Die Erfindung betrifft einen thermischen Durchflusssensor. Zur Bestimmung von Strömungseigenschaften, insbesondere des

Durchflusses, eines Mediums (beispielsweise eines Fluides oder Gases) sind thermische Durchflusssensoren bekannt, die ausnutzen, dass ein strömendes bzw. fließendes Medium Wärme transportiert. Derartige Durflusssensoren weisen zumindest ein

Heizelement und zumindest einen Temperatursensor auf, um den Durchfluss des Mediums zu bestimmen.

Bekannt sind aus dem Stand der Technik so genannte Anemometer, bei

denen die Heizleistung derartig geregelt wird, dass sich eine vorbestimmte

Temperatur an dem mindestens einen Temperatursensor aufgrund des

Wärmetransports des Mediums einstellt. Anhand der zugeführten Heizleistung lässt sich der Durchfluss des Mediums bestimmen.

Ferner sind aus dem Stand der Technik so genannte kalorimetrische

Durchflusssensoren bekannt, die mittels mindestens zweier in der Regel in

Durchflussrichtung versetzt angeordneten Temperatursensoren den Durchfluss des Mediums ermitteln. Hierbei wird das Medium an einem zwischen den beiden

Temperatursensoren liegenden Heizelement erwärmt bzw. erhitzt. Die

Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperatursensoren wird bestimmt, um so den Durchfluss des Mediums zu erhalten. Bei dieser Methode wird die durch das Heizelement aufgebrachte und an das Medium übertragene Heizleistung nicht geregelt.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf kalorimetrische Durchflusssensoren mit widerstandsbasierten Temperatursensoren. Als widerstandsbasierte Temperatursensoren werden dabei häufig kaltleitende Materialen verwendet (auch PCT genannt), für die mit steigender Temperatur der Widerstand in erster Ordnung linear zunimmt. Unter den Kaltleitern ist wiederum Platin ein bevorzugtes Material, da Platin eine insgesamt höchstens quadratische Abhängigkeit des Widerstands von der Temperatur aufweist.

Fließt in einem Messbetrieb Strom durch die Widerstände, erwärmen sich diese. Steht einer der Widerstände in Kontakt mit dem Medium, wird damit auch eine Wärmemenge Q in das Medium eingebracht, welche durch den Durchfluss abtransportiert wird. Da bei kalorimetrischen Durchflusssensoren die eingebrachte Wärmemenge nicht auf einen bestimmten Wert geregelt wird, muss die mit der Heizleistung verbundene Wärmemenge weder konstant noch bekannt sein. Daher sind derartige temperaturabhängige

Widerstände zur Eigenheizung geeignet, so dass im Prinzip kein separates Heizelement nötig ist. Das Maß für den Durchfluss ist in diesem Fall eine durch den Durchfluss verursachte Asymmetrie, beispielsweise eine Verschiebung der durch die Eigenheizung erzeugten Wärmeverteilung bzw. Verformung der durch die Eigenheizung verursachten sogenannten thermischen Blase.

Es ist wünschenswert, mit einer derartigen Vorrichtung eine möglichst genaue

Durchflussmessung zu ermöglichen. Eine wichtige Störgröße stellt hierbei die Temperatur selbst dar. Das Messsignal für den Durchfluss sollte möglichst nicht von der

Umgebungstemperatur, der Temperatur des Mediums, aber auch einer Differenz zwischen Umgebungs- und Medientemperatur oder Änderungen von Umgebungs- und Medientemperatur abhängen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen thermischen Durchflusssensor mit

