DE102008020874B4

DE102008020874B4 - Strömungs- oder Wirbelmessfühler

Info

Publication number: DE102008020874B4
Application number: DE200810020874
Authority: DE
Inventors: Karin Dr. Dipl.-Phys. Bauer; Thrassos Prof. Dr. Panidis; Ulrich Dr. rer.nat. Schmid; Helmut Prof. Dr. Dipl.-Phys. Seidel
Original assignee: EADS Deutschland GmbH; University of Patras
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2008-04-25
Filing date: 2008-04-25
Publication date: 2010-02-25
Anticipated expiration: 2028-04-26
Also published as: DE102008020874A1

Abstract

Strömungs- oder Wirbelmessfühler (12) mit einem ersten auf einem Substrat (20) mikrogefertigten Hitzdrahtsensorelement (10) zum Messen einer ersten Komponente eines Strömungs- oder Wirbelfeldes eines Fluids,
und wenigstens einem zweiten auf einem Substrat (20) mikrogefertigten Hitzdrahtsensorelement (36), welches in einem festen Winkel zum ersten Hitzdrahtsensorelement (10) angeordnet ist, um wenigstens eine zur ersten Komponente unterschiedliche zweite Komponente des Strömungs- oder Wirbelfeldes zu messen,
dadurch gekennzeichnet,
dass jedes mikrogefertigte Hitzdrahtsensorelement (10, 36, 38, 40) von einem Basiskörper (18) des Substrats (20) vorstehende längliche Vorsprünge (24, 25) oder Stifte hat, wobei zwischen einem Endbereich eines ersten Vorsprungs (24) bzw. Stiftes und einem Endbereich eines zweiten Vorsprungs (25) bzw. Stiftes ein Hitzdrahtelement (26) frei aufgehängt ist, welches dazu ausgebildet ist, durch einen durch das Hitzdrahtelement (26) hindurchfließenden elektrischen Strom aufgeheizt zu werden, und dass der erste Vorsprung (24) oder erste Stift in seiner Längsrichtung länger als der zweite Vorsprung (25) oder...

Description

Die Erfindung betrifft einen Strömungs- oder Wirbelmessfühler mit einem ersten auf einem Substrat mikrogefertigten Hitzdrahtsensorelement zum Messen einer ersten (Richtungs-)Komponente eines Strömungs- oder Wirbelfeldes eines Fluids.
Mikrogefertigte (micromachined) Hitzdrahtsensorelemente zur Strömungsmessung (Hitzdrahtanemometrie) sind aus der US 5,883,310 , der US 5,231,878 , der US 4,884,443 sowie der EP 1 348 937 A2 , sowie der EP 1 031 821 A1 bekannt. Für weitere Einzelheiten zu Mikrofertigungstechniken solcher Hitzdrahtsensorelemente wird ausdrücklich auf die zuvor erwähnten Druckschriften verwiesen.
Die vorbekannten mikrogefertigten Hitzdrahtsensorelemente sind sehr kompakt und genau aufgebaut und dienen dazu, einen Massenstrom eines Fluids, welches entlang einer vordefinierten Richtung fließt, zu messen.
Aus der WO 03/062758 A1 ist ein weiteres mikrogefertigtes Hitzdrahtsensorelement bekannt, bei welchem ein Hitzdrahtelement zwischen zwei länglichen Vorsprüngen aufgespannt ist, die aus einer Ebene eines Substrates herausgebogen sind.
Aus der US2007/0113644 A1 sind eine Reihe von weiteren mikrogefertigten Hitzdrahtsensorelementen bekannt. Die Fertigung ist dabei derart, dass ein durch Strom aufheizbares Hitzdrahtelement sowie Temperaturdetektionselektroden auf einem Substrat derart gefertigt werden, dass sie sich bei einem Ätz-Schritt aufgrund von Materialspannungen aus der Oberflächenebene des Substrates herausbiegen.
Es ist dabei auch eine Ausführungsform beschrieben, bei der mehrere solcher Hitzdrahtelemente, die jeweils einen dreieckig geformten Hitzdraht aufweisen, und mehrere als aufgekrümmte mäanderförmige Leiterschleifen ausgebildete Temperaturdetektionselektroden in kreisförmiger Anordnung um ein Zentrum herum vorgesehen sind. Die mehreren Temperaturelektroden und die mehreren Hitzdrahtelemente, die um dieses Zentrum herum verteilt angeordnet sind, sind jeweils über Elektrodenpads kontaktierbar. Diese Anordnung bildet den Oberbegriff des beigefügten Patentanspruches 1.
Für Forschungen und Anwendungen in der Strömungslehre ist jedoch häufig eine Überwachung von Strömungsfeldern wünschenswert, wozu eine vektorielle Geschwindigkeit (Betrag und Richtung) der Strömung und Wirbelfelder zumindest lokal gemessen werden sollten. Zum Beispiel ist eine Kontrolle, Steuerung und Beeinflussung der Luftströmung und insbesondere von Wirbelbildungen in aerodynamischen Systemen, wie zum Beispiel Luftfahrzeugen, wie insbesondere Flugzeuge, Hubschrauber oder unbemannte Flugkörper, eine große Herausforderung zur Optimierung der Leistungsfähigkeit, insbesondere bezüglich Sicherheitsaspekten, bezüglich der Minimierung des Energieverbrauches oder bezüglich der Verkehrssteuerung in der Nähe von Flughäfen. Insbesondere ist die Ausbildung von Wirbeln und Wirbelschleppen hinter einem Flugzeug während der Start- und Landephase an einem Flughafen für die Minimierung der zwischen zwei Flugzeugen benötigten Zeitabstände entscheidend und bestimmt so die maximale Verkehrskapazität.
Die räumliche und zeitliche Auflösung solcher lokaler Messungen der vektoriellen Strömungsgeschwindigkeit und der Wirbelfelder, dies heißt insbesondere die Größe des Messvolumens und der Frequenzgang, sind grundsätzliche Kriterien für die Auswahl von geeigneten Messtechniken.
Andere wichtige Kriterien umfassen die gegenseitige Beeinflussung von Fühler und Strömung, das Signal-zu–Rausch-Verhältnis und weitere Effekte, die die Messqualität beeinflussen könnten und die Sensorübertragungsfunktion verändern könnten.
