiels vorgestellt, da es beim Verständnis der vorliegenden Erfindung hilfreich ist. Wenngleich angenommen wird, daß die vorliegende Erfindung in dem erforderlichen Ausmaß ausreicht, soll alles zusätzliche Material, das in den angeführten, eine Mikrobrücke betreffenden Patenten enthalten ist, durch Bezugnahme hier aufgenommen sein.
Das System der 1-3 nach dem Stand der Technik zieht ein Paar von Dünnfilmtemperatursensoren 22 und 24, eine Dünnfilmheizung 26 und ein Trägerglied 20 in Betracht, das die Sensoren und die Heizung außer Kontakt mit dem Basissubstrat trägt. Diese Sensoren 22 und 24 sind auf gegenüberliegenden Seiten der Heizung 26 angeordnet gezeigt. Das Trägerglied 20 ist aus einem nichtleitenden isolierenden oder halbleitenden Material. Hier wurde wegen seiner Anpassungsfähigkeit an Präzisionsätztechniken und der Leichtigkeit bei der Herstellbarkeit elektronischer Chips Silizium gewählt. Die Ausführungsform enthält zwei identische Temperaturerfassungswiderstandsgitter 22 und 24, die als die Dünnfilmwärmesensoren dienen, und ein zentral angeordnetes Heizungswiderstandsgitter 26, das als die Dünnfilmheizung wirkt.
Die Sensoren 22 und 24 und die Heizung 26 können aus jedem geeigneten stabilen Metall- oder Legierungsfilm hergestellt sein. Bei dem verwendeten Metall kann es sich um eine Platin- oder Nickel-Eisen-Legierung, auch als Permalloy mit einer Zusammensetzung von 80 Prozent Nickel und 20 Prozent Eisen handeln. Die Sensor- und Heizungsgitter sind in einem Dünnfilm aus Dielektrikum verkapselt, das in der Regel die Schichten 28 und 29 und bevorzugt Siliziumnitrid Si₃N₄ umfaßt, um die Filmglieder auszubilden. Zu anderen Dünnfilmmaterialien können SiO₂, MgO, SiC, Al₂O₃ usw. zählen.
In den 1 und 2 umfaßt der Sensor zwei Dünnfilmglieder 32 und 34, wobei das Glied 32 Sensor 22 und Glied 34 Sensor 24 umfaßt, wobei jedes Glied eine Hälfte der Heizung 26 umfaßt und eine bevorzugte Abmessung von 150 Mikrometer breit und 400 Mikrometer lang umfaßt. Es ist jedoch möglich, daß die Heizung 26 nur 10 Mikrometer breit und 30 Mikrometer lang ist.
Das System beschreibt weiterhin einen präzise definierten Fluidraum (Flüssigkeit oder Gas) 30, der die Elemente 22, 24, 26 effektiv umgibt und erzielt wird durch Herstellen der Struktur auf der Siliziumoberfläche 36. Die Dünnfilmelemente 22, 24 und 26 weisen Dicken von etwa 0, 08 bis 0, 12 Mikrometer mit Linienbreiten in der Größenordnung von 5 Mikrometer und Räumen zwischen Linien in der Größenordnung von 5 Mikrometer auf. Die in dem Siliziumnitridfilm verkapselten Elemente weisen bevorzugt eine Gesamtdicke von etwa 0,8 Mikrometer oder weniger auf. Der Fluidraum 30 kann durch nachträgliches Ätzen einer präzise definierten siliziumfreien Vertiefung von etwa 100 Mikrometer tief im Siliziumkörper 20 unter den Gliedern 32 und 34 hergestellt werden.
Die Glieder 32 und 34 sind an einem oder mehreren Rändern eines geätzten Lochs oder einer geätzten Vertiefung 30 mit der oberen Oberfläche 36 des Halbleiterkörpers 20 verbunden. Wie in 3 dargestellt, können die Glieder 32 und 34 die Vertiefung 30 überbrücken; alternativ könnten beispielsweise die Glieder 32 und 34 über der Vertiefung 30 auskragend sein oder Teil einer durchgehenden oberen Membranoberfläche sein, ausgebildet nach dem Wegätzen des Siliziums von der Rückseite.
Bei dem gezeigten System strömt Wärme sowohl über feste als auch Fluidankopplungen dazwischen von der Heizung zu dem Sensor. Hervorzuheben ist die Tatsache, daß Siliziumnitrid (Si₃N₄) nicht nur ein guter elektrischer Isolator ist, sondern auch ein effektiver fester Wärmeisolator. Wegen der effektiven Wärmeisolierung dominiert die Wärmeübertragung durch das feste Siliziumnitrid innerhalb der Glieder 32 und 34 nicht die Ausbreitung von Wärme von der Heizung 26. Dies ermöglicht weiterhin die Leitung einer relativ hohen Wärmemenge zu den erfassenden Widerständen 22 und 24 vom Heizungswiderstand 26 über Übertragung durch das umgebende Fluid anstatt durch den tragenden Nitridfilm. Außerdem weist der tragende Siliziumnitridfilm eine Wärmeleitfähigkeit auf, die niedrig genug ist, daß die erfassenden Widerstandsgitter 22 und 24 unmittelbar neben das Heizungswiderstandsgitter 26 oder diesem benachbart angeordnet werden können. Somit sind erfassende Widerstandsgitter 22 und 24 effektiv starr in dem Fluidraum in der Nähe des Heizungswiderstands 26 aufgehängt und wirken als Wärmesonden zum Messen der Temperatur des Fluids in der Nähe und in der Ebene des Heizungswiderstandsgitters 26.
4 ist eine teilweise weggeschnittene Ansicht eines Strömungssensorsystems auf der Basis von Thermomikrosensoren, die im Verlauf eines Strömungsrohrs angeordnet sind. Ein Hauptströmungskanal 200 mit einer Zentralbohrung 202 ist an das Rohr angeschlossen, das am meisten von dem relevanten Fluid führt. Eine erste Kammer 204 steht mit der Zentralbohrung 202 des Hauptströmungskanals 200 über eine Einzelbohrung 206 in Fluidverbindung. Ein Kopfteil 208 mit einem daran angebrachten ersten Mikrobrücken- oder Mikromembransensor 210 wird in die erste Kammer 204 eingesetzt und an dem Hauptströmungskanal 200 befestigt, wie gezeigt. In dieser Konfiguration ist der erste Mikrobrückensensor einem gewissen Anteil des relevanten Fluids mit einer Strömung von im wesentlichen Null exponiert. Der erste Mikrobrückensensor 210 wird in der Regel zum Messen von Fluideigenschaften verwendet wie etwa Wärmeleitfähigkeit, Temperaturleitfähigkeit, spezifische Wärme, Temperatur und Druck.
