Strömungssensor und Verfahren zu seiner Herstellung Die Erfindung betrifft einen Strömungssensor und ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Bei der thermischen Anemometrie wird ein Strömungssensor mit einem Sensorelement verwendet, das elektrisch beheizt wird und dessen elektrischer Widerstand von der Temperatur abhängt. Bei Umströmung mit einem Fluid findet ein Wärmetrans ^¬ port in das Fluid statt, der sich mit der Strömungsgeschwindigkeit verändert. Durch Messung der elektrischen Größen des Sensorelements können die Strömung detektiert und ihre Ge- schwindigkeit oder der Massenstrom des Fluids gemessen werden .

Als Sensorelemente kommen variable elektrische Widerstände in Betracht, deren Widerstandswert sich mit der Temperatur re- produzierbar ändert. Solche Widerstände werden als Thermisto ^¬ ren bezeichnet, wobei zwischen Thermistoren mit positivem Temperaturkoeffizient (PTC, Kaltleiter) und Thermistoren mit negativem Temperaturkoeffizient (NTC, Heißleiter) unterschie ^¬ den wird. Zu den Kaltleitern zählen insbesondere Metalle, wo- bei vorzugsweise Platin und Nickel verwendet werden, und als nichtmetallische Materialien polykristalline Keramiken, z. B. auf der Basis von Bariumtitanat , und dotierte Halbleiter, z. B. Silizium, mit Störstellenerschöpfung. Zu den Heißleitern zählen insbesondere reine oder dotierte Halbleiter au- ßerhalb des Bereichs der Störstellenerschöpfung sowie poly ^¬ kristalline Halbleiter aus Metalloxiden.

Aus der DE 43 41 492 AI ist eine Anordnung mit zwei NTC-Wi- derständen bekannt, die in einer gasführenden Leitung in Strömungsrichtung unmittelbar hintereinander angeordnet und jeweils mit einem gegen das strömende Medium inerten Kunst ^¬ stoff ummantelt sind. Aus der DE 1 573 098 Bl, DE 1 698 048 AI, DE 1 698 050 AI oder DE 32 04 425 AI ist eine Einrichtung zur Messung schwacher Gasströmungen in, z. B., einem Gasanalysengerät bekannt, bei der ebenfalls zwei Strömungssensoren in Strömungsrichtung des zu messenden Gases unmittelbar hintereinander angeordnet sind. Die Strömungssensoren bestehen jeweils aus einem elektrisch aufheizbaren Metallgitter, das, wo es in den genannten Dokumenten näher beschrieben wird, jedes Mal mäanderförmig ausgebildet ist. Die Metallgitter sind zusammen mit zwei Er- gänzungswiderständen in einer Wheatstonebrücke angeordnet. Wie die DE 1 698 048 AI oder DE 32 04 425 AI zeigen, können die Metallgitter innerhalb eines Plattenverbunds auf beiden Seiten einer isolierenden Abstandsplatte aufgebracht und mit Deckplatten abgedeckt sein. Die Platten enthalten Fenster für das durchströmende Gas, über die sich die Metallgitter er ^¬ strecken .

Bei einem ähnlichen, aus der WO 2009/153099 AI bekannten Mi- kroströmungsfühler bestehen die ebenfalls mäanderförmigen Gitter aus Silizium und werden in einem Siliziumsubstrat in einem Trockenätzprozess oder durch nasschemisches Ätzen ge ^¬ fertigt. Das mäanderförmige Gitter benötigt eine Stützstruk ^¬ tur . Aus der DE 28 09 449 AI ist ein scheibenförmiges Heizelement aus einem keramischem Halbleitermaterial, z. B. Bariumtita- nat, mit positivem Temperaturkoeffizient bekannt. Das Heiz ^¬ element enthält eine Vielzahl von Wabenöffnungen mit jeweils quadratischem Querschnitt, durch die ein aufzuheizendes Medi- um fließt. An den gegenüberliegenden Stirnseiten des Körpers sind Elektroden angebracht, über die dem Heizelement ein elektrischer Strom zugeführt wird.

