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DD209907A1 - MINIATURIZED SEMICONDUCTOR FLOW SENSOR - Google Patents

MINIATURIZED SEMICONDUCTOR FLOW SENSOR Download PDF

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Publication number
DD209907A1
DD209907A1 DD24253882A DD24253882A DD209907A1 DD 209907 A1 DD209907 A1 DD 209907A1 DD 24253882 A DD24253882 A DD 24253882A DD 24253882 A DD24253882 A DD 24253882A DD 209907 A1 DD209907 A1 DD 209907A1
Authority
DD
German Democratic Republic
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chip
temperature
resistor
semiconductor
halbleiterdurchflußsensor
Prior art date
Application number
DD24253882A
Other languages
German (de)
Inventor
Roland Werthschuetzky
Original Assignee
Roland Werthschuetzky
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Roland Werthschuetzky filed Critical Roland Werthschuetzky
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen miniaturisierten Halbleiterdurchflussensor fuer Fluessigkeiten und Gase und ist besonders fuer die Massenproduktion derartiger Sensorelemente geeignet. Aufgabe der Erfindung ist es, einen Durchflussensor auf der Basis integrierter Halbleiterwiderstaende zu schaffen, der eine bessere Ermittlung der mittleren ueber dem Chip vorhandenen Stroemungsgeschwindigkeit ermoeglicht und damit eine geringere Abhaengigkeit von Stroemungsturbulenzen aufweist. Erreicht wird das dadurch, dass der auf einer isolierenden Traegerplatte befindliche erste Chip vier integrierte temperaturempfindliche Halbleiterwiderstaende aufweist, von denen jeweils zwei am vorderen und zwei am hinteren Rand des Chips angeordnet sind, dass diese vier Halbleiterwiderstaende zu einer Wheatstone-Bruecke geschaltet sind und dass auf dem ersten Chip weiterhin ein Heizwiderstand angeordnet ist, wobei der Strom durch den Heizwiderstand durch eine geeignete Regelschaltung stets so eingestellt ist, dass die Differenz zwischen der Temperatur des ersten Chip und dem Messmedium stets einen vorherbestimmten konstanten Betrag aufweist.The invention relates to a miniaturized semiconductor flow sensor for liquids and gases and is particularly suitable for the mass production of such sensor elements. The object of the invention is to provide a flow sensor based on integrated semiconductor resistors, which enables a better determination of the average current flow rate present above the chip and thus has a lower dependence on flow turbulences. This is achieved by the fact that the first chip located on an insulating carrier plate has four integrated temperature-sensitive semiconductor resistors, two of which are arranged at the front and two at the rear edge of the chip, that these four semiconductor resistors are connected to a Wheatstone bridge and that the first chip is further arranged a heating resistor, wherein the current through the heating resistor by a suitable control circuit is always set so that the difference between the temperature of the first chip and the measuring medium always has a predetermined constant amount.

Description

HZS3J ? .,HZS3J? .,

Titel der ErfindungTitle of the invention

Miniaturisierter HalbleiterdurchflußsensorMiniaturized semiconductor flow sensor

Anwendung der ErfindungApplication of the invention

Die Erfindung ist zur Messung des Durchflusses von Flüssigkeit und Gasen anwendbar und ist besonders vorteilhaft für die Massenproduktion von derartigen Sensorelementen geeignet»The invention is applicable to the measurement of the flow of liquid and gases and is particularly advantageous for the mass production of such sensor elements »

Charakeristik der bekannten technischen LösungenCharacteristics of the known technical solutions

Es sind Halbleiterdurchflußmesser, die nach dem klassischen Anemometerprinzip arbeiten, bekannt.They are semiconductor flowmeters which operate according to the classical anemometer principle.