Widerstandsthermometern anzugeben, bei dem temperaturbedingte Einflüsse möglichst gering sind.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen thermischer Durchflusssensor zur Bestimmung des Durchflusses eines in eine Durchflussrichtung strömenden Mediums, wobei vier elektrische Widerstände mit einen temperaturabhängigen elektrischen Widerstand aus einem kaltleitenden Material und einer Regel-/Auswerteeinheit vorgesehen sind, wobei die vier Widerstände in einer Wheatstone'schen Brücke miteinander verschaltet sind, wobei die vier Widerstände im Messbetrieb im thermischen Kontakt mit dem Medium stehen und in Durchflussrichtung hintereinander versetzt angeordnet sind, wobei die Regel-/Auswerteeinheit dazu ausgestaltet ist, im Messbetrieb die Wheatstone'schen Brücke über zwei erste nicht benachbarte Leiterknoten der Wheatstone'schen Brücke mit einem elektrischen Strom zu speisen, wobei der gespeiste Strom auf einen konstanten vorgegebenen Wert geregelt ist, und wobei die Regel-/Auswerteeinheit dazu ausgestaltet ist, die im Messbetrieb vorliegende Spannung an zwei zweiten nicht benachbarten

Leiterknoten der Wheatstone'schen Brücke zu messen und daraus den Durchfluss zu bestimmen.

Die Erfindung beinhaltet also, eine auf einen konstanten Strom geregelte

Wheatstone'sche Brücke mit vier Widerständen zu verwenden, wobei alle Widerstände der Wheatstone'sche Brücke im thermischen Kontakt mit dem Medium stehen und in Durchflussrichtung versetzt angeordnet sind.

Die Wheatstone'sche Brücke wird durch eine geschlossene Leitermasche gebildet, in der vier Widerstände und vier zwischen den Widerständen angeordnete Leiterknoten vorliegen. Ein Leiterknoten ist ein Punkt, in dem drei Leiter zusammenführen. Jeder der Leiterknoten hat zwei benachbarte Leiterknoten, sowie einen nicht benachbarten Leiterknoten. Der nicht benachbarte Leiterknoten wird im Stand der Technik auch als diagonaler Leiterknoten bezeichnet. In der Wheatstone'schen Brückenschaltung sind die Widerstände damit paarweise parallel und in Reihe geschaltet sind. Die Wheatstone'sche Brücke wird über zwei nicht benachbarte Leiterknoten mit einem konstant geregelten Strom gespeist. Der Strom teilt sich in zwei Strompfade auf. Das Messsignal ist die an den zwei weiteren, nicht benachbarten Leiterknoten der Wheatstone'schen Brücke vorliegende Spannung. Diese sogenannte Brückenspannung ist ein Maß für die durch den Durchfluss eingeführte Asymmetrie. Da alle Widerstände im thermischen Kontakt mit dem Medium stehen, wird zunächst (d.h. außerhalb des Messbetriebs) ein isothermischer Zustand der Widerstände erreicht. Dies ist hilfreich zur Eliminierung von

Te m pe ra tu reff ekte n . Im Messbetrieb ist die Heizleistung dann im Wesentlichen P=UI, wobei U die an der Wheatstone'schen Brücke abfallenden Spannung und I der Strom ist. Bei konstanter Stromspeisung der Wheatstone'schen Brücke berechnet sich die Heizleistung zu P= R*l ² , wobei I der vorgegebene Wert des konstant geregelten Stromes ist. Damit ist auch der Quotient aus Heizleistung und Gesamtwiderstand zwangsläufig konstant: P/R=const. Dies bewirkt, dass eine rein temperaturbedingte Änderung des Gesamtwiderstandes der Wheatstone'schen bei der Regelung auf den konstanten Strom gleichermaßen eine Änderung der Heizleistung nach sich zieht. Die Widerstände sind dabei aus einem kaltleitenden Material. Damit wird eine steigende Temperatur auch zu einem linear steigenden Widerstand und damit einer linear steigenden Heizleistung führen. Auf diese Weise passt sich durch die Regelung auf den konstanten Strom die Heizleistung automatisch an die Temperatur an. Durch diese Regelung werden damit

Temperatureffekte automatisch kompensiert, da aufgrund der Regelung die Heizleistung automatisch mit steigender Temperatur steigt. Würde die Wheatstone'schen Brücke statt dessen mit konstanter Spannung gespeist, so würde gelten P=U ² /R bzw. P ^* R=const. In diesem Fall würde eine Erhöhung des

