Hintergrund Die Erfindung betrifft einen Flussigkeits- Flusssensor und ein Verfahren zum Messen der Flussmenge einer Flüssigkeit gemaß Oberbegriff der unabhangigen Ansprüche.

Stand der Technik Ein Flussigkeits-Flusssensor ist in der folgenden Publikation beschrieben: M. Ashauer, H. Glosch, F. Hedrich, N. Hey, H. Sandmaier und W. Lang, Thermal Flow Sensor for Liquids and Gases", IEEE Proceedings (98CH36176) des 11. internationalen Workshops"Micro Electro Mechanical Systems", 1998.

Flüssigkeits-Flusssensoren dienen zur Messung der Flussgeschwindigkeit einer Flussigkeit. Insbesondere existieren thermische Flusssensoren, welche ein thermisch mit der Flüssigkeit in Kontakt stehendes Heizelement und einen Temperatursensor aufweisen. Da die Flussgeschwindigkeit die Warmeableitung vom Temperatursensor und auch die Warmeverteilung in der Flüssigkeit beeinflusst, ist das vom Temperatursensor gemessene Signal abhängig von der Flussgeschwindigkeit.

Aus den Messresultaten von Flussigkeits- Flusssensoren lasst sich die Flussmenge der Flüssigkeit

bestimmen, d. h. die Menge der an einem Messpunkt vorbeifliessenden Flussigkeit.

Darstellung der Erfindung Es stellt sich die Aufgabe, einen möglichst einfach herzustellenden und dennoch genauen Sensor der eingangs genannten Art bereitzustellen. Ebenso stellt sich die Aufgabe ein Verfahren der eingangs genannten Art zu-finden, welches eine möglichst zuverlassige Bestimmung der Flussmenge zulasst.

Diese Aufgabe wird vom Flusssensor bzw. dem Verfahren gemass den unabhängigen Ansprüchen gelost.

Die wichtigsten Komponenten des Flusssensors, d. h. der Temperatursensor und das Heizelement sind also zusammen mit einer Auswerte-und Steuerschaltung auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat angeordnet. Dadurch wird die Herstellung verbilligt und die Störanfälligkeit reduziert.

Vorzugsweise ist der Flusssensor mit einer Deckschicht versehen, um den Temperatursensor und das Heizelement zu schutzen. Als besonders geeignet hat sich eine Deckschicht aus DLC (Diamond-Like Carbon) erwiesen, da diese sich durch hohe Harte und Stabilitat auszeichnet.

Um den Flusssensor zu kalibrieren, ist er vorzugsweise mit einem Ventil ausgestaltet, welches von der Auswerte-und Steuerschaltung geschlossen wird, um die Parameter des Sensors bei definierten Bedingungen zu ermitteln.

Beim erfindungsgemassen Verfahren wird die Flüssigkeit durch eine Leitung an einem Heizelement vorbeigefuhrt. Es wird eine Messgrösse bestimmt, die von der vom Heizelement abgegebenen Leistung oder von einer Temperatur in der Leitung beim Heizelement abhangt. Dies erlaubt es, die Anwesenheit von Gasblasen zu detektieren, was es ermöglicht, die Gasblase bei der Flussmenge zu

berücksichtigen und/oder eine Warnung abzugeben. Dadurch ergibt sich ein genaueres Messresultat.

Vorzugsweise wird bei Anwesenheit einer Gasblase die Messung der Flussmenge, die einer Integration der Flussgeschwindigkeit über die Zeit entspricht, unterbrochen. Es kann auch das Volumen der Gasblase aus der momentanen Flussgeschwindigkeit der Flussigkeit und einer zeitlichen Lange der Gasblase ermittelt werden. Unter zeitlicher Lange ist hierbei die Zeit zu verstehen, während der aufgrund der Messgrosse auf eine Anwesenheit der Gasblase geschlossen wird.

Werden vor und hinter dem Heizelement Temperatursensoren vorgesehen, so kann aus deren Temperaturunterschied nicht nur die Flussgeschwindigkeit der Flussigkeit, sondern auch die Flussgeschwindigkeit des Gases in einer Gasblase bestimmt werden. Da die Signale bei einer Gasblase jedoch wesentlich schwacher sind, braucht die Integration zur Ermittlung der Flussmenge in diesem Falle bei Anwesenheit einer Gasblase nicht unbedingt unterbrochen zu werden.