In der USA-PS 3992 940 ist ein derartiger Sensor beschrieben. Er besteht aus einer isolierenden Trägerplatte auf der zwei Haibleiterchips angeordnet sind. Die Trägerplatte kann in einer Rohrleitung parallel zur Rohrachse angeordnet sein. Die beiden Chips liegen beide hintereinander auf einer parallel zur Flußrichtung gedachten Linie. Der erste Chip enthält einen als Diode betriebenen Transistor als temperaturenipf indliches Element und erzeugt ein der Mediumtemperatur proportionales Signal. Der zweite Chip enthält ebenfalls einen als Diode betrie.benen Transistor und einen weiteren als Heizelement dienenden Transistor, wobei ein der Chiptemperatur proportionales Signal erzeugt wird. Beide Signale werden einer Regelschaltung zugeführt, die dazu dient, den zweiten Chip aufIn the US-PS 3992 940 such a sensor is described. It consists of an insulating carrier plate on which two semiconductor chips are arranged. The carrier plate can be arranged in a pipeline parallel to the tube axis. The two chips are both in succession on a line parallel to the flow direction imaginary line. The first chip contains a diode-driven transistor as a temperature-sensitive element and generates a signal proportional to the medium temperature. The second chip also includes a transistor as a diode-driven transistor and another transistor serving as a heating element, wherein a signal proportional to the chip temperature is generated. Both signals are fed to a control circuit, which serves to the second chip

2 6L HQVL19 3"2 * ö « 0 -J 2 G2 6L HQVL19 3 "2 * ö« 0 -J 2 G

einer Temperatur zu halten, die um einen festen Betrag oberhalb der Mediumtemperatur liegt. Wird nun die genannte Trägerplatte von dem zu messenden Medium umflossen, so wird der Transistor auf dem thermostatisierten Chip in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit infolge der abgeführten Wärme gekühlt. Die Regelschaltung bewirkt jetzt einen größeren Strom durch den Heiztransistor, um die genannte Teiaperaturdifferenz zwischen Mediumtemperatur und Temperatur des beheizten Chips aufrechtzuerhalten. Damit ist der Strom durch den Heiztransistor, der über eine Stromspiegelschaltung auch der Ausgangsstrom ist, ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit. Der entscheidende Nachteil dieser Lösung ist, daß Temperaturschwankungen des Meßmediums ebenfalls eine Änderung des Ausgangssignals bewirken und damit Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit vortäuschen, die nicht vorhanden sind. Weiterhin ist es ungünstig, wenn die Kühlung des auf dem zweiten Chip vorhandenen Transistors nur an.einer eng begrenzten Stelle vorgenommen wird, da dadurch Unregelmäßigkeiten im Strömungsprofil starke Auswirkungen verursachen.a temperature which is a fixed amount above the medium temperature. Now, if the said support plate is surrounded by the medium to be measured, the transistor is cooled on the thermostatically controlled chip as a function of the flow rate due to the heat dissipated. The control circuit now effects a larger current through the heating transistor in order to maintain said component difference between the medium temperature and the temperature of the heated chip. Thus, the current through the heating transistor, which is also the output current via a current mirror circuit, is a measure of the flow velocity. The decisive disadvantage of this solution is that temperature fluctuations of the measuring medium also cause a change in the output signal and thus simulate changes in the flow rate, which are not present. Furthermore, it is unfavorable if the cooling of the existing transistor on the second chip is made only an.einer narrowly limited location, as this cause irregularities in the flow profile strong impact.