Bereits seit mehreren Dekaden wird Hitzdrahtwindstärkenmessung oder Hitzdrahtanemometrie (Hot Wire Anemometrie, kurz HWA) zur Strömungsmessung insbesondere in turbulenten Strömungen, eingesetzt.
Die aus den eingangs genannten Druckschriften im Stand der Technik bekannten mikrogefertigten Hitzdrahtsensoren sind zwar kompakt und robust aufbaubar, können aber nur für einfache Strömungsmessungen verwendet werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen einfachen und kostengünstigen Strömungsmessfühler bereit zu stellen, der zur Messung der vektorialen Geschwindigkeit und von Wirbelfeldern geeignet ist.
Diese Aufgabe wir durch einen Strömungs- oder Wirbelmessfühler mit den Merkmalen des beigefügten Patentanspruches 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der erfindungsgemäße Strömungs- oder Wirbelmessfühler hat neben einem ersten, auf oder an einem Substrat mikrogefertigten Hitzdrahtsensorelement, das zum Messen einer ersten (Richtungs-)Komponente eines Strömungs- oder Wirbelfeldes eines Fluids geeignet und ausgebildet ist, auch noch ein zweites auf einem Substrat mikrogefertigtes Hitzdrahtsensorelement.
Dieses zweite Hitzdrahtsensorelement ist in einem festen Winkel zum ersten Hitzdrahtsensorelement angeordnet und so derart ausgebildet, dass damit wenigstens eine zur ersten (Richtungs-)Komponente unterschiedliche zweite (Richtungs-)Komponente des Strömungs- oder Wirbelfeldes gemessen werden kann.
Mit diesem Grundprinzip der Erfindung lassen sich insbesondere Sensoren und Sensorsysteme oder Sensorvorrichtungen aufbauen, die dazu fähig sind, den Strömungsvektor (Betrag und Richtung) und die Verwirbelung einer Strömung experimentell – insbesondere, aber nicht ausschließlich, auch in Windkanalexperimenten – zu bestimmen und zu messen.
Das erste und das zweite Hitzdrahtsensorelement weisen jeweils ein Drahtelement auf, das mittels eines elektrischen Stromes aufheizbar ist. Dieses aufheizbare erste Drahtelement wird im Folgenden auch als Hitzdrahtelement bezeichnet.
Zum Aufhängen der Hitzdrahtelemente derart, dass sie frei von der zu messenden Strömung umspülbar sind, ist vorgesehen, dass jedes mikrogefertigte Hitzdrahtsensorelement längliche Vorsprünge hat, die von einem Basiskörper des Substrats vorstehen. Zwischen den freien Enden der wenigstens zwei vorstehenden länglichen mikrogefertigten Hitzdrahtsensorelement-Vorsprüngen ist dann ein Hitzdrahtelement frei aufgehängt.
Um in möglichst einfacher Weise unter Verwendung von Mikrofertigungstechniken eine unterschiedliche Ausrichtung der Hitzdrahtelemente benachbarter Hitzdrahtsensorelemente zu erzielen, ist erfindungsgemäß weiter vorgesehen, dass ein erster dieser länglichen Vorsprünge länger ausgebildet ist als ein zweiter dieser Vorsprünge, so dass das Hitzdrahtelement bezüglich des Basiskörpers schräg aufhängbar ist. Eine unterschiedliche Ausrichtung zweier Hitzdrahtelemente lässt sich dann einfach zum Beispiel durch spiegelbildliche Ausrichtung und Anordnung der Hitzdrahtsensorelemente erreichen.
In einer bevorzugten vollständigen Ausgestaltung eines kompletten Sensorsystems ist es wünschenswert, dass der Strömungs- oder Wirbelmessfühler Informationen über alle drei Komponenten des Strömungsvektors und alle Komponenten des Wirbelvektors an der interessierenden Position liefert. Jedoch gibt es auch Anwendungen, wo eine begrenzte Anzahl von Dimensionen für den Geschwindigkeitsvektor oder den Wirbelvektor bereits ausreichend ist. Die Erfindung schlägt daher einen neuen, auf Mikrofertigungstechnik basierenden Strömungs- oder Wirbelmessfühler mit mikrogefertigten Hitzdrahtsensorelementen für wenigstens zwei Richtungskomponenten wenigstens eines dieser Vektoren vor. Ein solcher Strömungs- oder Wirbelmessfühler kann mit hoher Genauigkeit in einer kostengünstigen Weise hergestellt werden.
Unter Verwendung von Mikrofertigungstechniken können sehr kleine Hitzdrahtsensorelemente gefertigt und mit hoher Genauigkeit relativ zueinander positioniert werden. Dadurch erhält man eine sehr hohe räumliche Auflösung. Die Genauigkeit der Positionierung lässt sich ohne besonderen Aufwand mit Mikrofertigungstechniken erhalten.
Wenngleich auch eine unterschiedliche Ausrichtung der Hitzdrahtelemente des ersten und des zweiten Hitzdrahtsensorelementes möglich ist, so erhält man den besten Wirkungsgrad zum unterschiedlichen Messen zweier zueinander senkrechter Feld- oder Vektor-Komponenten dann, wenn sich die Hitzdrahtelemente senkrecht zu den jeweiligen zu messenden Komponenten erstrecken. Demnach ist bevorzugt, dass die beiden Hitzdrahtelemente des ersten und des zweiten Hitzdrahtsensorelements sich mit einem Winkel von etwa 90° zueinander erstrecken.
Dieser Winkel von 90° lässt sich besonders einfach dadurch erreichen, wenn das Hitzdrahtelement und einer der beiden länglichen Vorsprünge, insbesondere der erste, längere Vorsprung, einen Winkel von etwa 45° Grad aufspannen.
Eine einfache Mikrofertigung ist erreichbar, wenn der Basiskörper eine flache Grundplatte ist. Die Vorsprünge können dann Zacken oder Zinken sein, die sich vorzugsweise von einer Schmalseite der Grundplatte aus weiter in der Erstreckungsebene der Grundplatte erstrecken – insbesondere als integrale Verlängerungen der Grundplatte. Das Hitzdrahtelement kann dann ebenfalls parallel zur Erstreckungsebene der Grundplatte angeordnet aufgehängt sein. Dadurch lässt sich ein besonders flaches Hitzdrahtsensorelement ausbilden.
Zum Ausbilden einer kreuzweisen Anordnung der Hitzdrahtelemente des ersten und des zweiten Hitzdrahtelements können solche flachen Strukturen, beispielsweise in spiegelbildlicher Anordnung oder Ausbildung flach aufeinander gepackt werden.