Die erfindungsgemasse Vorrichtung bzw. das erfindungsgemässe Verfahren eignen sich insbesondere zum Bestimmen kleiner Flussmengen, wie sie z. B. bei der Verabreichung von Medikamenten oder in der Prozesstechnik zu messen sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen 'Weitere Ausgestaltungen, Vorteile und Anwen- dungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen An- spruchen und aus der nun folgenden Beschreibung anhand der Figuren. Dabei zeigen: Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch eine Ausführung eines erfindungsgemassen Flusssensors, Fig. 2 ein Sensorelement auf einem Halbleitersubstrat,

Fig. 3 einen schematischen Schnitt entlang Linie III-III von Fig. 2, Fig. 4 ein Blockdiagramm des Flusssensors und Fig. 5 eine bevorzugte Ausfuhrung der Heizungssteuerung.

Wege zur Ausführung der Erfindung In Fig. 1 ist der grundsätzliche Aufbau einer bevorzugten Ausführung der Erfindung dargestellt. Die zu messende Flüssigkeit 1 wird durch eine Leitung 2 gefuhrt.

An der Wand der Leitung 2 ist, in direktem Kontakt mit der Flüssigkeit 1, ein Sensorelement 3 angeordnet. Ferner ist ein Ventil 4 vorgesehen, mit welchem die Leitung 2 geschlossen werden kann. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um ein Ventil auf Bimetall-Basis.

Der Aufbau des Sensorelements 3 ist aus Fig.

2 und 3 ersichtlich. Es ist auf einem Halbleitersubstrat 5 integriert und besitzt einen Messteil 6 und einen Elektronikteil 7.

Der Messteil 6 bildet einen Teil der Wand der Leitung 2, so dass die dort angeordneten Komponenten in thermischem Kontakt mit der Flussigkeit 1 stehen. Er umfasst eine resistive Heizung R1, welche symmetrisch zwischen zwei als Thermosaulen ausgestalteten Temperatursensoren 10,11 angeordnet ist. Die Thermosaulen besitzen Kontakte zwischen Polysilizium und Aluminium und/oder zwischen unterschiedlich dotiertem Polysilizium, so dass sie im Rahmen eines industriellen CMOS-Prozesses hergestellt werden konnen.

Wie insbesondere aus Fig. 3 ersichtlich, ist die Heizung R1 auf einer Membran 12 angeordnet, die sich aber einer Vertiefung oder Öffnung 13 des Halbleitersubstrats 5 erstreckt. Der Temperatursensor 10 misst die Temperaturdifferenz zwischen einem Bereich der Membran 12 vor der Heizung R1 und dem Halbleitersubstrat.

Der Temperatursensor 11 misst die Temperaturdifferenz zwischen einem Bereich der Membran 12 nach der Heizung R1 und dem Halbleitersubstrat.

Die Anordnung der Temperatursensoren 10,11 und der Heizung R1 auf der Membran erhöht die Reaktionsgeschwindigkeit und Empfindlichkeit des Sensors.

Je nach Anforderungen kann auf die Vertiefung bzw. oeffnung 13 jedoch auch verzichtet werden, so dass die Komponenten direkt uber dem Halbleitersubstrat 5 liegen.

Um den Messteil 6 chemisch von der Flüssigkeit 1 zu trennen, ist dieser mit einer Deckschicht 15 bedeckt. Die Deckschicht 15 kann aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder einem anderen geeigneten Material bestehen. Bevorzugt besteht'sie jedoch aus DLC (Diamond-Like Carbon). Der Aufbau und die Herstellung von Schichten aus DLC wird z. B. von U.

Müller, R. Hauert und M. Tobler in Ultrahartstoff- Beschichtungen aus Kohlenstoff", Oberflachen Werkstoffe 4/97 beschrieben.

Der Elektronikteil 7 umfasst Schaltungen, um die Heizung R1 zu steuern und die Messsignale auszuwerten. Vorzugsweise ist sie in CMOS-Technologie ausgefuhrt.

Fig. 4 zeigt ein Blockdiagramm des Flusssensors. Wie daraus ersichtlich, werden die Messsignale der Temperatursensoren 10,11 sowie ein von der Leistungsaufnahme der Heizung R1 abhangiger Betriebsparameter der Heizung R1 einer Verstärkerstufe 20 zugeführt, welche wahlweise eines oder mehrere dieser Signale verstarkt. Die verstarkten Signale werden in einem A/D-Wandler 21 digitalisiert und sodann in einer Auswerteschaltung 22 linearisiert und offset-korrigiert.

Zur Ansteuerung der Heizung R1 ist eine Heizungssteuerung 23 vorgesehen. Zur Kontrolle der ubrigen Funktionen des Flusssensors dient eine Steuerung 24.