Ein zweiter Sensor 222 ist in einem Bypass-Kanal 214 positioniert. Bei dieser Konfiguration ist der zweite Mikrobrückensensor 222 der Strömung des relevanten Fluids exponiert. Der zweite Mikrobrückensensor 222 wird in der Regel zum Messen von Fluidgeschwindigkeit verwendet.
5 ist eine erste veranschaulichende Querschnittsansicht eines Mikrobrückensensors mit zwei nachgeschalteten Sensorelementen. Wenn Kalibrierungsdaten zum Messen der Wärmeleitfähigkeit, der Temperaturleitfähigkeit, der spezifischen Wärme und/oder der Geschwindigkeit eines relevanten Fluids verwendet werden, wird möglicherweise nur ein Heizelement oder ein Heizelement und ein Sensorelement benötigt. Wie unten ausführlicher erörtert, enthalten jedoch einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Heizelement 224 und mindestens zwei beabstandete Sensorelemente 226 und 228. Beispielsweise können beim Messen der Fluidgeschwindigkeit mindestens zwei Sensorelemente 226 und 228 vorgesehen sein, die jeweils bevorzugt mit einer anderen Entfernung von dem Heizelement 224 beabstandet sind. Bei dem veranschau lichenden Diagramm ist der Sensor 226 in einer ersten Entfernung "d₁" vom Heizelement 224 und der Sensor 228 in einer zweiten Entfernung "d₂" von dem Heizelement 224 beabstandet. Sowohl Sensor 226 als auch 228 sind hinter dem Heizelement 224 gezeigt.
Das Heizelement 224 ist mit einem Trägerglied 228 gezeigt, das das Heizelement 230 außer Kontakt mit dem Basissubstrat 232 trägt. Das Heizelement 224 und das Trägerglied 230 bilden ein Heizfilmglied. Analog ist das Sensorelement 226 mit einem Trägerglied 234 gezeigt, das das Sensorelement 226 außer Kontakt mit dem Basissubstrat 230 trägt. Das Sensorelement 226 und das Trägerglied 234 bilden zusammen ein erstes Sensorfilmglied. Das Sensorelement 228 schließlich ist mit einem Trägerglied 236 gezeigt, das das Sensorelement 228 außer Kontakt mit dem Basissubstrat 230 zeigt. Das Sensorelement 228 und das Trägerglied 236 bilden zusammen ein zweites Sensorfilmglied.
Das Heizelement 224 und die Sensorelemente 226 und 228 können aus einem beliebigen geeigneten stabilen Metall oder einer beliebigen geeigneten stabilen Legierung wie etwa Platin, Nickel, Eisen-Nickel usw. hergestellt sein. Bei dem Heizelement 224 und den Sensorelementen 226 und 228 kann es sich um ein beliebiges Widerstandselement einschließlich einem Draht, aber bevorzugt um einen Film handeln. Außerdem können das Heizelement 224 und die Sensorelemente 226 und 228 eine beliebige Gestalt aufweisen, wie etwa ein Gittermuster, wie oben beschrieben, oder einfach eine Linie. Wie oben angedeutet, sind das Heizelement 224 und die Sensorelemente 226 und 228 bevorzugt in einem dünnen Film aus Dielektrikum wie etwa Si₃N₄, SiO₂, MgO, SiC, Al₂O₃ verkapselt, um die Trägerglieder 230, 234 und 236 zu bilden.
Es wird bevorzugt ein präzise definierter Fluidraum 240 vorgesehen, der das Heizelement 224 und die Sensor elemente 226 und 228 effektiv umgibt und durch Herstellen der Struktur auf einer Siliziumoberfläche 242 erreicht wird. Das Heizelement 224 und die Sensorelemente 226 und 228 weisen bevorzugt eine Dicke von etwa 0,08 bis 0,12 Mikrometer bei Linienbreiten in der Größenordnung von 5 Mikrometer und, falls ein Gitter verwendet wird, Räumen zwischen den Linien in der Größenordnung von 5 Mikrometer auf. Der Fluidraum 240 kann hergestellt werden, indem danach eine präzise definierte Vertiefung etwa 100 Mikrometer tief in das Siliziumsubstrat 232 unter dem Heizelement 224 und den Sensorelementen 226 und 228 geätzt wird. Ein weiteres Verfahren kann das Ausbilden einer Membranstruktur beinhalten, indem das Silizium von der Rückseite des Siliziumsubstrats 232 aus ausgeätzt wird.
Das Trägerglied 230 und das Heizelement 224 sind bevorzugt an einem oder mehreren Rändern eines geätzten Lochs oder einer geätzten Vertiefung 240 mit der oberen Oberfläche 242 des Halbleitersubstrats 232 verbunden. Das Trägerglied 230 und das Heizelement 224 können wie gezeigt die Vertiefung 240 überbrücken oder können alternativ beispielsweise über der Vertiefung 240 auskragend sein. Die Sensorelemente 234, 226 und 228 sind bevorzugt ähnlich konstruiert. Es ist zu erkennen, daß auf gleich Weise jede beliebige Anzahl von Heiz- und Sensorelementen vorgesehen sein kann. Zu Veranschaulichungszwecken jedoch sind in 5 nur ein Heizelement 224 und zwei Sensorelemente 226 und 228 gezeigt.
Das Heizelement 224 erzeugt eine Wärmestörung in dem Fluid. Jedes der Sensorelemente 226 und 228 kann die Ankunft der Wärmestörung an seinem jeweiligen Ort erfassen. Von Interesse sind die Laufzeiten, die die Temperaturstörung benötigt für die Ausbreitung von dem Heizelement 224 zu jedem der Sensorelemente 226 und 228. Wie unten ausführlicher beschrieben kann, weil die Sensorelemente 226 und 228 in verschiedenen Entfernungen von dem Heizelement angeordnet sind, die Fluidgeschwindigkeit insbesondere dann relativ unabhängig von den Fluideigenschaften bestimmt werden, wenn die Abstände im Vergleich zu den diffusionsgesteuerten Verschiebungen relativ groß sind. Anstatt beide Sensoren hinter dem Heizelement vorzusehen, wie in 5 gezeigt, wird in Betracht gezogen, daß ein Sensorelement 250 vor und ein anderer Sensor 252 hinter dem Heizelement 254 plaziert werden kann, wie in 6 gezeigt.