Die DE 29 05 905 AI offenbart mehrere solcher wabenförmiger Heizelemente, die in Strömungsrichtung des aufzuheizenden Mediums hintereinander angeordnet sind. Auch hier sind die Elektroden zum Anschluss einer Stromquelle an den Stirnflä ^¬ chen der Keramikkörper ausgebildet. Aus der DE 36 37 541 AI ist schließlich eine Vorrichtung zur Bestimmung der Durchflussrichtung des Luftstromes im Ansaugsystem eines Verbrennungsmotors bekannt, bei der im Luftmas ^¬ senstrom temperaturabhängige Widerstandselemente angeordnet sind, welche elektrisch beheizbar und in unterschiedlichen Zweigen einer elektrischen Messbrücke angeordnet sind. Zur Vermeidung des Einflusses von Turbulenzen sind beiderseits der Vorrichtung sogenannte Strömungsgleichrichter angeordnet, bei denen es sich um wabenförmige Körper mit zahlreichen pa- rallelen Strömungskanälen handelt. Dadurch wird sichergestellt, dass die eigentliche Messvorrichtung stets laminar angeströmt wird.

Nach dem gegenwärtigen Stand der Technik werden bei Mikro- Strömungsfühlern, wie sie in der Gasanalytik eingesetzt werden, als Sensorelemente Metallfäden oder mäanderförmige Me ^¬ tallgitter, hauptsächlich aus Platin oder Nickel bzw. entsprechende Legierungen verwendet. Nur solche feinen Struktu ^¬ ren weisen eine ausreichend geringe Wärmekapazität auf und ermöglichen die geforderte Messempfindlichkeit. Von Nachteil ist, dass Gase an den heißen Metallen dissoziieren können oder dass z. B. Kohlenmonoxid durch die Bildung von Carbony- len auf nickelhaltige Legierungen korrodierend einwirkt. Ein weiterer Nachteil ist die mechanische Empfindlichkeit von freihängenden und bei Aufheizung durchhängenden Metallfäden, was zum einen die Lebensdauer und zum anderen bei Vibrationen die Messgenauigkeit beeinträchtigt. Da außerdem der Wärme ^¬ übergangskoeffizient des Strömungsfühlers von seiner Geome ^¬ trie abhängig ist, führt eine Änderung der Lage oder Geome- trie des Gitters (z. B. Durchhängen) zu einem veränderten

Übersprechverhalten zunächst auf das Gas und weiter auf das benachbarte zweite Gitter. Dieser Effekt ist direkt proporti ^¬ onal zu dem Messwert und trägt zu einer Messwertdrift bei. Schließlich ist die für die Messempfindlichkeit wichtige tem- peraturabhängige Widerstandsänderung bei Metallen schlechter als bei anderen nichtmetallischen Materialien. Nicht zuletzt ist Platin vergleichsweise teuer. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen thermischen Strömungssensor aus nichtmetallischem Material anzugeben, der sich durch eine hohe Messempfindlichkeit und mecha ^¬ nische Stabilität auszeichnet und einfach und kostengünstig herstellbar ist.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch den in Anspruch 1 angegebenen Strömungssensor gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Strömungssensors, eine ihn enthaltende Messvorrichtung sowie ein Ver ^¬ fahren zu seiner Herstellung sind den Unteransprüchen zu entnehmen . Gegenstand der Erfindung ist somit ein Strömungssensor mit einem aus einem nichtmetallischen Material bestehenden Thermistor in Form einer dünnen Lochgitterplatte, die quer zu der zu messenden Strömung angeordnet ist und in ihrem Randbereich an zwei gegenüberliegenden Stellen Elektroden aufweist.