Die Verstärkerstufe 20, der A/D-Wandler 21, die Auswerteschaltung 22, die Heizungssteuerung 23 und die Steuerung 24 sind vorzugsweise alle im Elektronikteil 7 des Halbleitersubstrats 5 integriert.

Im Normalbetrieb des Flusssensors ist das Ventil 4 offen und der Massenfluss der Flüssigkeit wird z. B. aus der Differenz der Signale der beiden Temperatursensoren 10,11 ermittelt, wie dies z. B. in der eingangs erwahnten Publikation von M. Ashauer et al. beschrieben ist.

Um den Flusssensor zu kalibrieren, wird das Ventil 4 von der Steuerung 24 geschlossen. Der verbleibende Unterschied der Signale der beiden Temperatursensoren 10,11 wird als Offset abgespeichert und im folgenden Normalbetrieb vom Messsignal subtrahiert.

Eine bevorzugte Ausführung der Heizungssteuerung 23 ist in Fig. 5 dargestellt. Sie umfasst nebst der Heizung R1 noch einen Referenzwiderstand R2. Beide Widerstände R1, R2 sind aus gleichem Material als PTC-Widerstande ausgefuhrt, d. h. ihr Widerstand nimmt bei zunehmender Temperatur in gleichem Masse und im wesentlichen linear zu. Der Referenzwiderstand befindet sich jedoch nicht auf der Membran 12, sondern ist uber dem Halbleitersubstrat 5 angeordnet. Geometrisch unterscheiden sich R1 und R2 derart, dass der Widerstand von R1 bei gleicher Temperatur einige Prozent kleiner ist als jener von R2.

Die beiden Widerstande R1, R2 werden über zwei Transistoren T1, T2 vorzugsweise mit identischen oder zueinander proportionalen Strömen versorgt. Die Gatespannung der Transistoren T1, T2 wird von einem Operationsverstärker A erzeugt. Die Spannung U1 über R1 liegt am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers A, die Spannung U2 über R2 am nicht-invertierenden Eingang.

Die Schaltung gemass Fig. 5 bildet einen Regelkreis, in welchem die Ströme so geregelt werden, dass sich zwischen den beiden Widerstanden R1 und R2 ein fester Temperaturunterschied einstellt.

Dies wird dadurch bewirkt, dass der Operationsverstarker A versucht, die Spannungen U1 und U2 gleich zu halten. Dies ist der Fall, wenn zwischen den beiden Widerstanden R1 und R2 ein fester, Temperaturunterschied besteht, welcher gegeben ist durch den Temperaturkoeffizienten der Widerstande R1, R2 und dem Unterschied der Widerstandswerte.

Da die Temperatursensoren 10,11 als Thermosaulen ebenfalls Temperaturen relativ zur Substrattemperatur messen, hat die Schaltung gemäss Fig.

5 den Vorteil, dass sie den Flusssensor in erster Naherung unabhangig von der Umgebungstemperatur macht.

Ausserdem hat die Schaltung gemass Fig. 5 den Vorteil, dass sie eine Uberhitzung der Heizung bei Gasblasen in der Flüssigkeit 1 verhindert. Dank dem Regelkreis fallt die Steuerspannung fur die Transistoren T1, T2 bei einer Gasblase sehr schnell ab. Die Reaktionszeit liegt dank der Anordnung der Heizung R1 auf der Membran 12 im Bereich von z. B. 2 Millisekunden.

Erhöht sich die Flussgeschwindigkeit der Flussigkeit 1 im Normalbetrieb, so verliert die Heizung RI mehr Warme, weshalb der Strom durch die Heizung R1 automatisch ansteigt. Somit ist auch der Strom durch die Heizung R1 (oder deren Leistungsaufnahme oder die Ausgangsspannung des Operationsverstarkers A) ein Betriebsparameter, der von der Flussgeschwindigkeit der Flussigkeit 1 abhangt. Insbesondere bei hohen Flüssen eignet sich dieser Parameter gut zur Flussmessung. Er wird deshalb ebenfalls dem Vorverstarker 20 zugefuhrt.

Erfolgt die Flussmessung uber den Warmeverlust der Heizung R1, so kann die Heizung R1 gleichzeitig als Heizorgan und als Temperatursensor

wirken. In diesem Falle werden die zusätzlichen Temperatursensoren 10, 11 nicht benotigt.