Wieder unter Bezugnahme auf ausgewählte Fluidgeschwindigkeitsmessungen und zum Reduzieren der möglichen negativen Effekte der Temperaturleitfähigkeit und anderer Eigenschaften des Fluids bei niedrigen Strömungsraten wird in Betracht gezogen, daß eine erste Menge von Sensorelementen zum Messen von niedrigen Strömungsraten und eine andere Menge für höhere Strömungsraten verwendet werden kann. Beispielsweise können in 7 jene Sensoren, die am nächsten am Heizelement positioniert sind, wie etwa die Sensorelemente 280 und 282, zum Messen von niedrigen Strömungsraten verwendet werden, da die Temperaturleitfähigkeitskomponente möglicherweise sogar bei den niedrigen Strömungsraten bei der entsprechenden Amplitude und Frequenz vernachlässigbar ist. Analog können Sensorelemente, die von dem Heizelement weiter weg positioniert werden, zum Messen der höheren Strömungsraten verwendet werden, einschließlich dem Sensor 284. Bei Verwendung dieses Ansatzes kann der Effekt der Temperaturleitfähigkeitskomponente auf die Strömungsratenmessung auf ein Minimum reduziert werden.
Zusätzlich wird in Betracht gezogen, daß ein eine höhere Amplitude aufweisendes Heizungseingangssignal bereitgestellt werden kann, wenn hohe Strömungsraten gemessen werden, und umgekehrt ein eine niedrigere Amplitude aufweisendes Heizungseingangssignal bereitgestellt werden kann, wenn niedrige Strömungsraten gemessen werden. Eine eine höhere Amplitude aufweisende Temperaturstörung läßt sich leichter detektieren, kann aber die Geschwindigkeit der Temperaturleitfähigkeitskomponente in dem Fluid erhöhen. Somit kann ein eine niedrigere Amplitude aufweisendes Heizungseingangssignal die Geschwindigkeit der Temperaturleitfähigkeitskomponente reduzieren und bei niedrigeren Strömungsraten für präzisere Ergebnisse sorgen.
8 ist eine vierte veranschaulichende Querschnittsansicht eines Mikrobrückensensors gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer Reihe von nachgeschalteten und vorgeschalteten Sensorelementen. Bei dieser Ausführungsform sind mehrere Paare von Sensorelementen sowohl in der Richtung stromauf als auch stromab gleichermaßen von dem Heizelement beabstandet. Wenn Kalibrierungsdaten zum Messen der Wärmeleitfähigkeit, der Temperaturleitfähigkeit, der spezifischen Wärme und/oder der Fluidgeschwindigkeit eines relevanten Fluids verwendet werden, wird möglicherweise nur ein Heizelement und ein Sensorelement benötigt. Wie unten ausführlicher erörtert, enthalten jedoch einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Heizelement und mindestens zwei beabstandete Sensorelemente 300 und 302. Beispielsweise beim Messen der Fluidgeschwindigkeit unter Verwendung von mindestens zwei beabstandeten Sensorelementen 300 und 302 werden möglicherweise nur die Ausgangssignale von ausgewählten Sensorelementen, die in unterschiedlichen Entfernungen von dem Heizelement beabstandet sind, ausgewählt. Dadurch kann die Fluidgeschwindigkeit relativ unabhängig von den anderen Fluideigenschaften erhalten werden, wie unten ausführlicher erörtert wird.
9 ist ein Schemadiagramm einer veranschaulichenden Ausführungsform, die nicht innerhalb der vorliegenden Erfindung liegt. Ein gemeinsamer Frequenzgenerator 400 liefert ein sich mit der Zeit änderndes Eingangssignal an ein Heizelement 402, ein erstes Sensorelement 404 und ein zweites Sensorelement 406 über Wheatstone-Braut-Schaltungen 408, 410 bzw. 412. Differenzverstärker 416, 418 und 420 liefern ein Heizungsausgangssignal 422, ein erstes Sensorausgangssignal 424 bzw. ein zweites Sensorausgangssignal 426. Die Ausgangssignale sind repräsentativ für den Widerstand und somit die Temperatur des entsprechenden Elements.
Ein Prozessor 430 empfängt das von dem Frequenzgenerator 400 gelieferte, mit der Zeit veränderliche Eingangssignal zusammen mit dem Heizungsausgangssignal 422, dem ersten Sensorausgangssignal 424 und dem zweiten Sensorausgangssignal 426. Bei einer bevorzugten Ausführungsform bestimmt der Prozessor 430 ausgewählte Phasenverzögerungen zwischen diesen Signalen über eine FFT- und/oder Kreuzkorrelationsanalyse, wie unten ausführlicher beschrieben wird.
Zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit, des Drucks und/oder der Temperatur eines relevanten Fluids wird in Betracht gezogen, daß nur das Heizelement 402 eingesetzt werden muß. Weil das Heizelement 402 eng an das relevante Fluid gekoppelt ist, beeinflußt die Wärmeleitfähigkeit k des Fluids direkt das mit der Zeit veränderliche Temperaturverhalten des Heizelements 402. Weiterhin hängt in der Regel die Wärmeleitfähigkeit des Fluids von dem Druck und/oder der Temperatur des Fluids ab. Es hat sich somit herausgestellt, daß die Wärmeleitfähigkeit, der Druck und/oder die Temperatur des relevanten Fluids bestimmt werden kann durch Untersuchen einer variablen Phasenverzögerung oder Zeitverzögerung zwischen dem an das Heizelement 402 gelieferten, sich mit der Zeit ändernden Eingangssignal und einem nachfolgenden Temperaturübergangsverhalten des Heizelements 402 bei Messung mit einer Fluidströmung von im wesentlichen Null.
Zum Bestimmen der variablen Phasenverzögerung oder Zeitverzögerung zwischen dem sich mit der Zeit ändernden Eingangssignal 432 und dem Heizungsausgangssignal 422 wird in Betracht gezogen, daß der Prozessor 430 eine bekannte FFT-Analyse und/oder ein Kreuzkorrelationsverfahren verwenden kann. Bei Verwendung einer FFT-Analyse und/oder eines Kreuzkorrelationsverfahrens kann die Phasenverzögerung zwischen dem sich mit der Zeit ändernden Eingangssignal 432 und dem Heizungsausgangssignal 422 bestimmt werden. Beispielsweise kann die Wärmeleitfähigkeit k des relevanten Fluids aus der Phasenverzögerung berechnet werden, wobei die Beziehung k = {–2fcpvt/tan(γ) – h3}L1 (1)verwendet wird, wobei

c_pv: = die spezifische Wärme pro Volumeneinheit: für den Heizfilm und das Trägerglied (10% Platin, 90% Si₃N₄ – Mikrobrückenverbundwerkstoff, J/(cm³k);
t: = die Dicke des Heizfilms, cm
h₃: = der Koeffizient der leitenden Wärmeübertragung zum Substrat, W/cm³; und
L₁: = die charakteristische Länge der Wärmeleitung von dem Heizelement in die Fluidphase, cm.