Widerstands zu einer Erniedrigung der Heizleistung führen, so dass für die Widerstände aus dem kaltleitenden Material keine Kompensation stattfindet. Würde in diesem Fall statt des kaltleitenden Material ein warmleitendes Material verwendet werden (also ein NTC Material bzw. eine Material dessen Widerstand mit steigender Temperatur sinkt), würde bei steigender Temperatur der Widerstand sinken. Da die Heizleistung aufgrund von P*R=const. steigt, passt sich auch in diesem Fall die Heizleistung automatisch an die Temperatur an. Da NTC Materialien in der Regel stark nicht-linear sind, gestaltetet sich die Kompensation von Temperatureffekten in diesem Fall komplizierter, so dass diese technische Alternative nicht Teil der vorliegenden Anmeldung ist. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind jeweils zwei der vier Widerstände im Wesentlichen identisch ausgestaltet, wobei die im Wesentlichen identisch

ausgestalteten Widerstände jeweils durch einen Leiterknoten der Wheatstone'schen Brücke benachbart sind, und wobei die jeweils im Wesentlichen identisch ausgestalteten Widerstände im Wesentlichen spiegelsymmetrisch in Bezug auf eine gemeinsame

Spiegelachse angeordnet sind, wobei die Spiegelachse im Wesentlichen senkrecht zur Durchflussrichtung ist.

Die vier Widerstände sind also zwei Paare von im Wesentlichen identisch ausgestalteten Widerstände: die ersten beiden Widerstände sind im Wesentlichen identisch

ausgestaltetet, und die zweiten beiden Widerstände sind im Wesentlichen identisch ausgestaltetet. Identisch ausgestaltet heißt im Rahmen dieser Anmeldung, dass die Widerstände denselben nominellen Widerstandswert und dieselbe Kennlinie aufweisen, dass es sich also beispielsweise um zwei Pt100 handelt und zwei Pt1000 handelt. Als nomineller Widerstandswert wird im Rahmen dieser Anmeldung der Widerstandswert der Widerstände ohne Messbetrieb (also ohne Eigenerwärmung etc.) bezeichnet.

Die jeweils im Wesentlichen identisch ausgestalteten Widerständen sind dabei in Bezug auf die Topologie der Wheatstone'schen Brücke so angeordnet, dass genau ein

Leiterknoten der Wheatstone'schen Brücke zwischen den im Wesentlichen identisch ausgestalteten Widerständen liegt. Gleichzeitig ist die räumliche Anordnung der im Wesentlichen identisch ausgestalteten Widerstände durch die gemeinsame Spiegelachse vorgegeben. Die ersten beiden im Wesentlichen identisch ausgestalteten Widerstände sind spiegelsymmetrisch in Bezug auf die gemeinsame Spiegelachse angeordnet, und die zweiten beiden im Wesentlichen identisch ausgestalteten Widerstände sind

spiegelsymmetrisch in Bezug auf die gemeinsame Spiegelachse angeordnet. Diese Ausgestaltung eignet sich aufgrund der hohen Symmetrie insbesondere für die Erfindung. Es handelt sich um eine besonders symmetrische Ausgestaltung der Wheatstone'schen Brücke.

Beispielsweise können alle Widerstände in einer zur Durchflussrichtung parallelen Ebene angeordnet sein. In diesem Fall liegen die ersten beiden im Wesentlichen identisch ausgestalteten Widerstände auf einer zur Durchflussrichtung im Wesentlichen parallelen ersten Gerade, und die zweiten beiden im Wesentlichen identisch ausgestalteten Widerstände auf einer zur Durchflussrichtung parallelen zweiten Gerade, wobei die erste und die zweite Gerade nicht unbedingt übereinstimmen müssen. Selbstverständlich können die Widerstände auch alle auf einer gemeinsamen, zur Durchflussrichtung parallelen Geraden liegen. Eine andere Möglichkeit ist, dass die ersten beiden im Wesentlichen identisch ausgestalteten Widerstände in einer ersten, zur Durchflussrichtung parallelen Ebene liegen, und dass die zweiten beiden im Wesentlichen identisch ausgestalteten