Unter dem Begriff Lochgitterplatte ist hier allgemein eine Rechteck-, Dreieck-, Sechseck- oder sonstige Gitterfolie oder eine großgelochte Folie mit einer Vielzahl von in der Plat ^¬ tenebene zweidimensional verteilten Löchern zu verstehen, al- so z. B. nicht nur eine einzelne Lochreihe. Die Lochgitter ^¬ struktur gibt der Platte bzw. Folie die erforderliche mecha ^¬ nische Stabilität, um die Löcher ausreichend groß, die Ab ^¬ stände der Löcher zueinander bzw. die Breite der Materialstege zwischen den Löchern möglichst klein und die Dicke der Platte bzw. Folie möglichst gering ausbilden zu können, so dass die Strömung den Strömungssensor weitgehend ungehindert passieren kann, die Wärmekapazität und damit die Ansprech ^¬ trägheit des Strömungssensor möglichst gering ist und dennoch der Strömungssensor ausreichend stabil ist, um nicht von der Strömung ausgelenkt zu werden oder bei Vibrationsbelastung in Schwingung zu geraten. Aufgrund der steiferen Struktur ist die Lochgitterplatte im Vergleich zu den bekannten mäander- förmigen Gitterstrukturen weniger empfindlich gegenüber einem Durchhängen der heißen Leiter, wodurch die Messwertdrift ver- ringert wird. Gleichzeitig erhöht sich die mechanische Eigen ^¬ frequenz, was wiederum die Vibrationsempfindlichkeit des Strömungssensors im niederfrequenten Bereich vermindert. Da die Elektroden an gegenüberliegenden Stellen im Randbereich der Lochgitterplatte angeordnet sind, fließt der elek ^¬ trische Strom in der Ebene der dünnen Lochgitterplatte durch die Materialstege zwischen den Löchern. Dabei ist der elektrische Widerstand von dem spezifischen Widerstand des Mate- rials der Lochgitterplatte, der Dicke der Stege und der für den Strom effektiven Weglänge zwischen den Elektroden abhängig. Diese effektive Weglänge kann gegenüber dem Abstand der Elektroden dadurch verlängert werden, dass die Löcher in der Lochgitterplatte entlang der Verbindungsstrecke zwischen den beiden Elektroden in Richtung quer zu der Verbindungsstrecke gegeneinander versetzt angeordnet sind. Damit diese verlän ^¬ gerte Weglänge auch im Randbereich der Lochgitterplatte wirk ^¬ sam ist, kann diese dort angeschnittene Löcher aufweisen. Durch Variation der Anzahl, Größe und/oder Form der Löcher lässt sich auf einfache Weise eine gewünschte, insbesondere auch eine gleichmäßige Temperaturverteilung über die gesamte Lochgitterplatte erreichen. Damit kann berücksichtigt werden, dass z. B. bei querschnittsfüllender Anordnung der Lochgit- terplatte in einem Strömungskanal im Randbereich der Lochgit ^¬ terplatte ein vergleichsweise größerer Wärmeabfluss in Rich ^¬ tung zu der Kanalwand stattfinden kann. Auf diese Weise kann auch die für den Strom effektive Weglänge zwischen den Elektroden im Randbereich der Lochgitterplatte eingestellt wer- den, was z. B. dann erforderlich sein kann, wenn der Querschnitt der Lochplatte von einer Rechteckform abweicht oder die Elektroden zueinander nicht parallel sind.