Die Ableitung der Gleichung (1) und eine weitere Erörterung davon findet man in der obenerwähnten, am 31.12.1998 eingereichten US-Patentanmeldung mit der laufenden Nummer 09/002,156 mit dem Titel "METHOD AND APPRRATUS FOR MEASURING SELECTED PROPERTIES OF A FLUID OF INTEREST USING A SINGLE HEATER ELEMENT", was durch Bezugnahme hier aufgenommen ist.
Zum Bestimmen weiterer Fluideigenschaften wie etwa der Temperaturleitfähigkeit, der spezifischen Wärme und/oder der Fluidgeschwindigkeit können das Heizelement 402 und ein Sensorelement 404 verwendet werden. Bevorzugt wird der Frequenzgenerator 400 zuerst durch eine Wheatstone-Brücke 408 selektiv an das Heizelement 402 gekoppelt. Dies verursacht in dem relevanten Fluid eine Temperaturstörung, die von dem Sensorelement 404 detektiert werden kann. Somit kann der Prozessor 430 eine Heizung-zu-Sensor-Phasenverzögerung zwischen dem Heizelement 402 und dem Sensorelement 404 bestimmen, wobei bevorzugt eine FFT-Analyse und/oder ein Kreuzkorrelationsverfahren verwendet wird.
Zum Reduzieren der Effekte der internen Phasenverzögerung des Sensorelements 404 auf die Laufzeit kann der Frequenzgenerator 400 über einen Schalter 440 von dem Heizelement abgekoppelt und dann über einen Schalter 442 an das Sensorelement 404 gekoppelt werden. Eine interne Phasenverzögerung zwischen dem dem Sensorelement 404 gelieferten, sich mit der Zeit ändernden Eingangssignal und dem Sensorausgangssignal 424 kann dann ohne Interferenz von einer Temperaturstörung in dem Fluid, durch das Heizelement 402 verursacht, bestimmt werden.
Eine erste Laufzeit 425 vom Heizelement 402 zum Sensorelement 404 kann dann bestimmt werden, indem die interne Phasenverzögerung des Sensorelements 404 von der Heizung-zu-Sensor-Phasenverzögerung subtrahiert wird. Wenn das relevante Fluid unter Strömungsbedingungen steht, kann die Fluidgeschwindigkeit aus der ersten Laufzeit 425 nach einer vorausgegangenen Kalibrierung bestimmt werden. Wenn das relevante Fluid eine Strömung von im wesentlichen Null aufweist, kann die Temperaturleitfähigkeit D_t dann unter Verwendung der folgenden Beziehung bestimmt werden: Dt = d2/4Δz (2),wobei

d: = die effektive Entfernung zwischen dem Heizelement 402 und dem Sensorelement 404 und
Δz: = die Laufzeit zwischen dem Heizelement 402 zu dem Sensorelement 404 bei einer Strömung von im wesentlichen Null.

Die volumetrische spezifische Wärme c_pv des relevanten Fluids kann dann über die folgende Beziehung bestimmt werden cpv = k/Dt (3),wobei

k: = die Wärmeleitfähigkeit des relevanten Fluids,
D_t: = die oben bestimmte Temperaturleitfähigkeit.

Die Ableitung der Gleichungen (2) und (3) und eine weitere Erörterung davon findet sich in der obenerwähnten, am 31.12.1997 eingereichten US-Patentanmeldung mit der laufenden Nummer 09/002,156 mit dem Titel "TIME LAG APPROACH FOR MEASURING THERMAL CONDUCTIVITY AND SPECIFIC HEAT", die durch Bezugnahme hier aufgenommen worden ist.
Ein veranschaulichendes Verfahren zum Bestimmen einer ausgewählten Eigenschaft eines relevanten Fluids kann dementsprechend die folgenden Schritte beinhalten: Bereitstellen eines sich mit der Zeit ändernden Eingangssignals; Koppeln des Eingangssignals an das Heizelement; Erfassen der Temperaturänderung im relevanten Fluid an einer entfernten Stelle über das Sensorelement; Bestimmen der Heizung-zu-Sensor-Phasenverzögerung für die Ausbreitung der Temperaturänderung im Fluid von dem Heizelement zum Sensorelement; Entkoppeln des Eingangssignals von dem Heizelement; Koppeln des Eingangssignals an das Sensorelement, wobei das Eingangssignal eine Temperaturänderung im Sensorelement verursacht; Bestimmen einer Sensorphasenverzögerung zwischen dem Eingangssignal und der entsprechenden Temperaturänderung im Sensorelement; Subtrahieren der Sensorphasenverzögerung von der Heizung-zu-Sensor-Phasenverzögerung zum Bereitstellen einer Laufzeitphasenverzögerung und Bestimmen der ausgewählten Eigenschaft des relevanten Fluids unter Verwendung der Laufzeitphasenverzögerung.
Es wird in Betracht gezogen, daß auch ein zweites Sensorelement 406 bereitgestellt werden kann. Bei Einsatz des oben beschriebenen Ansatzes kann eine zweite Heizung-zu-Sensor-Phasenverzögerung zwischen dem Heizelement 402 und dem zweiten Sensorelement 406 bestimmt werden. Analog kann die interne Phasenverzögerung des zweiten Sensorelements 406 bestimmt werden. Durch Subtrahieren der internen Phasenverzögerung des zweiten Sensorelements 406 von der entsprechenden Heizung-zu-Sensor-Phasenverzögerung kann eine zweite Laufzeit 427 bestimmt werden. Über die erste und zweite Laufzeit kann die Fluidgeschwindigkeit relativ unabhängig von dem relevanten Fluid ohne vorherige Kalibrierung unter Verwendung der folgenden Beziehung bestimmt werden: V = {(d1 2/Δz1 – d2 2/Δz2)/(Δz1 – Δz2)}0,5 (4), wobei

d₁: = die Entfernung zwischen dem Heizelement 402 und dem ersten Sensorelement 404;
d₂: = die Entfernung zwischen dem Heizelement 402 und dem zweiten Sensorelement, wobei |d₁| ≠ |d₂|;
Δz₁: = der erste Zeitverzögerungswert und
Δz₂: = der zweite Zeitverzögerungswert.