Widerstände in einer zweiten, zur Durchflussrichtung parallelen Ebene liegen. Die ersten beiden im Wesentlichen identisch ausgestalteten Widerstände und die zweiten beiden im Wesentlichen identisch ausgestalteten Widerstände liegen in dieser Variante in Bezug auf den Durchfluss bzw. das Medium übereinander. Bei den möglichen Anordnungen muss immer gewährleistet sein, dass alle Widerstände mit dem Medium im thermischen Kontakt stehen. Eine Möglichkeit ist, in Bezug auf das Medium übereinander angeordnete Widerstände durch dünne Membrane voneinander elektrisch zu isolieren, wobei eine Wärmeleitung durch die Membrane weiterhin gewährleistet sein muss.

In einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung unterscheidet sich der nominelle

Widerstandswert (R1 ) der ersten beiden im Wesentlichen identisch ausgestalteten Widerstände vom nominellen Widerstandswert (R2) der zweiten beiden im Wesentlichen identisch ausgestalten Widerstände. Selbstverständlich kann alternativ auch R1 =R2 gelten, wobei die zweite Ausgestaltung der Erfindung gegenüber dieser Variante bevorzugt ist. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird im Messbetrieb der vorgegebene Wert des elektrischen Stroms in Bezug auf den zu bestimmenden Durchfluss so gewählt, dass die durch den Strom in das Medium eingebrachte Wärmemenge (Q) und der zu bestimmende Durchfluss einen thermischen Gradienten entlang der Durchflussrichtung bedingen,

wobei der thermische Gradient eine messbare Spannung an den zwei zweiten nicht benachbarten Leiterknoten der Wheatstone'schen Brücke verursacht.

Diese Ausgestaltung beschreibt die Variante der Erfindung mit eigenerwärmten

Widerständen. Der Strom muss dabei an die Widerstände bzw. die zum Heizen benötigte Leistung und an einen vorgegebenen Messbereich des zu erwarteten Durchflusses angepasst sein. Eine messbare Spannung bedeutet im Rahmen dieser Anmeldung, dass die Spannung mit fachüblichen Spannungsmessgeräten messbar ist.

In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist ein Heizelement zum Einbringen einer Wärmemenge (Q) in das Medium vorgesehen,

wobei das Heizelement im Wesentlichen in der Mitte zwischen den in Durchflussrichtung hintereinander versetzt angeordneten Widerständen (A,B,C,D) angeordnet ist, vorzugsweise auf der gemeinsamen Spiegelachse, und wobei das Heizelement eine von der Wheatstone'schen Brücke getrennte Strom- bzw. Spannungsversorgung aufweist. In dieser Ausgestaltung liegt das zusätzliche Heizelement also zwischen zwei der im Wesentlichen identisch ausgestalten Widerständen. Das zusätzliche Heizelement bringt also die zusätzliche Wärmemenge Q in das Medium ein. Je größer die durch das Heizelements in das Medium eingebrachte Wärmemenge, desto größer ist auch der Effekt auf die Widerstände der Wheatstone'schen Brücke. Damit lässt sich anhand des Heizelements die Empfindlichkeit des thermischen Durchflusssensors einstellen.

In einer Ausgestaltung weist das Heizelement einen temperaturabhängigen Widerstand auf, wobei das Heizelement vorzugsweise ein Kaltleiter ist. In dieser Ausgestaltung wird das Heizelement vorzugsweise auch mit einem konstant geregelten Strom gespeist.

In einer dazu alternativen Ausgestaltung weist das Heizelement einen im Wesentlichen temperaturunabhängigen Widerstand auf. Im Rahmen dieser Anmeldung wird als ein im Wesentlichen temperaturunabhängiger Widerstand ein Widerstand bezeichnet, der einen linearen Temperaturkoeffizienten von kleiner als 0,05 *10 ^"3 K ^"1 aufweist. In dieser Ausgestaltung kann das Heizelement entweder mit einem konstant geregelten Strom, oder mit einer konstant geregelten Spannung gespeist werden. Als Materialien für den im Wesentlichen temperaturunabhängigen Widerstand eignen sich beispielsweise

Nickelchrom, Manganin, Konstantan oder auch Isaohm. In einer weiteren Ausgestaltung sind für die Kaltleiter Platin und/oder Nickel und/oder Legierungen davon vorgesehen.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind die Widerstände und/oder die Wheatstone'sche Brücke als ein oder mehrere Dünnschichtsensorelemente ausgestaltet, wobei das Dünnschichtsensorelement eine auf einem Substrat angeordnete

Widerstandsstruktur mit einer Schichtdicke von 0.1 -10 Mikrometer aufweist.