Grundsätzlich kommen alle möglichen Formen von Löchern (rund, polygonal) in Betracht, mit denen sich Kriterien wie mechanische Stabilität, geringer Strömungswiderstand, gewünschter elektrischer Widerstand und einfache Herstellbarkeit erfüllen lassen. Dabei sind regelmäßige Sechseck-Löcher besonders vor ^¬ teilhaft, weil die resultierende hexagonale Struktur der Lochgitterplatte ein optimales, nämlich minimales Verhältnis von Materialvolumen zu Lochvolumen bei hoher mechanischer Stabilität ergibt. Die Lochgitterplatte kann als planparallele Platte oder al ^¬ ternativ als Profilplatte mit sicken- und/oder beulenförmigen Ein- und Ausbuchtungen und/oder profiliertem Querschnitt der Materialstege zwischen den Löchern ausgebildet sein, wobei durch die Profilierung in vorteilhafter Weise eine Verstei- fung der Platte erreicht werden kann. Während die sickenförmigen Ein- und Ausbuchtungen wie z. B. bei einem Well- oder Trapezprofil nur in einer Richtung verlaufen, sind beulenför- migen Ein- und Ausbuchtungen zweidimensional über die Fläche der Platte verteilt. Zusätzlich oder alternativ können auch die Materialstege zwischen den Löchern z. B. U-, L-, T- oder doppel-T-förmig profiliert sein. Durch die Profilierung der Materialstege kann in vorteilhafter Weise deren elektrischer Widerstand eingestellt werden. Zur Erfassung von Wechselströmungen, insbesondere in Geräten der Gasanalytik, beispielsweise als Bestandteil eine opto- pneumatischen Detektors, ist der erfindungsgemäße Strömungs ^¬ sensor vorzugsweise in einer Messvorrichtung zusammen mit mindestens einem stromaufwärts oder stromabwärts angeordneten baugleichen weiteren Strömungssensor in der Strömung angeordnet. Bei periodisch wechselnder Strömung findet ein Übersprechen in Form eines periodisch wechselnden Wärmeaustauschs zwischen beiden Strömungssensoren statt. Dies kann in an sich bekannter Weise mittels einer elektrischen Messbrücke gemes- sen werden, in der die Strömungssensoren in unterschiedlichen Brückenzweigen angeordnet sind. Um eine hohe Messempfindlichkeit zu erreichen, sind beide Strömungssensoren in einem möglichst geringen Abstand zueinander angeordnet, wozu sie vor ^¬ zugsweise unter Zwischenlage einer ein Strömungsfenster ent- haltenden Abstandsplatte in einem Plattenverbund angeordnet sind .

Neben der Verwendung als Mikroströmungsfühler in einem Gas- analysator kann der erfindungsgemäße Strömungssensor bzw. die ihn enthaltende Messvorrichtung in vorteilhafter Weise als Luftmassensensor in einer Verbrennungsmaschine oder als medi ^¬ zinischer Atemstromsensor in einem Anästhesiegerät oder Beatmungsgerät angeordnet sein.

Die Löcher in der Lochgitterplatte können durch Materialab ^¬ trag in einer aus dem nichtmetallischen Material bestehenden Platte erzeugt werden. So können sie auf einfache Weise durch Laserbohren oder Laserschneiden in üblicherweise für Kaltleiter und Heißleiter verwendete Keramikscheiben eingebracht werden. Bei Verwendung von Halbleitermaterialien, wie z. B. Silizium, können die Löcher insbesondere auch durch Ätzen erzeugt werden. Alternativ kann die Lochgitterplatte durch Ma ^¬ terialauftrag, vorzugsweise epitaktisch oder durch 3D-Druck erzeugt werden, wobei bei sinterfähigen Keramiken insbesondere Lasersintern in Betracht kommt. Dabei wird die Lochgitter ^¬ platte aus dem Keramikpulver Schicht für Schicht aufgebaut. Dies vereinfacht insbesondere auch die oben erwähnte Ausbil ^¬ dung der Lochgitterplatte als Profilplatte.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im Folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen; im Einzelnen zeigen :

FIG. 1 ein schematisches Ausführungsbeispiel des er ^¬ findungsgemäßen Strömungssensors mit Lochgit ^¬ terplatte zur Messung einer Strömung,

FIG. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit zwei in der Strömung hintereinander angeordneten Strömungssensoren,

FIG. 3 ein Beispiel für eine Anordnung der Strömungs ^¬ sensoren in einer elektrischen Messbrücke,

FIG. 4 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen

Strömungssensors in Draufsicht, FIG. 5 ein Beispiel für eine Anordnung der Strömungs ^¬ sensoren in einem Plattenverbund,

FIG. 6 bis 8 unterschiedliche Beispiele für die Löcher in der Lochgitterplatte,

FIG. 9 und 10 unterschiedliche Beispiele für eine Ausbildung der Lochgitterplatte als Profilplatte,

FIG. 11 ein Beispiel für einen Materialsteg mit profi ^¬ liertem Querschnitt.