Die Ableitung von Gleichung (4) und eine weitere Erörterung davon findet man in der am 31.12.1997 eingereichten US-Patentanmeldung mit der laufenden Nummer 09/002,157 mit dem Titel "TIME LAG APPROACH FOR MEASURING FLUID VELOCITY", die durch Bezugnahme hier aufgenommen worden ist.
Somit kann ein veranschaulichendes Verfahren zum Bestimmen der Geschwindigkeit eines relevanten Fluids die folgenden Schritte beinhalten: Bereitstellen eines sich mit der Zeit ändernden Eingangssignals; Koppeln des Eingangssignals an ein Heizelement; Erfassen der Temperaturänderung in dem relevanten Fluid an einem ersten beabstandeten Ort über ein erstes Sensorelement; Bestimmen einer ersten Heizung-zu-Sensor-Phasenverzögerung für die Ausbreitung der Temperaturänderung in dem Fluid von dem Heizelement zu dem ersten Sensorelement; Erfassen der Temperaturänderung in dem relevanten Fluid an einem zweiten beabstandeten Ort über ein zweites Sensorelement; Bestimmen einer zweiten Heizung-zu-Sensor-Phasenverzögerung für die Ausbreitung der Temperaturänderung in dem Fluid von dem Heizelement zu dem zweiten Sensorelement; Entkoppeln des Eingangssignals von dem Heizelement; Koppeln des Eingangssignals an das erste Sensorelement; Bestimmen einer ersten Sensorphasenverzögerung zwischen dem Eingangssignal und der entsprechenden Temperaturänderung in dem ersten Sensorelement; Subtrahieren der ersten Sensorphasenverzögerung von der ersten Heizung-zu-Sensor-Phasenverzögerung zum Bereitstellen einer ersten Laufzeitphasenverzögerung; Koppeln des Eingangssignals an das zweite Sensorelement, wobei das Eingangssignal eine Temperaturänderung im zweiten Sensorelement verursacht; Bestimmen einer zweiten Sensorphasenverzögerung zwischen dem Eingangssignal und der entsprechenden Temperaturänderung in dem zweiten Sensorelement; Subtrahieren der zweiten Sensorphasenverzögerung von der zweiten Heizung-zu-Sensor-Phasenverzögerung zum Bereitstellen einer zweiten Laufzeitphasenverzögerung und Bestimmen der Geschwindigkeit des relevanten Fluids unter Verwendung der ersten Laufzeitphasenverzögerung und der zweiten Laufzeitphasenverzögerung.
Bei einer weiteren veranschaulichenden Ausführungsform kann der Frequenzgenerator zwei oder mehr festgelegte Frequenzen entweder sequentiell oder gleichzeitig an das Heizelement 402 und eines oder beide der Sensorelemente 404 und 406 liefern. Bei gleichzeitiger Bereitstellung der Frequenzen werden die Schalter 440, 442 und 444 bevorzugt so gesetzt, daß das sich mit der Zeit ändernde Eingangssignal 432 an die entsprechenden Heiz- und Sensorelemente geliefert wird.
Die festen Frequenzen werden bevorzugt so ausgewählt, daß sie einer idealen Frequenz nahekommen. Eine ideale Frequenz ist definiert als diejenige Frequenz, die bewirkt, daß die Temperaturstörung in dem Fluid beispielsweise am Sensorelement 404 zur gleichen Zeit ankommt, wie dieses Sensorelement 404 von dem sich mit der Zeit ändernden Eingangssignal bestromt wird. Unter Bezugnahme auf 10 ist eine ideale Frequenz bei 500 gezeigt und weist eine Spitze sowohl bei dem Heizelement 402 als auch dem ersten Sensorelement 404 auf. Wie offensichtlich ist, hängt die ideale Frequenz in der Regel von einer Reihe von Faktoren ab, einschließlich der Entfernung zwischen dem Heizelement 402 und dem Sensorelement 404, ausgewählten Eigenschaften des Fluids, der ausgewählten Phasenverzögerung zwischen Heizungs- und Sensoreingangssignalen, der Geschwindigkeit des Fluids usw..
Die Amplitude des dem Sensorelement 404 gelieferten Eingangssignals kann über den Widerstand 450 so eingestellt werden, daß die Temperatur des Sensorelements 404 der Amplitude der Temperaturstörung in dem Fluid nahekommt. In einem idealen Fall bewirkt die Frequenz und Amplitude des dem Sensorelement 404 gelieferten Eingangssignals 452, daß die interne Phasenverzögerung des Sensorelements der internen Phasenverzögerung des Sensorelements unter Vakuumbedingungen entspricht. Unter einer Vakuumbedingung wird keine Wärme von dem Sensorelement zu oder von dem relevanten Fluid übertragen, und somit läuft die Temperatur des Sensorelements 404 der Temperatur des Fluids im wesentlichen nach. Nachdem die ideale Frequenz identifiziert ist, kann die Laufzeit der Temperaturstörung im Fluid bestimmt werden.
Zum Bestimmen der idealen Frequenz wird in Betracht gezogen, daß zwei oder mehr feste Frequenzen sowohl an das Heizelement 402 als auch beispielsweise das Sensorelement 404 geliefert werden können. Die interne Phasenverzögerung des Sensorelements 404 für jede der Frequenzkomponenten wird dann durch den Prozessor 430 bestimmt, wobei beispielsweise eine FFT-Analyse und/oder ein Kreuzkorrelationsverfahren verwendet wird, wie oben beschrieben. Die ideale Frequenz kann dann beispielsweise durch Extrapolieren von den internen Phasenverzögerungen bei den festen Frequenzen auf eine ideale Frequenz bestimmt werden, die eine interne Phasenverzögerung ergeben würde, die gleich der internen Phasenverzögerung des Sensorelements 404 unter Vakuumbedingungen ist. Die interne Phasenverzögerung der Sensorelemente 404 und 406 unter Vakuumbedingungen kann während einer Kalibrierungsprozedur bestimmt werden. Während der Kalibrierungsprozedur können die Sensorelemente 404 und 406 einer Vakuumbedingung ausgesetzt werden, und die internen Phasenverzögerungen davon können vom Prozessor 430 bestimmt werden.