Es ist alternativ selbstverständlich auch möglich, die Widerstände als drahtgewickelte Widerstände zu realisieren. Die Drähte können dabei zum Beispiel um ein Rohr gewickelt sein, wobei das fließende Medium das Rohr in Durchflussrichtung durchfließt.

Aufgrund ihrer Miniaturisierbarkeit und der schnellen Ansprechzeit sind jedoch

Durchflusssensoren vorteilhaft, welche die auf Dünnschichtsensorelementen basierende Temperatursensoren einsetzen. Dünnschichtsensorelemente bestehen dabei aus einer dünnen Widerstandsstruktur mit einer Dicke von einigen Mikrometern, welche auf einem elektrisch isolierenden Substrat (beispielsweise einer Keramik) angeordnet ist.

Üblicherweise ist die Widerstandsstruktur durch eine Abdeckungsschicht (beispielsweise aus Glas) isoliert und geschützt. Der Widerstand wird im Wesentlichen über die Länge der Widerstandsstruktur eingestellt. Dazu weist die Widerstandsstruktur auf dem Substrat in der Regel einen mäanderförmigen Verlauf auf, um so die benötigte Länge für den messbaren Widerstandswert zu erreichen.

In einer Weiterbildung dieser besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine auf dem Substrat angeordnete nicht-wärmeleitende erste Membran vorgesehen, wobei in einem vorgegebenen Bereich des Substrats die Widerstände (A,B,C,D) der

Widerstandsstruktur auf der ersten Membran angeordnet sind, und wobei das Substrat in dem vorgegeben Bereich in einer zu der Oberfläche des Substrats senkrechten Richtung um einen vorgegebenen Versatz abgesenkt ist, so dass die erste Membran in dem vorgegebenen Bereich frei tragend ist, und dass die erste Membran die Widerstände (A,B,C,D) von dem Substrat im vorgegebenen Bereich in der zu der Oberfläche des Substrats senkrechten Richtung thermisch isoliert.

In dieser Weiterbildung ist der thermische Durchflusssensor als ein einziges

Dünnschichtsensorelement ausgestaltet. Diese Weiterbildung wird beispielsweise so hergestellt, dass die erste Membran zunächst auf die gesamte Oberfläche des ursprünglich ebenen Substrats aufgebracht. In einem nachträglichen Arbeitsschritt wird das Material des Substrats in dem vorgegebenen Bereich selektiv weggeätzt. Dadurch wird ein Spalt zwischen der ersten Membran und Substrat in dem vorgegebenen Bereich erzeugt. Damit ist das Substrat ist in der senkrechten Richtung um einen vorgegebenen Versatz abgesenkt. Auf diese Art ist die erste Membran in dem vorgegeben Bereich, in dem die Widerstände bzw. die Widerstandsstruktur angeordnet sind, frei tragend.

Dadurch werden die Widerstände bzw. die Widerstandsstruktur von dem Substrat thermisch isoliert. Auch dies ist hilfreich, um die temperaturbedingten Einflüsse zu minimieren.

In einer Weiterbildung dieser Ausgestaltung weist die erste Membran zumindest eine gemeinsame Symmetrieachse (SA) mit dem Substrat auf,

wobei die gemeinsame Symmetrieachse (SA) im Wesentlichen parallel zur Oberfläche des Substrats ist.