FIG. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Strömungskanal 1, durch den ein Gas mit einer zu messenden Strömung 2 fließt. In dem Strömungskanal 1 ist ein Strömungssensor 3 an ^¬ geordnet. Dieser weist einen aus einem nichtmetallischen Material bestehenden Thermistor in Form einer dünnen Lochgitterplatte 4 auf, die quer zu der zu messenden Strömung 2 ausgerichtet ist und in ihrem Randbereich 5 an zwei einander ge- genüberliegenden Stellen Elektroden 6, 7 zur Stromzuführung aufweist. Die Lochgitterplatte 4 füllt zumindest einen großen Teil des Querschnitts des Strömungskanals aus.

Der elektrische Strom fließt von der einen Elektrode, z. B. 6, über die zwischen den Löchern der Lochgitterplatte 4 be ^¬ findlichen dünnen Materialstege zu der anderen Elektrode 7. Dabei wird die Lochgitterplatte 4 über ihre Fläche erwärmt. Bei vorhandener Strömung 2 findet ein Wärmetransport in das Gas statt, der sich mit der Strömungsgeschwindigkeit ändert. Die Strömung wird durch Messen der elektrischen Größen des Strömungssensors 3 detektiert und ihre Geschwindigkeit oder der Massenstrom des Gases gemessen.

FIG. 2 zeigt denselben Strömungskanal 1 mit dem Strömungssen- sor 3 und einem weiteren baugleichen Strömungssensor 8, der in geringem Abstand zu dem Strömungssensor 3 vor oder hinter diesem angeordnet ist. Bei vorhandener Strömung 2 findet, je nach Richtung, ein Wärmetransport von dem einen Strömungssensor, z. B. 8, über das durchströmende Gas auf den anderen Strömungssensor 3 statt. So werden bei dem gegebenen Beispiel beide Strömungssensoren 3, 8 jeweils von dem durchfließenden Gas abgekühlt, wobei aber die Abkühlung des nachgeordneten Strömungssensors 3 aufgrund der höheren Temperatur des an- strömenden Gases geringer ist.

FIG. 3 zeigt ein vereinfachtes Beispiel für die Anordnung der beiden Strömungssensoren 3, 8 zusammen mit Referenzwiderständen 9, 10 in unterschiedlichen Zweigen einer elektrischen Messbrücke 11. Die Messbrücke 11 wird an der Eingangsdiago ^¬ nale mit einer Spannung V oder einem Strom I versorgt, während eine Messspannung an der Ausgangsdiagonale von einem Differenzverstärker 12 verstärkt wird. Die Messspannung ist ein Maß für die Verstimmung der Messbrücke 11 aufgrund der unterschiedlich erwärmten Strömungssensoren 3, 8.

FIG. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Strömungssensors 3 in Draufsicht. Dieser besteht aus der Lochgitterplatte 4, die hier als Rechteckfolie mit einem Lochgitter 13 im mittleren Bereich ist und den hier parallelen Elektroden 6, 7 beiderseits des Lochgitters 13 und ent ^¬ lang den schmalen Seiten des Rechtecks ausgebildet ist. Der mittlere Bereich des Lochgitters 13 befindet sich im Quer ^¬ schnittsbereich des Strömungskanals 1. Anstelle des hier ge- zeigten Kreisquerschnitts kann der Strömungskanal 1 insbeson ^¬ dere auch einen Rechteckquerschnitt aufweisen. Das Lochgitter 13 enthält eine Vielzahl vom Rundlöchern 14, die entlang der kürzesten Verbindungsstrecke zwischen den beiden Elektroden 6, 7 in Richtung quer zu dieser Verbindungsstrecke abwech- selnd versetzt angeordnet sind. Die Pfade für den Strom I über die Materialstege 15 zwischen den Löchern 14 verlaufen daher nicht gerade auf kürzestem Wege von der Elektrode 6 zur Elektrode 7 sondern zickzackförmig, wodurch die effektive Weglänge und damit der elektrische Widerstand für den Strom I verlängert ist. Im Vergleich dazu kann bei Verwendung eines sehr hochohmigen Materials für den Thermistor die Weglänge für den Strom I verkürzt werden, indem das gezeigte Lochgit ^¬ ter 13 um 90° gedreht wird. FIG. 5 zeigt den Strömungssensor 3 aus FIG. 4 in einem