Vorzugsweise werden beide Messmethoden kombiniert. Bei tiefen Flüssen wird in erster Linie auf die Signale der Temperatursensoren 10,11 abgestellt, bei höheren Werten auf einen vom Warmeverlust der Heizung R1 abhangigen Wert, z. B. auf den oben erwahnten Betriebsparameter. Eine geeignete Gewichtung oder Auswahl der Messmethoden wird vorzugsweise von der Auswerteschaltung 22 durchgefuhrt.

Die Auswerteschaltung kann die Flussmessung, die mit den Signalen der Temperatursensoren 10,11 durchgeführt wird, dazu verwenden, die Messung aber den Warmeverlust der Heizung R1 zu eichen. Hierzu kann z. B. in zeitlichen Intervallen das Ventil geschlossen werden, oder es wird abgewartet, bis der Fluss in den Messbereich der Temperatursensoren 10,11 gelangt. Sodann kann über die Temperatursensoren 10, 11 eine Messung guter Genauigkeit durchgeführt werden. Diese wird mit dem Messresultat aus dem Warmeverlust der Heizung R1 verglichen, wodurch die Flussmessung über den Warmeverlust kalibriert werden kann.

Je nach Anforderung kann jedoch auch nur eine der Messmethoden eingesetzt werden, oder es kann z. B. eine der anderen Messmethoden zum Einsatz kommen, die in der oben erwahnten Publikation von M. Ashauer et al. beschrieben sind.

Um die Genauigkeit des Flusssensors zu verbessern, können Gasblasen in der Flüssigkeit 1 berücksichtigt werden. Wie bereits erwahnt, kann die Anwesenheit einer Gasblase über den oben erwahnten Betriebsparameter der Heizung bestimmt werden. In der Regel ist die Anwesenheit einer Gasblase auch aber die Temperatursensoren 10,11 feststellbar, da sich in der Leitung in der Nahe der Heizung beim Durchgang einer Gasblase eine andere Temperatur und Temperaturverteilung einstellt.

Wird eine Gasblase detektiert und wird die Flussmenge uber den Warmeverlust der Heizung R1 bestimmt, so wird die Messung während der Anwesenheit der Heizung unterbrochen, d. h. die Flussgeschwindigkeit wird wahrend dem Durchzug der Blase nicht aufintegriert.

Es ist auch möglich, das Volumen der Gasblase aus dem momentanen Wert der Stromungsgeschwindigkeit und der Verweilzeit der Gasblase beim Flusssensor, sowie aus dem Querschnitt der Leitung 2 zu bestimmen.

Die Messung der Flussmenge uber die Temperaturdifferenz zwischen den Temperatursensoren 10, 11 ist unempfindlich gegenuber Gasblasen. Bei Anwesenheit einer Gasblase wird die Temperaturdifferenz über den Temperatursensoren 10,11 sehr klein, d. h. wenn keine besonderen Massnahmen ergriffen werden, so nimmt der Flusssensor an, dass die Flussgeschwindigkeit nahezu auf Null gefallen ist. Bei der Bestimmung der Flussmenge, d. h. der Integration der Flussgeschwindigkeit über die Zeit, fallt also beim Durchgang der Blase kein oder zumindest nur ein sehr geringer Beitrag an.

Bei Anwesenheit einer Gasblase kann aus der Temperaturdifferenz über den Temperatursensoren 10,11 auch in bekannter Weise die Strömungsgeschwindigkeit des Gases in der Gasblase bestimmt werden.

Diese Operationen können von der Auswerteschaltung 22 oder einem externen Prozessor durchgeführt werden.

'Es ist auch denkbar, lediglich ein Warnsignal zu erzeugen, dass die Anwesenheit einer Gasblase anzeigt, ohne dass die Flüssigkeitsmenge korrigiert wird.

Der vorliegende Flusssensor eignet sich für die Messung mit Flüssigkeiten aller Art. Sein Ausgangssignal kann, je nach Anforderung, der momentane Flusswert (beispielsweise in Liter pro Minute) oder der über die Zeit integrierte Fluss (beispielsweise in Liter) sein.

In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Auswerte-und Steuerschaltung auf dem Halbleitersubstrat 5 integriert ist. Es ist allerdings auch denkbar, auf dem Halbleitersubstrat 5 nur die Heizung und einen oder mehrere Temperatursensoren anzuordnen.

Wahrend in der vorliegenden Anmeldung bevorzugte Ausführungen der Erfindung beschrieben sind, ist klar darauf hinzuweisen, dass die Erfindung nicht auf diese Beschrankt ist und in auch anderer Weise innerhalb des Umfangs der folgenden Anspruche ausgeführt werden kann.