In einer weiteren Weiterbildung bewirkt eine Verschiebung der Widerstände in Bezug auf die Symmetrieachse (SA) von unter 10%

eine erste Längenänderung des auf der ersten Membran angeordneten

Abschnitts der Widerstandsstruktur im ersten Strompfad der Wheatstone'schen

Brücke und

eine zweite Längenänderung des auf der ersten Membran angeordneten Abschnitts der Widerstandsstruktur im zweiten Strompfad der Wheatstone'schen Brücke,

wobei die erste und die zweite Längenänderung im Wesentlichen gleich groß sind. Auf diese Weise ist die Längenänderung der auf der Membran angeordneten

Widerstandsstruktur für die beiden parallelen Strompfade der Wheatstone'schen Brücke im Wesentlichen gleich. Diese Ausgestaltung eignet sich insbesondere in Kombination mit der ersten Ausgestaltung der Erfindung, das heißt der symmetrischen Wheatstone'schen Brücke.

In einer weiteren Ausgestaltung ist eine zweite im Wesentlichen nicht-wärmeleitende Membran vorgesehen, wobei die zweite Membran die Widerstandsstruktur abdeckt. Damit ist auch eine Wärmeisolierung in die zweite Richtung gewährleistet.

In einer weiteren Ausgestaltung weist die erste und/oder die zweite Membran eine Schichtdicke von 5-10 Mikrometer auf.

In einer weiteren Ausgestaltung weist die erste Membran und/oder die zweite Membran Polyimid auf. Polyimide sind wegen ihrer Hitze- und Strahlungsbeständigkeit und ihren für die Erfindung wichtigen Isoliereigenschaften besonders vorteilhaft.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 a-d: Eine Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Ausgestaltung des thermischen Durchflusssensors

Fig. 2a, b: Eine Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Ausgestaltung des thermischen Durchflusssensors

Fig. 3: Eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen thermischen Durchflusssensor

Fig. 4a, b: Experimentelle Ergebnisse von Messungen mit dem erfindungsgemäßen thermischen Durchflusssensor

In Fig. 1 a ist eine schematische Aufsicht auf eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen thermischen Durchflusssensors 1 dargestellt. In dieser Ausgestaltung sind die

Widerstände B,C im Wesentlichen identisch ausgestaltet und haben den Widerstandswert R1 . Auch die Widerstände A,D sind im Wesentlichen identisch ausgestaltetet, sie haben den Widerstandswert R2, wobei R1 und R2 unterschiedlich sind. Die Widerstände sind auf einer einzigen gemeinsamen Gerade in Durchflussrichtung F des Mediums 3 hintereinander versetzt in der Reihenfolge A-B-C-D bzw. R1 -R2-R2-R1 angeordnet. In dieser Ausgestaltung sind die Widerstände B,C spiegelsymmetrisch in Bezug auf eine zum Durchfluss im Wesentlichen senkrechten Spiegelachse SP angeordnet. Andere Anordnung als die Anordnung auf einer gemeinsamen Geraden sind selbstverständlich möglich Die Wheatstone'sche Brücke 4 wird durch die hier gezeigte Verschaltung der vier Widerstände A,B,C,D gebildet. Dabei gibt es die hier gezeigten vier Leiterknoten

AD,AC,BD,BC. D In Fig. 1 b ist dieselbe Vorrichtung wie in Fig. 1 a gezeigt. In dieser Darstellung ist der

Verlauf eines Durchflusses mit einer prinzipiell geraden Durchflussrichtung F in Bezug auf die Topologie der Wheatstone'schen Brücke 4 gezeigt. Die gezeigte Vorrichtung mit den Widerständen Widerstände R1 -R2-R2-R1 ist dabei hochsymmetrisch. Die

Wheatstone'sche Brücke 4 wird nun über die beiden nicht benachbarten Leiterknoten AC,BD mit einem auf einen konstanten Wert geregelten Strom I gespeist, wodurch an den Widerständen A,B,C,D eine Wärmemenge Q erzeugt und in das Medium 3 eingebracht wird. Fließt nun das Medium 3, wird durch den Wärmetransport die Symmetrie dieser hochsymmetrischen Wheatstone'schen Brücke 4 gestört. Die Asymmetrie ist dabei ein Maß für den Durchfluss, und lässt sich anhand der Spannung Uout zwischen den beiden weiteren nicht benachbarten Leiterknoten AD,BC ermitteln. Dabei kann auch ein

Verstärker 1 1 eingesetzt werden , welcher die an der Wheatstone'schen Brücke 4 vorliegende Spannung Uout verstärkt.