Dadurch erhält man eine kompakte Baugruppe oder Hitzdrahtsensoreinheit des Strömungs- oder Wirbelmessfühlers zur Messung zweier Richtungskomponenten. Der Strömungs- oder Wirbelmessfühler kann insbesondere mehrere dieser Baugruppen, wenigstens gebildet aus einem ersten und einem zweiten Hitzdrahtsensorelement, aufweisen, um so sämtliche Richtungskomponenten des Geschwindigkeitsvektors und des Wirbelfeldes zu messen.
Neben dem ersten, aufheizbaren Drahtelement, kann eines, mehrere oder alle der Hitzdrahtsensorelemente auch ein zweites oder eventuell auch ein drittes Drahtelement haben, die lediglich indirekt durch von dem beheizbaren Drahtelement kommende Strömung und/oder von der Umgebungstemperatur aufheizbar sind. Dadurch lässt sich einerseits die Umgebungstemperatur bestimmen, um so die reinen Strömungseffekte auf die Temperatur des Hitzdrahtelements von den Effekten der Umgebungstemperatur zu trennen. Andererseits lassen sich zusätzlich Strömungseffekte messen. Das zweite und das dritte Drahtelement sind vorzugsweise im wesentlichen parallel zu dem Hitzdrahtelement und mit einem durch das Strömungs- oder Wirbelfeld zu durchstreichenden Zwischenabstand angeordnet.
Die Temperatur der Drahtelemente lässt sich besonders einfach dadurch messen, dass diese zum Generieren eines elektrischen Signals ausgebildet sind, aus welchem die jeweilige Temperatur bestimmbar ist.
Andererseits kann ein Signal aus einem zum Aufrechterhalten einer bestimmten Temperatur notwendigen Strom erhalten werden. Beides ist besonders wirkungsvoll beispielsweise durch einen elektrischen Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes des jeweiligen Drahtelementes erzielbar. Z. B. ermöglicht dann eine Messung des Widerstandes des Drahtelementes eine Aussage über dessen Temperatur.
Um den elektrischen Widerstand des Drahtelements genau messen zu können und/oder im wesentlichen nur das Hitzdrahtelement und nicht elektrische Verbindungsleitungen durch den hindurchfließenden Strom aufzuheizen, ist weiter bevorzugt, dass die jeweiligen Drahtelemente mit einer elektrischen Verbindung angeschlossen sind, deren elektrischer Widerstand wesentlich geringer ist als der elektrische Widerstand des Drahtelements selbst.
Eine hohe Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes der Drahtelemente lässt sich mit bestimmten Materialien für die Drahtelemente erreichen. Daher bestehen die Drahtelemente bevorzugt aus polykristallinem Halbleitermaterial, wie insbesondere aus polykristallinem Silizium, oder aus einem dünnen Metallfilm, insbesondere aus Platin, einer Platin-Rhodium-Legierung, Wolfram oder Gold.
Eine besonders einfache und genaue relative Anordnung des ersten und des zweiten Hitzdrahtsensorelementes zueinander und eine einfache Fertigung des Strömungs- oder Wirbelmessfühlers ist erreichbar, wenn sowohl das erste als auch das zweite Hitzdrahtsensorelement auf einem gemeinsamen Substrat ausgebildet sind.
Wenn das Substrat der jeweiligen Hitzdrahtelemente aus Halbleitermaterialien, wie insbesondere aus einkristallinen Halbleitermaterialien, und hier weiter bevorzugt aus einkristallinem Silizium, gebildet sind, lässt sich eine geringe thermische Zeitkonstante und eine gute thermische Isolierung des Mikroheizelements an dem Substrat erreichen. Die Vorsprünge sind bevorzugt ebenfalls aus dem Substrat ausgebildet und dienen als Träger für strömungssensitive dünne Filmwiderstände, die als Hitzdrahtelemente eingesetzt sind.
Eine wesentliche Verbesserung gegenüber bisherigen Strömungs- oder Wirbelmessfühlern kann erwartet werden, wenn die Technologie der Mikrofertigung als eine Grundlage zur Herstellung von solchen Messvorrichtungen auf der Basis von Silizium als das zu strukturierende Material eingesetzt wird. Die Strukturen können dann lithographisch gebildet werden und können mittels fortschrittlicher dünner Schichtablagerungen und/oder Ätztechnologien und/oder Erodiertechnologien gebildet werden.
Durch die Erfindung wird eine integrierte Sensorstruktur geschaffen, die dazu fähig ist verschiedene Komponenten des Geschwindigkeits- und/oder Wirbelvektors eines Fluidstromes zu messen. Diese Struktur kann in MEMS-Technik (Micro-Electric-Mechanical-System-Technik) gefertigt werden. Dadurch lassen sich die Hitzdrahtelemente der mehreren Hitzdrahtsensorelemente des erfindungsgemäßen Strömungs- und Wirbelmessfühlers sehr robust und genau fertigen. Außerdem sind die entsprechenden Verfahren zur Serienfertigung solcher Strömungs- und Wirbelmessfühler gut geeignet. Eine vorteilhafte bevorzugte Verwendung betrifft das Erkennen von Wirbel zum Beispiel als Lärmquelle. Dieser Einsatz kann beispielsweise in Windkanalversuchen erfolgen.
Wirbel sind wesentlich bei der Erzeugung von Geräuschen und Lärm. Deswegen ist es für den Entwurf von geräuscharmen Luftfahrzeug- und Flugzeugteilen wichtig, Lärm- und Geräuschquellen zu identifizieren, und hierfür Wirbel zu identifizieren, die die Struktur in der Strömung erzeugt. Dies kann im wesentlichen nur durch Messung der vektoriellen Eigenschaften der Strömung durchgeführt werden.
Zur Feststellung von Verwirbelungen werden heutzutage hauptsächlich Laser-Doppler-Anemometer (LDA) oder eine Laser-Lichtschnitt-Technik (Partikel-Image-Velocimeter, PIV) eingesetzt.
Mit dem erfindungsgemäßen Multi-Hitzdraht-Messfühler lassen sich im Gegensatz zu solchen konventionellen Methoden auch optisch nicht zugängliche Bereiche vermessen. Außerdem sind damit auch hochfrequente kohärente Strukturen in der Strömung messbar.