Bs ist ein weiterer verbesserter Haibleiterdurchflußmesser bekannt (IESE Transactions on electron, devices, SD 29 Nr. 1/82, S. 133 ff.). Bei diesem enthält der zweite Chip, der über einen Heiztransistor und eine Regelschaltung auf eine Temperatur thermostatisiert ist, die um ' einen konstanten Betrag über der Kediumtemperatur liegt (z.3. 40 K), zwei Transistoren als temperaturempfindiiche Elemente, die auf einer parallel zur Fließrichtung gedachten Linie nahe am Chiprand liegen. Bei diesem Sensor wird die unterschiedliche Kühlung der beiden Transistoren ausgenutzt, die sich in einer Spannungsdifferenz niederschlägt, die mit Verstärkern entsprechend verstärkt wird. Die Temperaturdifferenz ώΤ,?, die sich infolge des strömenden Mediums an den beiden Transistoren ausbildet, ist Δ Τ.ολ/ C (T.-T^) Vv ,' C ist ein Proportionalistätsfaktor, der von der Chipgröße und bestimmten Parametern des fließenden Mediums, wie thermische Leitfähigkeit, dynamische Viskosität, Vorhandensein von Turbulenzen usw., abhängt.Bs is another improved Haubliterdurchflußmesser known (IESE Transactions on electron, devices, SD 29 No. 1/82, p. 133 et seq.). In this case, the second chip, which is thermostated by means of a heating transistor and a control circuit to a temperature which is a constant amount above the temperature of the medium (eg 40 K), contains two transistors as temperature-sensitive elements arranged in parallel to the Flow direction imaginary line lying near the chip edge. In this sensor, the different cooling of the two transistors is exploited, which is reflected in a voltage difference, which is amplified with amplifiers accordingly. The temperature difference ώΤ ,? , which forms as a result of the flowing medium at the two transistors, is Δ Τ. ο λ / C (T.-T ^) Vv, C is a proportionality factor that depends on the chip size and certain parameters of the flowing medium, such as thermal conductivity, dynamic viscosity, presence of turbulence, and so on.

T. ist die Temperatur des thermostatisierten zweiten Chips und T„ die Mediumtemperatur.6Da die Differenz von T. und T„ konstant gehalten wird, ist der Einfluß der Mediumtemperatur auf das Ausgangssignal eliminiert.T. is the temperature of the thermostated second chip and T "is the medium temperature. 6 Since the difference of T. and T "is kept constant, the influence of the medium temperature on the output signal is eliminated.

Obwohl diese Lösung gegenüber Widerständen als Temperaturfühler eine höhere Empfindlichkeit besitzt, ist die Herstellung durch die größere Anzahl der technologischen Schritte im Zyklus 1 entsprechend aufwendig. Desweiteren lassen sich bekannte Widerstandsstrukturen zur Druck- oder Temperaturmessung, nicht zusätzlich zur Durchflußmessung verwenden. Die Anordnung von zwei Transistoren auf einer Linie, wie oben beschrieben, schafft eine relativ hohe Abhängigkeit von Strömungstur- e. bulenzen.Although this solution has a higher sensitivity than resistors as a temperature sensor, the production is correspondingly expensive due to the greater number of technological steps in the cycle 1. Furthermore, known resistance structures can be used for pressure or temperature measurement, not in addition to flow measurement. The arrangement of two transistors in a line, as described above, provides a relatively high dependency on Strömungstur- e. turbulences.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist es, auf der Grundlage der zuletzt beschriebenen Lösung einen Durchflußsensor zu schaffen, der in der Herstellung billiger ist und der es ermöglicht, integrierte Widerstandsstrukturen, die zur Druck- oder Temperaturmessung genutzt werden, zusätzlich auch für die DurchflußmeSSUDg anwendbar zu machsnvThe aim of the invention is to provide on the basis of the solution described last, a flow sensor which is cheaper to manufacture and which makes it possible to make integrated resistance structures which are used for pressure or temperature measurement, in addition also applicable to the flowmeter

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Durchflußsensor auf der Basis integrierter Halbleiterwiderstände zu schaffen, der eine bessere Ermittlung der mittleren über den Chip vorhandenen Strömungsgeschwindigkeit ermöglicht und damit eine geringere Abhängigkeit von Strömungstrubulenzen gewährleistet.The invention has for its object to provide a flow sensor based on integrated semiconductor resistors, which allows a better determination of the average flow velocity present over the chip and thus ensures a lower dependence of Strömstrstrululenzen.

Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß der auf der isolierenden Trägerplatte befindliche erste Chip vier integrierte temperaturempfindliche Halbleiterv/iderstände aufweist, von denen jeweils zwei am vorderen und zwei am hinteren Rand des ersten Chips (in Richtung des fließenden Mediums gesehen) angeordnet sind, daß diese vier Halbleiterwiderstände zu einer Wheatstone-Brücke geschaltet sind und daß auf dem ersten Chip weiterhin ein "Heizwiderstand angeordnet ist, wobei der Strom durch den Heizwiderstand durch eine geeignete Regelschaltung stets so eingestalltAccording to the invention, this is achieved by virtue of the fact that the first chip located on the insulating carrier plate has four integrated temperature-sensitive semiconductor vias, two of which are arranged at the front and two at the rear edge of the first chip (in the direction of the flowing medium) four semiconductor resistors are connected to a Wheatstone bridge and that on the first chip further a "heating resistor is arranged, wherein the current through the heating resistor by a suitable control circuit always stalls so

ist, daß die Differenz zwischen der Temperatur des ersten beheizten Chips und dem Meßmedium stets einen vorherbestimmten festen Betrag aufweist«is that the difference between the temperature of the first heated chip and the measuring medium always has a predetermined fixed amount «

Die weitere Ausgestaltung der Erfindung sowie ihre Wirkungsweise ergibt sich aus den Unteransprüchen sowie dem Ausführungsbeispiel.The further embodiment of the invention and its mode of action is apparent from the subclaims and the embodiment.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausflihrungsbeispiel näher erläutert. Die dazugehörigen Zeichnungen bedeuten:The invention will be explained in more detail below with reference to an exemplary embodiment. The accompanying drawings mean:

Fig, 1 Draufsicht auf den ersten Chip Fig. 2 Schnitt durch einen DurchflußsensorFig. 1 top view of the first chip Fig. 2 section through a flow sensor

Fig. 3 elektronische Auswerteschaltung zur Erzeugung eines dem Durchfluß proportionalen SignalsFig. 3 electronic evaluation circuit for generating a signal proportional to the flow

Der erfindungsgemäße Halbleiterdurchflußsensor besteht gemäß Fig. 2 aus einer isolierenden Platte ?, die güjastigerweise aus Keramik hergestellt sein kann, auf der ein erster Chip 1 und ein zweiter Chip 6 angeordnet ist. Die Abmessungen dieser Keramikplatte 7 sind etwa 5 nun χ 5 mm ...10 ram.χ 10 mm.According to FIG. 2, the semiconductor flow sensor according to the invention consists of an insulating plate 1, which may be made of ceramics, on which a first chip 1 and a second chip 6 are arranged. The dimensions of this ceramic plate 7 are about 5 mm now χ 5 mm ... 10 ram. χ 10 mm.

Der erste Chip 1, der zum Beispiel von quadratischer Form sein kann, enthält gemäß Sig, 1, in der Nähe seiner vier Eckan je einen temperaturempfindlichen integrierten Halbleiterwiderstand R ^, Rp5 R-, und R ^, die über geeignete Anschlußbahnen 2 zu einer Wheatstone-Brücke 5 geschaltet sind.The first chip 1, which may be of square shape, for example, according to Sig, 1, near its four Eckan each contain a temperature-sensitive integrated semiconductor resistor R ^, Rp 5 R-, and R ^, via suitable connection tracks 2 to a Wheatstone bridge 5 are connected.

Auf dem ersten Chip 1 ist weiterhin ein Heizwiderstand 3 angeordnet, der zur Thermostatisierung des Chips 1 dient. Die Widerstände R„. ...R , und 3 sind mittels bekannter Verfahren der Planartechnologie wie z.B. Diffusion oder Implantation hergestellt. Um eine gute und gleichmäßige Aufheizung des Chips 1 zu gewährleisten, ist der Heizwiderstand 3 entlang einer äer Mittellinien mäanderförmig über die ganze Chiplänge ausgebildet. Auf dem Chip 6 ist ebenfalls ein integrierter temperaturempfindlichsr Halbleiterwiderstand R _ zur Erzeugung eines der Mediumtemperatur proportionalen Signals angeordnet. Beide Chips 1 und 6 sind ait ihrer aktiven Seite auf dem Keramikträger befestigt und auf diese Weise wirksam vor den Einflüssen des Meßmediums geschützt. Es ist jedoch ebenso möglich, diesen notwendigen Schutz durch eine Passivierungsschicht, z.B. aus SiOp zuOn the first chip 1, a heating resistor 3 is further arranged, which serves for the thermostating of the chip 1. The resistors R ". ... R, and 3 are formed by known planar technology techniques, e.g. Diffusion or implantation made. In order to ensure a good and uniform heating of the chip 1, the heating resistor 3 is meandering along a äer centerlines formed over the entire chip length. On the chip 6 is also an integrated temperaturempfindlichsr semiconductor resistor R _ arranged to generate a signal proportional to the medium temperature signal. Both chips 1 and 6 are attached ait their active side on the ceramic carrier and protected in this way effectively against the influences of the measuring medium. However, it is also possible to provide this necessary protection by a passivation layer, e.g. of SiOp too