In Fig. 1 c ist dieselbe Vorrichtung wie in Fig. 1 a gezeigt, wobei hier die Ausgestaltung der Erfindung mit einem zusätzlichen Heizelement HE gezeigt ist. Das Heizelement hat dabei eine eigene Spannungs- bzw. Stromversorgung H1 ,H2, welche von der

Wheatstone'schen Brücke 4 unabhängig ist. Heizelement HE ist in der Mitte zwischen den beiden im Wesentlichen identisch ausgestalten Widerständen B,C angeordnet. Damit liegt es auch auf der Spiegelachse. Anhand des Heizelement HE lässt sich die

Empfindlichkeit des thermischen Durchflusssensors 1 einstellen.

In Fig. 1 d ist, analog zu Fig. 1 b, die Anordnung aus Fig. 1 c gezeigt, wobei hier wieder die Darstellung in Bezug auf die Topologie der Wheatstone'schen Brücke 4 gewählt ist. Es ist deutlich erkennbar, dass das Heizelements HE nach den ersten beiden Widerständen A,B angeordnet ist. An dieser Stelle wird die zusätzliche Wärme Q durch das Heizelement HE eingebracht.

In Fig. 2a ist dieselbe Vorrichtung wie aus Fig. 1 a gezeigt. In dieser Ausgestaltung des thermischen Durchflusssensors handelt es sich bei den Widerständen A,B,C,D bzw. der Wheatstone'schen Brücke 4 um ein einziges Dünnschichtsensorelement 5. Durch den mäanderförmigen Verlauf der Widerstandsstruktur 7 werden dabei die Widerstände A,B,C,D gebildet. Wird die Vorrichtung über die Leiterknoten AC.BD von der Regel- /Auswerteeinheit 2 mit einem konstanten Strom I beaufschlagt, so ergibt sich dasselbe Bild wie schon in Fig. 1 b gezeigt. Alternativ lässt sich die Widerstandsstruktur 7 auch über die Leiterknoten AD, BC mit dem konstant geregelten Strom I beaufschlagen. Damit ergibt sich ein leicht geänderter Verlauf des Durchflusses mit der prinzipiell geradlinigen Durchflussrichtung F in Bezug auf das Ersatzschaltbild der Wheatstone'schen Brücke 4; dies ist in Fig. 2b. dargestellt.

Auch ist in Fig. 2a die erste Membran 8 dargestellt, sowie eine gemeinsame

Symmetrieachse SA der ersten Membran 8 mit dem Substrat 6 (nicht dargestellt). Durch Schwankungen in der Fertigung kann es nun dazu kommen, dass die

Widerstandsstruktur 7 in Bezug auf die Symmetrieachse SA verrutscht. In einer

Ausgestaltung der Erfindung werden durch geringes Verrutschen bedingte mögliche

Effekt minimiert. Diese gelingt dadurch, dass die Widerstandsstruktur 7 so angeordnet ist, dass sich eine Verschiebung der Widerstandsstruktur 7 auf symmetrische Art und Weise auswirkt. Bei einem Verrutschen verlängert bzw. verkürzt sich der erste Abschnitt 71 der Widerstandsstruktur 7 im ersten Strompfad 41 der Wheatstone'schen Brücke 4 um eine erste Längenänderung. Genauso verlängert bzw. verkürzt sich der zweite Abschnitt 72 der Widerstandsstruktur 7 im zweiten Strompfad 42 der Wheatstone'schen Brücke 4 um eine zweite Längenänderung. Wichtig ist hierbei die Längenänderung des auf der ersten Membran 8 angeordneten Anteils dl 1 bzw. dl2. Bei einer kleinen Verschiebung der Widerstandsstruktur 7 in Bezug auf die Symmetrieachse SA, d.h. von unter 10%, ändert sich der auf der ersten Membran 8 angeordnete Anteil dl1 im gleichen Maße wie dl2. Daher wird die Symmetrie durch kleine Verschiebungen nicht zerstört. Diese