Dabei ist der erfindungsgemäße Strömungs- oder Wirbelmessfühler weitaus robuster und kompakter ausführbar als bisher bekannte MehrfachHitzdrahtsysteme, die sehr fragil sind sowie nur sehr zeitaufwendig und nur in mühsamer Handfertigung herstellbar sind.
Mit der erfindungsgemäßen vorgeschlagenen Mikrofertigungstechnik können eine Vielzahl von Hitzdrahtsensorelementen gemeinsam in einem Schritt hergestellt werden, wobei vorzugsweise Standard-MEMS-Technologie kombiniert mit Mikrokonfektionierung oder μ-Packaging eingesetzt wird. Dies erlaubt nicht nur Fabrikation von einzelnen Fühlern, sondern auch eines Arrays oder einer Matrix von Vektorwellenfühlern auf unterschiedlichen Substraten.
So kann im Vergleich zu konventionellen Hitzdrahtfühlermessmethoden durch parallele Messungen auch Messzeit (z. b. Windkanalzeit) eingespart werden.
Im Vergleich zu bisher verwendeten MehrfachHitzdrahtfühlern ist der erfindungsgemäße Strömungs- oder Wirbelmessfühler aufgrund des Herstellprozesses um einiges robuster und aufgrund des möglichen Konfektionierungs- und Befestigungsprozesses wesentlich genauer in seiner Konstruktion. Zudem lassen sich durch eine Chargenfertigung gleich eine Vielzahl von einzelnen Hitzdrahtelementen herstellen, was die Stückkosten wesentlich verringert.
Im Vergleich zu PIV und LDA als Alternativmeßmethoden zum Messen der vektoriellen Strömungseigenschaften bietet die vorteilhafte Verwendung des erfindungsgemäßen Strömungs- oder Wirbelmessfühler folgende Vorteile:

• Es lässt sich leicht eine hohe Frequenzinformation bis hin zu einigen Kilohertz erhalten und somit ein Zeitansprechverhalten, das wesentlich besser als LDA (Grenze: 3 Kilohertz) oder PIV (Grenze: 2 Kilohertz) ist.
• Im Gegensatz zu PIV und LDA ist keine Versetzung der Strömung mit Partikeln notwendig. Die bei den konventionellen Methoden PIV und LDA benötigte Partikelversetzung kann die Eigenschaften der Strömung beeinflussen, so dass die Messung ungenauer wird. Außerdem folgen die Partikel nicht immer genau der Strömung, insbesondere bei Drehströmungen.

Daher ist mit dem erfindungsgemäßen Strömungs- oder Wirbelmessfühler eine weitaus genauere Messung als mit bisherigen Fühlern erzielbar.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
1 eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform eines mikrogefertigten Hitzdrahtsensorelements;
2 eine Schnittansicht entlang der Linie II-II von 1;
3 eine Draufsicht auf einen Strömungs- oder Wirbelmessfühler gemäß einer ersten oder zweiten Ausführungsform, der aus zwei Hitzdrahtsensorelementen gemäß 1 aufgebaut ist;
4 eine Schnittansicht entlang der Linie V-V von 3 für die erste Ausführungsform des Strömung- oder Wirbelmessfühlers;
5 einen Schnitt entlang der Linie V-V von 3 für die zweite Ausführungsform des Strömungs- oder Wirbelmessfühlers;
6 eine Explosionsdarstellung einer dritten Ausführungsform für einen Strömungs- oder Wirbelmessfühler, welcher aus zwei Paaren von in ei ner Baugruppe zusammengefassten Hitzdrahtsensorelementen aufgebaut ist;
7 eine Draufsicht auf eine alternative Ausführungsform für eine solche Baugruppe zum Bereitstellen eines Paares Hitzdrahtsensorelemente;
8–11 verschiedene Ansichten von unterschiedlichen Mehrfachhitzdrahtsensorsystemen zum Messen des Vektors der Strömungsgeschwindigkeit und/oder eines Wirbelfelds eines Fluids, welche mit Strömungsmessfühlern gemäß den 3 bis 7 aufbaubar sind.
In den 1 und 2 ist eine Ausführungsform für ein erstes Hitzdrahtsensorelement 10 zum Aufbau eines Strömungs- oder Wirbelmessfühlers 12 schematisch dargestellt. Das Hitzdrahtsensorelement 10 ist ein Baustein zum Aufbauen eines Sensorsystems 16, mittels welchen die vektorielle Geschwindigkeit und Wirbelfelder in komplexen Strömungen messbar sind.
Eine Minimalkonfiguration eines solchen Sensorsystems 16 hat die im Folgenden näher erläuterten Bauteile:
Ein Basiskörper 18 eines hier als Hitzdrahtsensorelement bezeichneten Bauteils eines Strömungs- oder Wirbelmessfühlers 12 ist aus einem einzelnen Substrat 20 gebildet. Das Substrat 20 ist in einer bevorzugten Ausführungsform aus kristallinem Silizium gebildet. In anderen Ausführungsformen ist Galliumarsenid oder Quarz verwendet. Eine typische Dicke D des Substrates 20 beträgt zwischen 100 und 700 Mikrometer.
Wie sich aus 1 und 2 ergibt, ist ein solches Substrat 20 derart mit einer Standard – MEMS-Technik mikrogefertigt, dass es eine Grundplatte 22 als Basiskörper 18 und zwei davon abstehende längliche Verlängerungen oder Vorsprünge in Form sogenannter Zinken 24, 25 (englisch: prongs) hat. Die Zinken 24, 25 haben üblicherweise eine dünnere Dicke als die Grundplatte 22. Die Grundplatte 22 und die Zinken 24, 25 sind alle aus dem gleichen Material, nämlich dem Substratmaterial, gebildet. Die Zinken 24, 25 sind in ihrer Länge unterschiedlich. Insbesondere ist ein erster Zinken 24 länger ausgebildet als ein zweiter Zinken 25.
Zwischen Endbereichen – in 1 zwischen den Endpunkten – der Zinken 24, 25 ist ein erstes Drahtelement 26, hier in Form eines elektrisch leitfähigen Drahtes, frei aufgehängt. Das erste Drahtelement 26 bildet mit dem ersten Zinken 24 einen Winkel α von etwa 45°. Demnach bildet das erste Drahtelement 26 mit dem zweiten Zinken 25 einen Winkel von etwa 135°.