R HQV. 1932*Ov:Oj20R HQV. 1932 * Ov: Oj20

Z 4Z D d öZ 4Z D d ö

gewährleisten.guarantee.

Der Strom durch den Heizwiderstand wird durch eine Regelschaltung stets so eingestellt, daß die Temperatur des beheizten Chips 1 immer um einen konstanten Betrag, z.B. 30...50 K-, oberhalb der Mediumtemperatur liegt. Die Regelschaltung besteht aus einem in Reihe zu dem Heizwiderstand 3 liegenden Stelltransistor 8, der von einem Operationsverstärker 9 angesteuert wird.The current through the heating resistor is always adjusted by a control circuit so that the temperature of the heated chip 1 is always kept constant by a constant amount, e.g. 30 ... 50 K-, is above the medium temperature. The control circuit consists of a lying in series with the heating resistor 3 control transistor 8, which is controlled by an operational amplifier 9.

Der eine Eingang des Operationsverstärkers liegt an einem Spannungsteiler, bestehend aus R c und einem Festwiderstand 10 und erhält damit ein der Mediumtemperatur Tp proportionales Signal. Der andere Eingang des Operationsverstärkers 9 liegt an einem weiteren Spannungsteiler, der aus der Weatstone-Brücke 5 und einem weiteren Festwiderstand 11 besteht. Da der Brückenwiderstand von der Temperatur T^ des beheizten Chips 1 abhängt, gelangt an den anderen Eingang des Operationsverstärkers 9 ein der Temperatur T-1 proportionales Signal. Der Operationsverstärker steuert über das Stellglied 8 den Strom durch den Heizwiderstand stets so, daß die Differenz T. - T2 konstant bleibt. Erhöht sich beispielsweise durch äußere Einflüsse die Mediumtemperatur Tp, se wird R _ kleiner und damit entsteht eine Spannungsdifferenz am Operationsverstärkereingang. Diese bewirkt eine' weitere Aufsteuerung des Stelltransistors 8 mit. der Wirkung, daß der Heizstrom ansteigt und den Chip solange auf eine höhere Temperatur aufheizt, bis die ursprüngliche Differenz T. - Tp wieder den vorbestimmten Wert angenommen hat. In diesem Fall ist die Spannungsdifferenz am Eingang des Operationsverstärkers 9 wieder Null. Die 'wirkungsweise des erfindungsgemäßen Halbleiterdurchflußsensors beruht auf der unterschiedlichen Kühlung der vorderen Widerstände R ^ und R 2 gegenüber den hinteren Widerständen R , und R li auf dem beheizten Chip 1 durch das vorbeiströmende flüssige oder gasförmige Medium. Der in Fig. 2 gezeigte Durchflußsensor wird zum Beispiel in einer Rohrleitung so angeordnet, daß die Längsachse der Chips 1 und 6 parallel zu der Strcmungsrichtung liegt. Da der Chip 1 auf eine um ca. 30...50 K über der Temperatur des vorbeiströmenden Mediums liegende Temperatur gehalten wird, werden die auf dem Chip 1 angeordneten temperaturempfindlichen Halbleiterwiderstände R ,....R λ durch das strömende Medium gekühlt. Diese Kühlung ist bei den am vorderen Rand des Chip 1 angeordneten Widerständen R ^ und R „ größer als bei den hinteren R , und R .,The one input of the operational amplifier is connected to a voltage divider consisting of R c and a fixed resistor 10 and thus receives a signal proportional to the medium temperature T p . The other input of the operational amplifier 9 is connected to a further voltage divider, which consists of the Weatstone bridge 5 and a further fixed resistor 11. Since the bridge resistance depends on the temperature T 1 of the heated chip 1, a signal proportional to the temperature T -1 arrives at the other input of the operational amplifier 9. The operational amplifier controls via the actuator 8, the current through the heating resistor always so that the difference T. - T 2 remains constant. Increases, for example, by external influences, the medium temperature Tp, se is R _ smaller and thus creates a voltage difference at the operational amplifier input. This causes a 'further control of the actuating transistor 8 with. the effect that the heating current increases and the chip heats up to a higher temperature until the original difference T. - Tp has again assumed the predetermined value. In this case, the voltage difference at the input of the operational amplifier 9 is zero again. The 'mode of operation of the semiconductor flow sensor according to the invention is based on the different cooling of the front resistors R ^ and R 2 with respect to the rear resistors R, and R li on the heated chip 1 by the flowing liquid or gaseous medium. The flow sensor shown in Fig. 2 is arranged, for example, in a pipeline so that the longitudinal axis of the chips 1 and 6 is parallel to the direction of Strikungsrichtung. Since the chip 1 is kept at a temperature of about 30 ... 50 K above the temperature of the medium flowing past, the temperature-sensitive semiconductor resistors R, .... R λ arranged on the chip 1 are cooled by the flowing medium. This cooling is greater at the front edge of the chip 1 arranged resistors R ^ and R "" than at the rear R, and R.,