Ausgestaltung ist insbesondere interessant für die besonders bevorzugte

hochsymmetrische Ausgestaltung der Wheatstone'schen Brücke 4. In Fig. 3 ist eine schematische Seitenansicht auf die Ausgestaltung des thermischen

Durchflusssensors gezeigt, bei der ein Dünnschichtsensorelement 5 verwendet wird. Das Substrat 6 (gestreift) ist in einem vorgegebenen Bereich 9 um einen Versatz h abgesenkt. In diesem vorgegebenen Bereich 9 ist die Widerstandsstruktur 7 auf der ersten Membran 8 angeordnet. Dadurch ist die erste Membran 8 in diesem vorgegebenen Bereich 9 frei tragend; es wird ein Spalt der Höhe h gebildet. Dadurch wird eine thermische Isolation zwischen der Widerstandsstruktur 7 und dem Substrat 6 erreicht. Die zweite Membran 10 deckt die Widerstandsstruktur 7 zusätzlich ab.

In Fig. 4b sind experimentelle Ergebnisse von Messungen mit dem erfindungsgemäßen thermischen Durchflusssensor 1 dargestellt. Zum Vergleich sind in Fig. 4a experimentelle Ergebnisse mit derselben Vorrichtung gezeigt, wobei im Gegensatz zur

erfindungsgemäßen Regelung auf einen konstanten Stromwert I in Fig. 4a auf eine konstante Spannung geregelt wurde. In beiden Figuren 4a, 4b ist auf der Ordinatenachse die an der Wheatstone'schen Brücke vorliegende Spannung Uout, sowie auf der Abszissenachse der tatsächliche vorliegende Durchfluss aufgetragen. Gezeigt sind in 4a, b jeweils verschiedene Kurven für verschiedene Umgebungstemperaturen von 5-55°C in Schritten von jeweils 10°C. Es ist deutlich erkennbar, dass die konstante

Spannungsregelung in Fig. 4a eine starke Temperaturabhängigkeit zeigt. Dies zeigt, dass bei gleichem tatsächlich vorliegendem Durchfluss in Abhängigkeit von der

Umgebungstemperatur eine unterschiedliche Uout und damit ein unterschiedliches Messsignal ermittelt wird. Die Abhängigkeit des Messsignals von der

Umgebungstemperatur ist dabei ca. 1 % pro Kelvin. Demgegenüber zeigt der auf einen konstanten Strom I geregelte erfindungsgemäße thermische Durchflusssensor 1 im Wesentlichen so gut wie keine Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur. Alle Kurven zu unterschiedlichen Temperaturen fallen zusammen. Dies ist im besonderen Maße vorteilhaft, auch weil durch die

Temperaturunabhängigkeit eine Mehrpunktkalibrieung des thermischen

Durchflusssensors 1 ermöglicht wird, beispielsweise indem eine derartige

temperaturunabhängige und sensorspezifische Kennlinie in der Regel-/Auswerteeinheit 2 hinterlegt ist.

Bezugszeichenliste

1 Thermischer Durchflusssensor

2 Regel-/Auswerteeinheit

3 Medium

4 Wheatstone'sche Brücke

41 erster Strompfad

42 zweiter Strom pfad

5 Dünnschichtsensorelement

6 Substrat

7 Widersta ndsstru ktu r

71 Abschnitt der Widerstandsstruktur

72 Abschnitt der Widerstandsstruktur

8 erste Membran

9 vorgegebener Bereich

10 zweite Membran

1 1 Verstärker

A Widerstand

B Widerstand

C Widerstand

D Widerstand

AC Leiterknoten

AD Leiterknoten

BC Leiterknoten

BD Leiterknoten

Durchflussrichtung

konstant geregelter Strom

an der Brücke vorliegende Spannung

R1 erster Widerstandswert

R2 zweiter Widerstandswert

SP Spiegelachse

Q eingebrachte Wärmemenge

HE Heizelement

SA Symmetrieachse

h Versatz

d!1 erste Längenänderung zweite Längenänderung