Das erste Drahtelement 26 dient als ein Heizelement („heißer Draht oder Hitzdraht”) und wird deswegen im Folgenden als Hitzdrahtelement 26 bezeichnet. Zum Aufheizen lässt sich durch das Hitzdrahtelement ein elektrischer Strom leiten.
Das Hitzdrahtelement 26 ist bei den hier dargestellten Ausführungsformen weiter zum Messen seiner eigenen Temperatur durch elektrische Einrichtungen fähig. Hierzu wird für das Hitzdrahtelement 26 ein Material mit bekanntem und kalibriertem Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstandes verwendet.
Der das Hitzdrahtelement 26 bildende Draht wird typischerweise durch Ablagerung einer dünnen Filmschicht auf dem Substrat 20 hergestellt und anschließend durch geeignete (Unter-)Ätztechniken freigelegt. Typische Materialien für den Draht sind polykristallines Silizium oder hitzeresistente und stabile Metalle wie Platin, Platin-Rhodium-Legierungen, Wolfram oder Gold. Weitere Materialen sind möglich.
Das Hitzdrahtelement 26 ist mit der Grundplatte durch geeignete elektrische Verbindungen 28 elektrisch verbunden. Die elektrischen Verbindungen 28 weisen Leiterbahnen 30 aus einem Metall mit niedrigem elektrischem Widerstand auf. Die Leiterbahnen 30 verlaufen elektrisch isoliert auf der Struktur der Zinken 24, 25 und der Grundplatte 22. Der elektrische Kontakt mit einer Stromversorgungs- und Auswerteeinrichtung (nicht dargestellt) erfolgt über Bondpads 32, mit denen Kontaktstift 34 oder sonstige elektrische Kontakte (z. B. Lötstellen) verbindbar sind.
Die 1–5 zeigen Ausformen eines einfachen Aufbaus, bei denen das Hitzdrahtelement 26 gleichzeitig zum Heizen und zum Messen der Wärmekonvektion durch eine Fluidströmung, die darüber hinweg führt, eingesetzt ist.
Die 1 und 2 zeigen ein erstes Hitzdrahtsensorelement 10, welches auf diese Weise zum Messen einer ersten Richtungskomponente der Fluidströmung – im wesentlichen senkrecht zur Längserstreckung des Hitzdrahtelements 26 – dient.
In den 3–7 sind nun mehrere Ausführungsformen des Strömungs- oder Wirbelmessfühlers 12 dargestellt, der neben diesem ersten Hitzdrahtsensorelement 10 noch ein zweites Hitzdrahtelement 36 aufweist, um noch eine zweite Richtungskomponente der Fluidströmung zu messen. Das zweite Hitzdrahtsensorelement 36 ist spiegelbildlich zu dem ersten Hitzdrahtelement 10 angeordnet und/oder ausgebildet. Es weist daher die gleichen Elemente wie das erste Hitzdrahtelement 10 auf, wobei auch die gleichen Bezugsziffern verwendet sind.
Bei der in den 3 und 4 dargestellten ersten Ausführungsform des Strömungs- oder Wirbelmessfühlers 12 ist die erste Ausführungsform des Hitzdrahtsensorelements 10 gemäß 1 einfach identisch noch einmal als zweites Hitzdrahtsensorelement 36 verwendet. Hierzu werden die Grundplatten 22 mit Montagetechniken, wie sie auch bei der MEMS-Technologie angewandt werden, exakt mit ihren Rückseiten aufeinander positioniert und befestigt. Die Hitzdrahtsensorelemente 10, 36 sind somit entlang einer Längsmittelachse gespiegelt angeordnet. Hierdurch bilden die Hitzdrahtelemente 26 des ersten Hitzdrahtsensorelements 10 und des zweiten Hitzdrahtsensorelements 36 eine X-Struktur wie sie in 3 ersichtlich ist.
Die Ausführungsform gemäß 5 entspricht in der Draufsicht der in 3 dargestellten Ansicht. Bei dieser Ausführungsform des Strömungs- oder Wirbelmessfühlers 12 nutzen jedoch das erste Hitzdrahtsensorelement 10 und das zweite Hitzdrahtsensorelement 36 dasselbe Substrat 20. Dabei ist an dessen einen Seite das Hitzdrahtsensorelement 10 und an dessen Rückseite das zweite Hitzdrahtsensorelement 36 ausgebildet.
Demgemäss ist bei dem Strömungs- oder Wirbelmessfühler 12 die jeweils durch ein einzelnes Hitzdrahtsensorelement 10, 36 gemäß 1 und 2 gebildete Basisstruktur wenigstens 2-fach in einer spiegelbildlichen Anordnung ausgebildet, wobei die beiden Hitzdrahtsensorelemente 10, 36 sehr nahe zu eineinander positioniert sind. Diese in den 3–5 dargestellte Minimalkonfiguration ist nun dazu fähig, die Fluidströmung in zwei Dimensionen zu messen, da die beiden Hitzdrahtelemente 26 unterschiedliche Winkelausrichtungen haben.
Diese in 3 dargestellte Konfiguration kann in einer ersten Ausführung durch Anordnung von zwei Sensoreinheiten – Hitzdrahtsensorelement 10, 36 wie dargestellt in 2 – durch geeignete Montagetechniken erhalten werden, wie dies in 4 schematisch dargestellt ist.
Bei einer zweiten Ausführung, wie sie in 5 dagestellt ist, sind beide Hitzdrahtsensorelemente 10, 36 an demselben Substrat 20 integriert. Diese Ausgestaltung führt zu einer sehr hohen Genauigkeit für die Ausrichtung der beiden Strukturen und aufgrund der integralen Ausbildung zu einer hohen Robustheit und einem kompakten Aufbau.
Bei einer in 6 dargestellten dritten Ausführungsform des Strömungs- oder Wirbelmessfühlers 12 sind vier Hitzdrahtsensorelemente 10, 36, nahe zueinander angeordnet, wobei jedes Hitzdrahtsensorelement 10, 36, 38, 40 jeweils um 90° zu seinem benachbarten Hitzdrahtsensorelement verdreht ist.