2 R H Q '^ 19 3 2 * 0 vj ü i> 3 G2 R H Q '^ 19 3 2 * 0 vj ü i> 3 G

so daß sich eine Temperaturdifferenz und damit auch eine Differenz in den Widerstandswerten in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit einstellt. Die genannte Temperaturdifferenz & T ist der Wurzel aus der Strömungsgeschwindigkeit und der Temperaturdifferenz T. - T„ proportional. Die Widerstandswerte der vorderen Widerstände R ,. und R„p sind somit kleiner als die der hinteren R _ und R_/,, so daß die. sonst abge-so that a temperature difference and thus also a difference in the resistance values as a function of the flow rate is established. The said temperature difference & T is proportional to the root of the flow velocity and the temperature difference T.-T ". The resistance values of the front resistors R,. and R "p are thus smaller than those of the rear R _ and R_ /, so that the. otherwise deducted

S-? S)H S - ? S) H

glichene Wheatstone-Brücke nunmehr verstimmt ist. Die Brückenausgangsspannung U ist damit ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit des Meß-Wheatstone bridge is now out of tune. The bridge output voltage U is thus a measure of the flow velocity of the measuring

elel

mediums. Wenn c£ _, der Temperaturkoeffizient der Widerstände R ....R r ist, dann gilt: U& = vq . -^ <^β . ^ T.medium. If c £ _, the temperature coefficient of the resistors R .... R r , then U & = v q . - ^ <^ β . ^ T.

Die Brückenausgangsspannung wird durch einen Operationsverstärker 12 auf einen geeigneten Wert U ' verstärkt.The bridge output voltage is amplified by an operational amplifier 12 to a suitable value U '.

Durch die Anordnung von jeweils zwei der gleichen Temperatur ausgesetzten Widerständen wird ein Mittelwert von ν erfaßt, wodurch die Brückenausgangsspannung U in geringerem Maße von Strömungsturbulenzen abhängt.The arrangement of two each of the same temperature-exposed resistors, an average of v is detected, whereby the bridge output voltage U depends to a lesser extent on flow turbulence.