Speziell unter Bezugnahme auf 11 wird eine Kurve 550 gezeigt, die die interne Phasenverzögerung des ersten Sensorelements 404 unter Vakuumbedingungen über der Frequenz darstellt. Bevorzugt wird eine der von dem Frequenzgenerator 400 (siehe 9-10) gelieferten festen Frequenzkomponenten (f1) so ausgewählt, daß sie niedriger ist als die erwartete ideale Frequenz (fb). Analog wird eine der vom Frequenzgenerator 400 gelieferten festen Frequenzkomponenten (f2) so gewählt, daß sie höher ist als die erwartete ideale Frequenz (fb). Die ideale Frequenz (fb) kann dann bestimmt werden durch Interpolieren zwischen den internen Phasenverzögerungen bei den festen Frequenzen, um die Frequenz zu bestimmen, die die Kurve 550 kreuzt. Diese Frequenz stellt die ideale Frequenz für das Heizung-Sensor-Paar dar. Aus der idealen Frequenz kann die Laufzeit vom Heizelement zum Sensorelement wie oben beschrieben berechnet werden.
Die Wärmeleitfähigkeit und die spezifische Wärme können über die Laufzeit berechnet werden, wenn das Fluid eine Strömung von im wesentlichen Null aufweist. Analog kann die Geschwindigkeit des Fluids anhand der Laufzeit bestimmt werden, wenn eine vorausgegangene Kalibrierung durchgeführt worden ist.
Es ist anerkannt, daß die Amplitude des Eingangssignals die interne Phasenverzögerung des Sensorelements auch unter Vakuumbedingungen beeinflussen kann. Beispielsweise sind in 12 eine Reihe von Phasenverzögerungskurven 600-604 unter Vakuumbedingungen gezeigt, die jeweils einem eine andere Amplitude aufweisenden Eingangssignal entsprechen. Damit die ideale Frequenz für das erste Sensorelement 406 präziser bestimmt werden kann, kann es somit wünschenswert sein, die Amplitude des Eingangssignals 452 zu berücksichtigen.
13 zeigt drei Kurven 650, 652 und 654, die das Temperaturverhalten des Sensorelements 406 über der Amplitude des Eingangssignals 452 unter Vakuumbedingungen bei drei Frequenzen f1, f2 und f3 darstellen. Gezeigt sind außerdem drei Kurven 666, 668 und 670, die das Temperaturverhalten des Sensorelements 406 über der Amplitude des Eingangssignals 452 unter Nicht-Vakuumbedingungen bei den gleichen drei Frequenzen F1, F2 und F3 darstellen. Die ideale Amplitude des Eingangssignals 452 entspricht dem Schnittpunkt einer Amplitudenkurve unter Nicht-Vakuumbedingungen und einer Amplitudenkurve unter Vakuumbedingungen bei der idealen Frequenz Fb (siehe 12). Die ideale Amplitude für das Eingangssignal kann zum Bestimmen der idealen Frequenz Fb bestimmt werden, wie oben unter Bezugnahme auf 12 erörtert. Da es zwei Unbekannte gibt, nämlich die ideale Frequenz (Fb) und die ideale Amplitude (Pb) des Eingangssignals und zwei Mengen von Kurven, nämlich die in 12 und 13 gezeigten, können die ideale Frequenz (Fb) und die ideale Amplitude (Pb) des Eingangssignals über herkömmliche Verfahren verwendet werden, und zwar unter der Annahme, daß ausreichend kleine Änderungen bei A und P das Problem mit linearen Gleichungen gelöst werden kann.
Wieder unter Bezugnahme auf 9 wird in Betracht gezogen, daß eine zweite Laufzeit vom Heizelement 402 und dem zweiten Sensorelement 406 auf ähnliche Weise bestimmt werden kann. Unter Verwendung sowohl der ersten als auch der zweiten Laufzeit kann die Geschwindigkeit des relevanten Fluids relativ unabhängig von den Eigenschaften des Fluids unter Einsatz der Beziehung von Gleichung (4) bestimmt werden.
Dementsprechend kann ein veranschaulichendes Verfahren zum Bestimmen einer ausgewählten Eigenschaft eines relevanten Fluids die folgenden Schritte beinhalten: Bestromen eines Heizelements und eines ersten Sensorelements mit mindestens zwei sich mit der Zeit ändernden Eingangssignalen, die jeweils eine andere Frequenz aufweisen; Erfassen der Widerstandsänderung des ersten Sensorelements; Bestimmen einer Verzögerung zwischen ausgewählten der mindestens zwei sich mit der Zeit ändernden Eingangssignale und der entsprechenden Widerstandsänderung des ersten Sensorelements und Bestimmen einer ersten idealen Eingabefrequenz, die zwischen einem idealen, sich mit der Zeit ändernden Eingangssignal und der Widerstandsänderung des ersten Sensorelements eine Phasenverzögerung erzeugen würde, die einem ersten kalibrierten Phasenverzögerungswert im wesentlichen gleich ist.
Ein Verfahren zum Bereitstellen von Kalibrierungsphasenverzögerungsdaten für das erste Sensorelement kann den folgenden Schritt beinhalten: Unterziehen des ersten Sensorelements einer Vakuumbedingung; Bestromen des ersten Sensorelements mit einem oder mehreren ersten Sensoreingangssignalen, die jeweils eine andere Frequenz aufweisen; und Bestimmen einer Reihe erster kalibrierter Phasenverzögerungswerte zwischen den ersten Sensoreingangssignalen und der entsprechenden Widerstandsänderung des ersten Sensorelements. Ähnliche Verfahren können für ein zweites Sensorelement verwendet werden.
Die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 14 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform werden die internen Phasenverzögerungen der Heiz- und/oder Sensorelemente auf im wesentlichen Null gezwungen, und die Laufzeit vom Heizelement zu einem Sensorelement wird anhand einer Phasenverzögerung in dem den jeweiligen Sensorelementen gelieferten Leistungssignal bestimmt.
Insbesondere unter Bezugnahme auf 14 ist ein Heizelement 402 in einem Zweig einer modifizierten Wheatstone-Brücke 704 enthalten. Die modifizierte Wheatstone-Brücke enthält einen spannungsabhängigen Widerstand 706 in dem dem Heizelement 702 gegenüber liegenden Zweig, der durch ein von einem Frequenzgenerator 700 gelieferten, sich mit der Zeit ändernden Eingangssignal 712 gesteuert wird. Ein Differenzverstärker 708 erfaßt eine etwaige Unsymmetrie in der Wheatstone-Brücke 704 und liefert die erforderliche Leistung zum Ausgleichen der Wheatstone-Brücke 704 über ein Leistungseingangssignal 710. Bei dieser Figuration werden der Widerstand und deshalb die Temperatur des Heizelements 702 gezwungen, den Widerstand des des spannungsabhängigen Widerstands 706 oder in diesem Fall dem sich mit der Zeit ändernden Eingangssignal 712 zu folgen. Nach Definition wird somit die Phasenverzögerung zwischen der Temperatur des Heizelements 702 und dem sich mit der Zeit ändernden Eingangssignal auf im wesentlichen Null gezwungen.
Zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit des relevanten Fluids kann der Prozessor 740 die Phasenverschiebung im Leistungseingangssignal 710 relativ zu einer vorbestimmten Referenz- oder Kalibrierungsfunktion wie etwa Gleichung (1) bestimmen. Der Prozessor 740 kann dann die Phasenverschiebung im Leistungseingangssignal 710 zu der Wärmeleitfähigkeit des relevanten Fluids in Beziehung setzen.
Zur Bestimmung der Temperaturleitfähigkeit, der spezifischen Wärme und der Geschwindigkeit eines relevanten Fluids kann ein erstes Sensorelement 720 in einem Zweig einer zweiten modifizierten Wheatstone-Brücke 722 enthalten sein. Die zweite Wheatstone-Brücke 722 enthält in dem Zweig gegenüber dem ersten Sensorelement 720 einen spannungsabhängigen Widerstand 724, der von dem sich mit der Zeit ändernden Eingangssignal gesteuert wird. Die Amplitude des sich mit der Zeit ändernden Eingangssignals wird bevorzugt durch den Widerstand 726 reduziert, bevor es an den spannungsabhängigen Widerstand 724 der zweiten modifizierten Wheatstone-Brücke 722 geliefert wird, so daß die Temperatur des ersten Sensorelements 720 der Temperaturstörung im Fluid im wesentlichen nachläuft. Das Ausmaß, in dem die Amplitude reduziert wird, kann durch vorhergehende Kalibrierung bestimmt werden.
Wie oben erfaßt ein Differenzverstärker 728 eine etwaige Unsymmetrie in der zweiten Wheatstone-Brücke 722 und liefert die erforderliche Leistung zum Ausgleichen der Brücke 722 über ein Leistungseingangssignal 730. Bei dieser Konfiguration werden der Widerstand und die Temperatur des ersten Sensorelements 720 gezwungen, den Widerstand des spannungsabhängigen Widerstands 724 oder in diesem Fall dem sich mit der Zeit ändernden Eingangssignal 712 mit einer reduzierten Amplutude nachzulaufen. Nach Definition wird dann die Phasenverzögerung zwischen der Temperatur des ersten Sensorelements 720 und dem von dem Frequenzgenerator gelieferten, sich mit der Zeit ändernden Eingangssignal auf im wesentlichen Null gezwungen. Die Laufzeit für eine Temperaturstörung zur Ausbreitung von dem Heizelement 702 zum ersten Sensorelement 720 wird anhand der Phasenverschiebung des Leistungseingangssignals 730 bestimmt, wie unten näher beschrieben wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden von dem Frequenzgenerator 700 zwei oder mehr feste Frequenzen an das Heizelement 702 und das erste Sensorelement 720 geliefert. Die festen Frequenzen werden bevorzugt so ausgewählt, daß sie einer idealen Frequenz nahekommen. Die ideale Frequenz ist definiert als diejenige Frequenz, die bewirkt, daß die Temperaturstörung in dem Fluid beispielsweise am Sensorelement 720 zur gleichen Zeit ankommt, wie dieses Sensorelement 720 bestromt wird. Dies ist in 6 explizit gezeigt. Die ideale Frequenz ist bei 900 gezeigt und hat ihre Spitze sowohl beim Heizelement 702 als auch beim ersten Sensorelement 720. Die ideale Frequenz hängt in der Regel von einer Reihe von Faktoren ab, einschließlich der Entfernung zwischen dem Heizelement 702 und dem Sensorelement 720, ausgewählten Eigenschaften des Fluids, der ausgewählten Phasenverzögerung zwischen Heiz- und Sensoreingängen, der Geschwindigkeit des Fluids usw.
Eine erste feste Frequenzkomponente "f1" ist bei 902 und eine zweite feste Frequenzkomponente "f2" ist bei 904 gezeigt. Die erste feste Frequenzkomponente bewirkt, daß der Differenzverstärker 728 ein erstes Leistungseingangssignal an die eine Phase Null aufweisende Wheatstone-Brücke 722 geliefert wird. Das erste Leistungseingangssignal ist bei 906 gezeigt. Analog bewirkt die zweite feste Frequenzkomponente, daß der Differenzverstärker 728 ein zweites Leistungseingangssignal an die eine Phase Null aufweisende Wheatstone-Brücke 722 liefert. Das zweite Leistungseingangssignal ist bei 910 gezeigt.
Der Prozessor 740 implementiert bevorzugt eine FFT-Analyse, liefert und bestimmt die Phasenverschiebung des an die zweite modifizierte Wheatstone-Brücke 722 gelieferten Leistungseingangssignals 730 für jede der Frequenzkomponenten. Beispielsweise ist eine erste Phasenverschiebung für das erste Leistungseingangssignal 906 bei 908 und eine zweite Phasenverschiebung für das zweite Leistungseingangssignal 910 bei 912 gezeigt. Für die veranschaulichende Ausführungsform wurde eine willkürliche Referenz 915 gewählt. Eine ideale Frequenz wird dann bevorzugt beispielsweise durch Interpolieren zwischen den gemessenen Phasenverschiebungen in dem Leistungseingangssignal 730 auf den zwei oder mehr Eingangsfrequenzen auf eine ideale Phasenverschiebung, die der idealen Frequenz 900 entspricht, bestimmt. Diese Frequenz ist deshalb ideal, weil sie den unten beschriebenen Anforderungen entspricht. Die ideale Phasenverschiebung kann durch eine vorausgegangene Kalibrierung bestimmt werden. Wie oben beschrieben kann eine erste Laufzeit anhand der idealen Frequenz berechnet werden, und ausgewählte Eigenschaften des relevanten Fluids können anhand der ersten Laufzeit bestimmt werden, einschließlich der Temperaturleitfähigkeit (vorausgesetzt die Fluidgeschwindigkeit ist bekannt oder vernachlässigbar) und der Fluidgeschwindigkeit.
Die Amplitude der eine feste Frequenz aufweisenden Eingangssignale kann über den Widerstand 726 so eingestellt werden, daß die Temperatur des Sensorelements 720 der Amplitude der Temperaturstörung in dem Fluid nahekommt. In einem idealen Fall bewirken die Frequenz und die Amplitude des Eingangssignals, daß das Sensorelement 720 die Temperaturstörung in dem Fluid im wesentlichen verfolgt.