Hierzu ist bei der dritten Ausführungsform des Strömungs- oder Wirbelmessfühlers 12 eine erste Baugruppe 42 mit dem ersten Hitzdrahtsensorelement 10 und dem zweiten Hitzdrahtsensorelement 36 mit einer zweiten Baugruppe 44 mit einem dritten Hitzdrahtsensorelement 38 und einem vierten Hitzdrahtsensorelement 40 kombiniert. Die Baugruppen 42, 44 nutzen für ihre Hitzdrahtsensorelemente 10, 36, 38, 40 jeweils das gleiche Substrat 20. Hierbei sind die Hitzdrahtsensorelemente nicht aufeinander, sondern nebeneinander angeordnet. Zur Verbindung der Baugruppen 42, 44 weisen diese auf einem Mittelstück entsprechende Kerben 46 auf, die ineinander greifen. Die beiden Baugruppen 42, 44 sind bis auf die Ausbildung ihrer Kerben 46 identisch ausgebildet und können zusammen in einem gemeinsame Herstellprozess – beispielsweise gemeinsam auf einem Wafer – hergestellt werden.
Die Hitzdrahtsensorelemente 10, 36, 38, 40 sind bei der in 6 dargestellten dritten Ausführungsform des Strömungs- oder Wirbelmessfühlers 12 neben dem ersten Drahtelement – Hitzdrahtelement 26 – noch mit einem zweiten Drahtelement 50 versehen, das in gleicher Weise herstellbar ist wie das erste Drahtelement 26.
7 zeigt eine weitere mögliche Ausgestaltung der Baugruppen 42, 44 (am Beispiel der ersten Baugruppe 42, die zweite Baugruppe 44 ist bis auf die Anordnung der Kerbe 46 identisch zu der ersten Baugruppe 42), bei der bei jedem Hitzdrahtsensorelement 10, 36, 38, 40 zusätzlich zu dem zweiten Drahtelement 50 und dem Hitzdrahtelement 26 noch ein drittes Drahtelement 52 vorgesehen ist. Auch das dritte Drahtelement 52 ist in der gleichen Weise herstellbar wie das Hitzdrahtelement 26.
Das zweite Drahtelement 50 bei 6 sowie das zweite und das dritte Drahtelement 50, 52 bei 7 verlaufen parallel zu dem Hitzdrahtelement 26. Bei der Ausgestaltung mit drei Drahtelementen 26, 50, 52 wird das Hitzdrahtelement 26 zwischen dem zweiten Drahtelement 50 und dem dritten Drahtelement 52 angeordnet.
Die Ausgestaltung mit nur einem zusätzlichen Drahtelement 50 (6) wird derart in der Strömung angeordnet, dass das zweite Drahtelement 50 stromabwärts des Hitzdrahtelements 26 angeordnet ist. Die praktische Anordnung der Sensoren mit zwei zusätzlichen Drahtelementen 50, 52 (7) wird vorzugsweise derart getroffen, dass die zusätzlichen Drahtelemente 50, 52 stromaufwärts und stromabwärts des Hitzdrahtelements 26 zu liegen kommen.
Diese zusätzlichen Drahtelemente 50, 52 werden nicht beheizt und dienen nur als Temperatursensoren. Eine adequate Temperatursensitivität kann beispielsweise durch einen passenden Temperaturkoeffizienten ihres elektrischen Widerstandes erreicht werden. Bei vorgegebenem TCR des Sensormaterials wird die Temperatursensitivität durch die Wahl der Arbeitstemperatur erzielt. Hohe Übertemperatur – in Bezug auf die Umgebungstemperatur – bedeutet hohe Geschwindigkeitssensitivität, geringe Übertemperatur bedeutet geringe Geschwindigkeitssenitivität. Die zusätzlichen Drahtelemente 50, 52 messen somit den Hitzetransfer durch Konvektion von dem Hitzdrahtsensorelement 26 aufgrund der Fluidströmung. Diese, beispielsweise durch zusätzliche Drähte gebildeten, zusätzlichen Drahtelemente 50, 52 werden ebenfalls mit der Grundplatte 22 durch zusätzliche elektrische Verbindungen 54 verbunden, die auf der Oberfläche der Zinken 24, 25 verlaufen und jeweils zueinander und zu dem Substrat 20 elektrisch isoliert sind. Lediglich elektrisches Bezugspotential kann von den unterschiedlichen Kreisen gemeinsam genutzt werden.
Mit den zuvor beschriebenen unterschiedlichen Ausführungen der Hitzdrahtsensorelemente 10, 36, 38, 40 lassen sich auf folgende Wege brauchbare Temperatursignale erhalten:

a) Eine mögliche Verfahrensweise ist, das Hitzdrahtelement 26 mit einem konstanten Strom zu betreiben und seine durch den strömungsinduzierten Hitzetransfer bedingte Temperaturänderung durch Erfassen einer Änderung seines Widerstandes zu messen.
b) Eine weitere Möglichkeit ist, das Hitzdrahtelement bei einer konstanten erhöhten Temperatur zu halten wobei man die Menge der hierzu benötigten elektrischen Energie oder Leistung als Anzeige für die Geschwindigkeit der Strömung verwendet. Mit einem ordentlich entworfenen und ausgelegten Ringleitersteuerschaltkreis oder -regelschaltkreis lassen sich höhere Grenzfrequenzen erreichen als in dem Konstantstrommodus.
c) Bei einer Mehrdrahtanordnung wie sie beispielsweise in 6 und 7 dargestellt ist, wird üblicherweise das Verfahren b) angewandt, wobei das stromaufwärtige Drahtelement 50 als ein Anzeigeelement für die Umgebungstemperatur verwendet wird. Im Falle von zwei Temperatursensordrähten kann der Temperaturunterschied zwischen den beiden Drahtelementen als direkter Anzeiger der Fluidströmung verwendet werden.
d) Die Mehrdrahtkonstellation erlaubt zusätzlich ein sogenanntes Flugzeitkonzept für die Strömungsmessung. Die Grundidee ist, die Flugzeit zu messen, die benötigt wird, bis ein ein kurzer durch den Heizwiderstand induzierter Hitzeimpuls einen der Temperaturerfassungsdrähte erreicht. Bei den konkreten Ausführungsformen gemäß 6 und 7 würde demnach die Zeit gemessen, die vom Einleiten eines kurzen Hitzeimpulses in das Hitzdrahtelement bis zum Erfassen des Hitzeimpulses durch das zweite Drahtelement 50 oder das dritte Drahtelement 52 reicht.