w el w el

Da die Erfassung der Temperatur T2 des Meßmediums zur Thermostatisierung des Chip 1 ohnehin notwendig ist, kann es sehr vorteilhaft sein, daß an dem einen Eingang des Operationsverstärkers 9 liegende Signal, welches der Mediumtemperatur proportional ist, über einen geeigneten Verstärker 13 zu verstärken und damit ein zusätzliches Ausgangssignal U = f (T„) bereitzustellen. Das ist besonders dann vorteilhaft, wenn der Durchflußsensor für die Messung der Wärmemenge eingesetzt werden soll. Damit wird die sonst notwendige Messung, z.B. der Vorlauftemperatur an einem Wärmeverbraucher eingespart.Since the detection of the temperature T 2 of the measuring medium for thermostating the chip 1 is necessary anyway, it may be very advantageous that at the one input of the operational amplifier 9 signal lying, which is proportional to the medium temperature to amplify through a suitable amplifier 13 and thus to provide an additional output signal U = f (T "). This is particularly advantageous if the flow sensor is to be used for measuring the amount of heat. This saves the otherwise necessary measurement, eg the flow temperature at a heat consumer.

Sin Vorteil der Erfindung ist, daß durch Einbringen der beschriebenen Widerstände in bekannte integrierte Strukturen zur Druck- oder Tempera·*· turmessung, ohne wesentlichen zusätzlichen Aufwand eine Erweiterung des Einsatzgebietes auf die Durchflußmessung erreicht werden kann. Durch die gleichzeitige Messung der Temperatur und des Durchflusses bietet sich der erfindungsgemäße Sensor besonders vorteilhaft für die Wärmemengenmessung an.Sin advantage of the invention is that by introducing the described resistors in known integrated structures for pressure or temperature measurement, without significant additional effort, an extension of the application can be achieved on the flow measurement. Due to the simultaneous measurement of the temperature and the flow rate, the sensor according to the invention is particularly advantageous for measuring the heat quantity.

Eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung -wird bei Wahl folgender Parameter erreicht:An advantageous embodiment of the invention is achieved by choosing the following parameters:

R2 R 2 (2):(2): (1...10) kOhm 5-1O~3...1O"2/K(1 ... 10) kOhm 5-1O ~ 3 ... 1O " 2 / K • 5 κΟππι• 5 κΟππι = 10 m/s= 10 m / s RH R H (3):(3): 1..1.. ..5O0K..5O 0 K T1 =T 1 = 30.30th ...0,2 K, ν... 0.2 K, ν Δ ΤΔ Τ 0,10.1 mVmV U 'U ' -- 100100

Chipabmessungen: 2x2...4x4 mm Sensorabmessung: 5^5··.10x10 mm Medium: Gase, Flüssigkeiten V = 0,5 m/s...20 m/sChip dimensions: 2x2 ... 4x4 mm Sensor dimensions: 5 ^ 5 ·· .10x10 mm Medium: gases, liquids V = 0,5 m / s ... 20 m / s

Claims (5)