Es kann auch ein zweites Sensorelement 750 vorgesehen werden. Mit dem zweiten Sensorelement 750 kann eine zweite ideale Frequenz bestimmt werden. Anhand der zweiten idealen Frequenz kann eine zweite Laufzeit bestimmt werden. Unter Verwendung der ersten und zweiten Laufzeit kann die Geschwindigkeit des relevanten Fluids relativ unabhängig von den Eigenschaften des Fluids unter Verwendung von Gleichung (4) wie oben beschrieben bestimmt werden.
15 ist ein detaillierteres Schemadiagramm einer der Wheatstone-Brücken- und Verstärkerschaltungen von 14. Die Wheatstone-Brückenschaltung von 15 enthält ein Mikrobrücken-(Heiz- oder Sensor) element 800 in einem Zweig und einen spannungsabhängigen Widerstand 802 in einem gegenüberliegenden Zweig. Der spannungsabhängige Widerstand 802 ist bevorzugt ein Feldeffekttransistor (FET) und wird von einem sich mit der Zeit ändernden Eingangssignal gesteuert, das an einen V_in-Port 804 geliefert wird. Beide Seiten der Wheatstone-Brücke sind an einen Differenzverstärker 806 gekoppelt, wie gezeigt. Der Differenzverstärker 806 erfaßt eine etwaige Unsymmetrie in der Wheatstone-Brücke und liefert die erforderliche Leistung zum Ausgleichen der Brücke über ein Leistungseingangssignal 810. Bei dieser Konfiguration werden der Widerstand und deshalb die Temperatur des Mikrobrückenelements 800 gezwungen, den Widerstand des spannungsabhängigen Widerstands 802 oder in diesem Fall des an den VIN-Port 804 gelieferten, sich mit der Zeit ändernden Eingangssignals im wesentlichen nachzulaufen.
Nachdem somit die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben worden sind, versteht der Fachmann ohne weiteres, daß die hier gefundenen Lehren auf noch weitere Ausführungsformen innerhalb des Schutzbereichs der hier beigefügten Ansprüche angewendet werden können.

Claims

Vorrichtung zum Bestimmen einer ausgewählten Eigenschaft eines relevanten Fluids, umfassend: Heizmittel (704) in Wärmeverbindung mit dem relevanten Fluid; erste Sensormittel (722) mit einem ersten Sensorelement (720) in Wärmeverbindung mit dem relevanten Fluid und von dem Heizmittel beabstandet, wobei die ersten Sensormittel (722) einen Stromeingang und einen Steuereingang und einen ersten veränderlichen Widerstand (724) aufweisen, wobei der Steuereingang den Widerstandswert des ersten veränderlichen Widerstands (724) steuert; erste Sensorausgabemittel zum Bereitstellen eines ersten Sensorausgabesignals, das den Widerstandswert des ersten veränderlichen Widerstands (724) und den Widerstandswert des ersten Sensorelements (720) in Beziehung setzt; erste Sensorbestromungsmittel (728), an die ersten Sensorausgangsmittel und den Stromeingang des ersten Sensormittels (722) gekoppelt, zum Bereitstellen eines ersten Sensorstromsignals (730) an den Stromeingang des ersten Sensormittels, wobei das erste Sensorstromsignal (730) bewirkt, daß der Widerstandswert des ersten Sensorelements (720) den Widerstandswert des ersten veränderlichen Widerstands (724) im wesentlichen verfolgt; Bestromungsmittel (700), an das Heizmittel (704) und den Steuereingang des ersten Sensormittels (722) gekoppelt, zum Bereitstellen eines zeitlich veränderlichen Eingangssignals (712) an das Heizmittel (704) und an den Steuereingang des ersten Sensormittels (722) und Bestimmungsmittel (740) zum Bestimmen einer Phasenverzögerung in dem ersten Sensorstromsignal (730) relativ zu einer vorbestimmten Referenz.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Bestimmungsmittel weiterhin die ausgewählte Eigenschaft des relevanten Fluids anhand der Phasenverzögerung bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das zeitlich veränderliche Eingangssignal zwei oder mehr Frequenzkomponenten aufweist und das Bestimmungsmittel für jede der Frequenzkomponenten eine Phasenverzögerung bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Bestimmungsmittel weiterhin die ausgewählte Eigenschaft des relevanten Fluids anhand einer Phasenverzögerung für jede der Frequenzkomponenten bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die ausgewählte relevante Eigenschaft Temperaturleitfähigkeit ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das erste Sensormittel eine Wheatstone-Brücke mit dem ersten Sensorelement in einem Zweig und dem ersten veränderlichen Widerstand in einem anderen umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei der erste veränderliche Widerstand ein FET ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Bestimmungsmittel die Phasenverzögerung des ersten Sensorstromeingangssignals über FFT-Analyse bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, weiterhin umfassend: zweite Sensormittel mit einem zweiten Sensorelement (750) in Wärmeverbindung mit dem relevanten Fluid, wobei die zweiten Sensormittel einen Stromeingang und einen Steuereingang und einen zweiten veränderlichen Widerstand aufweisen, wobei der Steuereingang den Widerstandswert des zweiten veränderlichen Widerstands steuert; zweite Sensorausgabemittel zum Bereitstellen eines zweiten Sensorausgabesignals, das den Widerstandswert des zweiten veränderlichen Widerstands und den Widerstandswert des zweiten Sensorelements in Beziehung setzt; zweite Sensorbestromungsmittel, an die zweiten Sensorausgangsmittel und den Stromeingang des zweiten Sensormittels gekoppelt, zum Bereitstellen eines zweiten Sensorstromsignals an den Stromeingang des zweiten Sensormittels, wobei das zweite Sensorstromsignal bewirkt, daß der Widerstandswert des zweiten Sensorelements den Widerstandswert des zweiten veränderlichen Widerstands im wesentlichen verfolgt; wobei das Bestroungsmittel weiterhin an den Steuereingang des zweiten Sensormittels gekoppelt ist, um daran ein zeitlich veränderliches Eingangssignal zu liefern; und wobei die Bestimmungsmittel weiterhin eine Phasenverzögerung in dem zweiten Sensorstromsignal relativ zu einer vorbestimmten Referenz bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei das Bestimmungsmittel die ausgewählte Eigenschaft des relevanten Fluids anhand der Phasenverzögerungen des ersten und zweiten Sensorstromeingangssignals bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei das zweite Sensormittel eine Wheatstone-Brücke mit dem zweiten Sensorelement in einem Zweig und dem zweiten veränderlichen Widerstand in einem anderen umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der zweite veränderliche Widerstand ein FET ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei das Bestimmungsmittel die Phasenverzögerung des zweiten Sensorstromeingangssignals über FFT-Analyse bestimmt.