Wie in 6 angedeutet, erfolgt der Zusammenbau der beiden Baugruppen 42 und 45, indem diese mit 90° zueinander gedreht werden und aneinander befestigt werden. Dadurch erhält man vier Drahtelemente in jeweils rechtwinkliger Ausrichtung zueinander. Dies ist die Minimalkonfiguration für die Messung einer Verwirbelung eines turbulenten Strömungsfeldes.
Außer in der in 6 dargestellten Weise kann ein vergleichbarer Aufbau auch durch entsprechende aneinander Befestigung von vier Hitzdrahtsensorelementen 10 gemäß der Ausführungsform von 1 erhalten werden.
Um alle drei Dimensionen eines Wirbelvektors des Strömungsfeldes zu erhalten, werden drei solcher 4-Hitzdrahtelemente-Sensoren in passender Anordnung miteinander kombiniert.
Mögliche Anordnungen sind in den 8–11 dargestellt. Diese grundsätzlichen Anordnungen, die mit Strömungs- und Wirbelmessfühlern in den Ausführungsfor men gemäß 1–7 verwirklicht werden können, werden im Folgenden näher erläutert.
Mit den Anordnungen sollen zumindest Komponenten des Wirbelvektors direkt gemessen werden.
8 zeigt eine kreuzweise Anordnung von zwei Hitzdrahtelementen 26 eines ersten Hitzdrahtsensorelements 10 und eines zweiten Hitzdrahtsensorelements 36 in Kombination mit zwei Paaren von jeweils parallel angeordneten weiteren Drahtelementen, welche Paare senkrecht zueinander und senkrecht zu der Kreuzanordnung stehen.
Die kreuzweise Anordnung kann durch eine Ausbildung gemäß 3 realisiert werden. Weiter können die parallelen Drähte ähnlich wie bei den Drahtsensorelementen 36, 38, 40 gemäß 3 oder 7 gezeigt ebenfalls in Mikrofertigungstechnik angefertigt werden.
Durch eine solche Anordnung gemäß 8 lassen sich die Querstromwirbelkomponenten Ω_y und Ω_z messen. Mit den beiden Paaren 60, 62 paralleler Drahtelemente lässt sich ∂u/∂y abschätzen. Mit der X-Anordnung lässt sich der Betrag u des Vektors in x-Richtung und der Betrag v des Vektors in y-Richtung abschätzen.
9 zeigt eine Anordnung mit fünf Hitzdrahtelementen 71–75, wobei die Hitzdrahtelemente 72 und 73 ähnlich wie in der Baugruppe 42, 44 von 6 in Mikrofertigungstechnik ausgebildet und angeordnet werden können. Auch die übrigen Drahtsensorelemente könnten entsprechend unter Verwendung von Mikrofertigungstechniken hergestellt und konfiguriert werden. Der dargestellte Messfühler kann die strömungsgerichtete Verwirbelung messen und auch gleichzeitig auf die quergerichteten Wirbelvektorkomponenten Ω_y und Ω_z sensitiv sein, die gleichzeitig gemessen werden können.
10 zeigt die grundsätzliche Anordnung von Drahtelementen in einem 6-Sensor-Fühler 80, der gleichzeitig Ω_x und Ω_z oder durch Drehung des Fühlers um 90° Ω_x, Ω_y messen kann. Die sechs Hitzdrahtelemente 81–86 bilden vier Paare von X-Konfigurationen. Auch diese Hitzdrahtelemente 81–86 werden wie anhand der 1 und 7 erläutert hergestellt.
11 zeigt weitere fünf Konfigurationen, die mit den Strömungs- oder Wirbelfühlern 12 gemäß 6 und/oder den Elementen gemäß 1 erzielbar sind. In 11a sind drei orthogonale 3-Hitzdraht-Arrays dargestellt. Jedes dieser 3-Hitzdraht-Arrays lässt sich durch eine Kombination von dreien der in 1 dargestellten Hitzdrahtsensorelemente 10 aufbauen.
11b zeigt drei orthogonale 4-Hitzdraht-Arrays. Jedes dieser 4-Hitzdraht-Arrays kann man durch einen Strömungs- oder Wirbelmessfühler 12 gemäß 6 (jeweils in Draufsicht von links in 6 gesehen) ausbilden.
11c zeigt eine Anordnung von fünf solcher 4-Hitzdraht-Arrays 90; 11d zeigt eine Anordnung von drei solcher 4-Hitzdraht-Arrays 90 und 11e zeigt eine weitere mögliche Anordnung von fünf solcher 4-Hitzdraht-Arrays.
Typische Größenordnungen für den Strömungs- oder Wirbelmessfühler 12 bzw. die einzelnen Hitzdrahtsensorelemente 10, 36, 38, 40 sind, wie in der 7, angedeutet, eine Länge L im cm-Bereich (0,5 bis ca. 5 cm), eine Breite W₁ der Zinken 24, 25 in der Größenordnung von 100 μm einer Breite W₂ des Abstandes, der durch die Drahtelemente überbrückt wird, im Bereich von einigen 10 μm.

10: erstes Hitzdrahtsensorelement
12: Strömungs- oder Wirbelmessfühler
16: Sensorsystem
18: Basiskörper
20: Substrat
22: Grundplatte
24: erster Zinken (erster Vorsprung)
25: zweiter Zinken (zweiter Vorsprung)
26: erstes Drahtelement, Hitzdrahtelement
28: elektrische Verbindung
30: Leiterbahn
32: Bondpads
34: Kontaktstifte
36: zweites Hitzdrahtsensorelement
38: drittes Hitzdrahtsensorelement
40: viertes Hitzdrahtsensorelement
42: erste Baugruppe
44: zweite Baugruppe
46: Kerbe
50: zweites Drahtelement
52: drittes Drahtelement
54: elektrische Verbindung
60: erstes Paar paralleler Drahtelemente
62: zweites Paar paralleler Drahtelemente
71–75: Hitzdrahtelemente
80: 6-Sensor-Fühler
81–86: Hitzdrahtelemente
90: 4-Hitzdraht-Array
L: Länge des Drahtsensorelements
W₁: Breite der Zinken
W₂: Breite des Abstandes zwischen den Zinken

Claims

Strömungs- oder Wirbelmessfühler (12) mit einem ersten auf einem Substrat (20) mikrogefertigten Hitzdrahtsensorelement (10) zum Messen einer ersten Komponente eines Strömungs- oder Wirbelfeldes eines Fluids, und wenigstens einem zweiten auf einem Substrat (20) mikrogefertigten Hitzdrahtsensorelement (36), welches in einem festen Winkel zum ersten Hitzdrahtsensorelement (10) angeordnet ist, um wenigstens eine zur ersten Komponente unterschiedliche zweite Komponente des Strömungs- oder Wirbelfeldes zu messen, dadurch gekennzeichnet, dass jedes mikrogefertigte Hitzdrahtsensorelement (10, 36, 38, 40) von einem Basiskörper (18) des Substrats (20) vorstehende längliche Vorsprünge (24, 25) oder Stifte hat, wobei zwischen einem Endbereich eines ersten Vorsprungs (24) bzw. Stiftes und einem Endbereich eines zweiten Vorsprungs (25) bzw. Stiftes ein Hitzdrahtelement (26) frei aufgehängt ist, welches dazu ausgebildet ist, durch einen durch das Hitzdrahtelement (26) hindurchfließenden elektrischen Strom aufgeheizt zu werden, und dass der erste Vorsprung (24) oder erste Stift in seiner Längsrichtung länger als der zweite Vorsprung (25) oder zweite Stift ist, so dass das Hitzdrahtelement (26) bezüglich des Basiskörpers (18) schräg aufgehängt ist, so dass durch spiegelbildliche Anordnung und Ausbildung der Hitzdrahtsensorelemente (10, 36) eine unterschiedliche Ausrichtung zweier Hitzdrahtelemente (26) erreichbar ist.