8 Srfindungsanspruch8 Claim for Conduct 1. Miniaturisierter Halbleiterdurchflußsensor mit einer aus einem isolierenden Material bestehenden Trägerplatte (7)> auf der zwei Siliziumchips (1) und (6) angeordnet sind, wobei der erste Siliziumchip (1) auf einen festen Wert oberhalb der Temperatur des Meßmediums aufgeheizt ist und der zweite Siliziumchip (6) einen integrierten temceraturempfindlichen Halbleiterwiderstand (R a)1. Miniaturized Halbleiterdurchflußsensor with a consisting of an insulating material support plate (7)> on the two silicon chips (1) and (6) are arranged, wherein the first silicon chip (1) is heated to a fixed value above the temperature of the measuring medium and the second silicon chip (6) has an integrated temperature-sensitive semiconductor resistor (R a ) zur Messung der Temperatur des Meßmediums aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Siliziumchip (1) vier integrierte temperaturempfindliche Halbleiterwiderstände (R ^.» R32* S ,, RO aufweist, von denen jeweils zwei am vorderen Rand des Chips (1) und zwei am hinteren Rand des Chips (1) angeordnet sind, daß diese vier Halbleiterwiderstände zu einer Wheatstone-Brücke (5) geschaltet sind, deren Brückenausgangsspannung der Quadratwurzel des Durchflusses proportional ist, und daß auf dem ersten Chip (1) weiterhin ein Heizwiderstand (3) angeordnet ist, wobei der Strom- durch den Heizwiderstand durch eine geeignete Regelschaltung (4) stets so eingestellt ist, daß die Differenz zwischen der Temperatur des erstao, beheizten''Chips (1) und dem Meßmedium stets einen vorher bestimmten festen Betrag aufweist.having for measuring the temperature of the measuring medium characterized in that the first silicon chip (1) four integrated temperature sensitive semiconductor resistors (R ^. 'R 32 * S ,, RO comprises, two of which (at the front edge of the chip 1) and two arranged at the rear edge of the chip (1), that these four semiconductor resistors are connected to a Wheatstone bridge (5), the bridge output voltage of the square root of the flow is proportional, and that on the first chip (1) further comprises a heating resistor (3) is arranged, wherein the current through the heating resistor by a suitable control circuit (4) is always set so that the difference between the temperature of the erstao, heated '' chip (1) and the measuring medium always has a predetermined fixed amount. 2. Halbleiterdurchflußsensor nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vier Halbleiterwiderstände auf dem ersten Chip (1) in Nähe der vier Ecken des quadratischen Chips (1) jeweils symmetrisch zu den beiden Mittellinien des Chips angeordnet sind.2. Halbleiterdurchflußsensor according to item 1, characterized in that the four semiconductor resistors on the first chip (1) in the vicinity of the four corners of the square chip (1) are each arranged symmetrically to the two center lines of the chip. 3ο Halbleiterdurchflußsensor nach Funkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizwiderstand mäanderförmig entlang einer der Mittellinien des quadratischen Chips (1) verläuft.3o Halbleiterdurchflußsensor according Funkt 1 and 2, characterized in that the heating resistor meandering along one of the center lines of the square chip (1). 26.Η0Η.198?.*Ο50. 26.Η0Η.198? * Ο50 4. Halbleiterdurchflußsensor nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschaltung (4) einen in Reihe zu dem Heizwiderstand (3) liegenden Stelltransistor (8) enthält, dessen Basis mit dem Ausgang eines Operationsverstärkers (9) verbunden ist, wobei der erste Eingang des Operationsverstärkers (9) mit einem Spannungsteiler, bestehend aus dem Halbleiterwiderstand (R -) des zweiten Chips (6) und einem festen Widerstand (19) und der zweite Eingang mit dem einen Diagonalpunkt der Brücke (5), der über ein'en Widerstand (11) mit dem Minuspol der Speisespannung in Verbindung steht, verbunden ist.4. Halbleiterdurchflußsensor according to item 1 and 2, characterized in that the control circuit (4) in series with the heating resistor (3) lying actuating transistor (8) whose base is connected to the output of an operational amplifier (9), wherein the first Input of the operational amplifier (9) with a voltage divider, consisting of the semiconductor resistor (R -) of the second chip (6) and a fixed resistor (19) and the second input to the one diagonal point of the bridge (5), the ein'en Resistor (11) is connected to the negative pole of the supply voltage. 5. Halbleiterdurchflußsensor nach einem der Punkte 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Operationsverstärker (12) vorgesehen ist, dessen erster Eingang an dem Spannungsteiler, bestehend aus' der Reihenschaltung des temperaturempfindlichen Halbleiterwiderstandes (R _) des zweiten Chips (6) und des Widerstandes (10)5. Halbleiterdurchflußsensor according to one of the items 1 to 4, characterized in that a further operational amplifier (12) is provided, the first input to the voltage divider, consisting of 'the series connection of the temperature-sensitive semiconductor resistor (R _) of the second chip (6) and of resistance (10) spsp und dessen zweiter Eingang an dem Minuspol der Speisespannung liegt, so daß sein Ausgangssignal der Mediumtemperatur proportional ist.and whose second input is at the negative pole of the supply voltage, so that its output signal is proportional to the medium temperature. Hierzu^Ueiten ZeichnungenFor this purpose drawings
DD24253882A 1982-08-16 1982-08-16 MINIATURIZED SEMICONDUCTOR FLOW SENSOR DD209907A1 (en)

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