Schnitt entlang der Linie AA' und zusammen mit dem weiteren baugleichen Strömungssensor 8. Die Strömungssensoren 3, 8 sind innerhalb eines Plattenverbunds 16 auf beiden Seiten ei- ner isolierenden Abstandsplatte 17 angeordnet und sind je ^¬ weils mit Deckplatten 18, 19 abgedeckt. Die Platten 17, 18, 19 enthalten jeweils mit dem Strömungskanal 1 Fenster 20 für das durchströmende Gas, die mit dem Strömungskanal 1 fluch ^¬ ten. Bei Ausbildung der Sensoranordnung als Mikroströmungs- fühler sind die einzelnen Fenster 20 zum Beispiel etwa 1 mm ² groß und die Lochgitter der Strömungssensoren 3, 8 wenige μιη dick. Bei den Lochgittern beträgt das Volumenverhältnis der Löcher zu den Materialstegen beispielsweise etwa 2:1. FIG. 6 zeigt beispielhaft einen Ausschnitt aus der Lochgit ^¬ terplatte 4, die hier quer zur Richtung des Stroms I abwechselnd versetzte Langlöcher 21 enthält. Je länger die Löcher 21 sind umso größer ist die oben erläuterte Verlängerung der effektiven Wegstrecke für den Strom I . Im Randbereich 5 der Lochgitterplatte 4 sind die Löcher 21 angeschnitten, so dass auch hier die verlängerte Weglänge zum Tragen kommt.

FIG. 7 zeigt beispielhaft einen Ausschnitt aus der Lochgit ^¬ terplatte 4, mit regelmäßigen Sechseck-Löchern 22, so dass das Lochgitter 13 eine hexagonale Struktur aufweist. Diese

Struktur zeichnet sich durch eine hohe mechanische Stabilität und ein hohes Durchlassvermögen für die zu messende Strömung aus . FIG. 8 zeigt schließlich ein Beispiel für eine Lochgitterplatte 4 mit quadratischer Gitterstruktur. Die Pfade für den Strom I sind hier allein durch die gerade auf kürzestem Wege zwischen den Elektroden verlaufenden Materialstege 15 definiert. Zur Verlängerung der effektiven Wegstrecke für den Strom I kann das das Lochgitter 13 um 45° gedreht werden.

In FIG. 7 und 8 haben die jeweils senkrecht zu dem kürzesten Verbindungsweg zwischen den Elektroden verlaufenden Materialstege 15 keine elektrische Funktion, weil aufgrund der Symme- trie des Lochgitters 13 durch sie kein Strom fließt. Diese Materialstege 15 tragen daher nur zur Stabilität der Lochgit ^¬ terplatte 4 bei und können daher in vorteilhafter Weise ausschließlich unter diesem Gesichtspunkt dimensioniert werden.

FIG. 9 zeigt beispielhaft einen Ausschnitt aus der als Pro ^¬ filplatte mit einem Wellprofil ausgebildeten Lochgitterplatte 4. FIG. 10 zeigt beispielhaft einen Ausschnitt aus der als Pro ^¬ filplatte mit einem Beulenprofil ausgebildeten Lochgitterplatte 4.

Das Profilmuster in den gezeigten Beispielen ist großflächig im Vergleich zu den Abmessungen der hier nicht gezeigten Löcher .

FIG.11 zeigt ein Beispiel für die Ausbildung der Materialste ^¬ ge 15 zwischen den Löchern mit hier U-förmigem Querschnitt.