Strömungs- oder Wirbelmessfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hitzdrahtelement (26) des ersten Hitzdrahtsensorelements (10) und das Hitzdrahtelement (26) des zweiten Hitzdrahtsensorelements (36) sich mit einem Winkel von etwa 90° zueinander erstrecken.
Strömungs- oder Wirbelmessfühler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Hitzdrahtelement (26) und der erste länglichen Vorsprung (24) oder erste Stift einen Winkel (α) von etwa 45° aufspannen.
Strömungs- oder Wirbelmessfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Hitzdrahtsensorelement (10, 36) um eine parallel zu der Längsrichtung der ersten Vorsprünge oder Stifte verlaufende Ebene oder Linie gespiegelt ausgebildet und angeordnet sind.
Strömungs- oder Wirbelmessfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Basiskörper (18) eine Grundplatte (22) ist, dass die Vorsprünge bzw. Stifte Zacken oder Zinken (24, 25) sind, die sich von einer schmalen Seite der Grundplatte (22) aus parallel zur Erstreckungsebene der Grundplatte (22) erstrecken, und dass das Hitzdrahtelement (26) sich parallel zur Erstreckungsebene der Grundplatte (22) erstreckt.
Strömungs- oder Wirbelmessfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Hitzdrahtelement (26) zum Generieren eines elektrischen Signals ausgebildet ist, aus welchem die Temperatur des Hitzdrahtelements (26) bestimmbar ist.
Strömungs- oder Wirbelmessfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Hitzdrahtsensorelemente (10, 36, 38, 40) ein zweites Drahtelement (50) hat, das sich im wesentlichen parallel zu dem Hitzdrahtelement (26) mit einem durch das zu messende Strömungs- oder Wirbelfeld zu durchstreichenden Zwischenabstand erstreckt.
Strömungs- oder Wirbelmessfühler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Hitzdrahtsensorelement (10, 36, 38, 40) ein drittes Drahtelement (52) hat, das sich parallel zu dem Hitzdrahtelement (26) und zu dem zweiten Drahtelement (50) derart erstreckt, dass das Hitzdrahtelement (26) zwischen dem zweiten (50) und dritten (52) Drahtelement angeordnet ist und dass zwischen dem Hitzdrahtelement (26) und dem dritten Drahtelement (52) ein Zwischenabstand besteht, der durch das zu messende Strömungs- oder Wirbelfeld durchstreichbar ist.
Strömungs- oder Wirbelmessfühler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Hitzdrahtsensorelemente (10, 36, 38, 40) eine elektrische Verbindung (28, 54) zu seinem wenigstens einen Drahtelement (26, 50, 52) aufweist, deren elektrischer Widerstand wesentlich geringer ist als der elektrische Widerstand des Drahtelements (26, 50, 52) selbst.
Strömungs- oder Wirbelmessfühler nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Drahtelemente (26, 50, 52) aus polykristallinen Halbleitermaterial, insbesondere aus polykristallinem Silizium, oder aus einem Metallfilm, insbesondere aus Platin, einer Platin-Rhodium-Legierung, Wolfram oder Gold, gebildet sind.
Strömungs- oder Wirbelmessfühler nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Hitzdrahtsensorelement (10, 36) auf einem gemeinsamen Substrat (20) ausgebildet sind.
Strömungs- oder Wirbelmessfühler nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (20) der jeweiligen Hitzdrahtsensorelemente (10, 36, 38, 40) aus einkristallinem Halbleiter, insbesondere einkristallinem Silizium gebildet ist.
Strömungs- oder Wirbelmessfühler nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein drittes Hitzdrahtsensorelement (38) mit einem Hitzdrahtelement (26) vorgesehen ist, das sich in eine unterschiedliche Richtung wie die Hitzdrahtelemente (26), des ersten und zweiten Hitzdrahtsensorelements (10, 36) erstreckt, um eine dritte Komponente des Strömungs- oder Wirbelfeldes zu messen.
Strömungs- oder Wirbelmessfühler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein viertes Hitzdrahtsensorelement (40) mit einem Hitzdrahtelement (26) vorgesehen ist, das sich in eine unterschiedliche Richtung wie die Hitzdrahtelemente (26), des ersten, zweiten und dritten Hitzdrahtsensorelements (10, 36, 38) erstreckt, um noch eine vierte Komponente des Strömungs- oder Wirbelfeldes zu messen.
Strömungs- oder Wirbelmessfühler nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass sich die jeweiligen Hitzdrahtelemente (26) des ersten bis vierten Hitzdrahtsensorelements (10, 36, 38, 40) jeweils mit einem im wesentlichen rechten Winkel zueinander erstrecken.
Strömungs- oder Wirbelmessfühler nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere wenigstens aus jeweils einem ersten und einem zweiten Hitzdrahtsensorelement (10, 36, 38, 40) gebildete Hitzdrahtsensoreinheiten (42, 44) mit unterschiedlichem Winkel zueinander ausgerichtet räumlich im Nahbereich zueinander angeordnet sind.