CN101680792A - 热膜式空气质量流量计及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种装置(110，112)，用于确定流体介质的至少一个参数、尤其是用于确定内燃机的吸入空气质量。所述装置(110，112)具有用于测量所述参数的传感器芯片(148)和带有电路载体(160)的控制与分析处理电子装置(156)，所述传感器芯片(148)设置在一个可插入到流体介质中的芯片载体(146)上。所述芯片载体(146)包括电路载体(160)的一个与所述电路载体(160)一体地构造的突出部(166)，其中，所述传感器芯片(148)固定在所述突出部(166)上。

Description

热膜式空气质量流量计及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种用于测量流动的流体介质的、尤其是流过通流管的流体介质的至少一个参数的已知装置，如其在现有技术的各个领域中已知的那样。因此，在许多过程中，例如对于方法技术领域、化学领域或机械制造领域，必须以特定的特性(例如温度、压力、流动速度、质量流等等)按定义地输送流体介质、尤其是气体质量(例如空气质量)。燃烧过程尤其是属于这种情况，燃烧过程在规定的条件下进行。
背景技术
一个重要的应用例是燃料在汽车内燃机中的燃烧，尤其是带有接着的催化废气净化，在这些过程中必须按规定每单位时间输送一定的空气质量(空气质量流)。为了测量空气质量流量，在此使用了各种类型的传感器。一种由现有技术已知的传感器类型是所谓的热膜式空气质量流量计(HFM)，例如在DE 196 01 791 A1中以一种实施形式描述了该热膜式空气质量流量计。
在这类热膜式空气质量流量计中通常使用传感器芯片，该传感器芯片具有薄的传感器膜片，例如使用硅传感器芯片。在传感器膜片上通常设置有至少一个热电阻，所述热电阻由两个或更多个温度测量电阻(温度探头)包围。在经过膜片传导的空气流中，温度分布是变化的，这又可以被温度测量电阻检测到并且可以借助控制与分析处理电路进行分析处理。因此，可以例如由温度测量电阻的电阻差来确定空气质量流。由现有技术已知了该传感器类型的各种其它变型，例如这样一些传感器，其不是以膜片工作，而是以多孔的传感器芯片工作。
用于确定流体介质的至少一个参数的已知热膜式空气质量流量计以及其它已知装置通常具有一个芯片载体，传感器芯片设置在该芯片载体上或者埋置在该芯片载体中。该芯片载体通常伸入到流体介质中，其中，芯片载体通常被如此地设计，使得与插入的传感器芯片形成基本上平坦的表面，流体介质可流过该表面而不形成湍流。
在已知的热膜式空气质量流量计中，芯片载体例如通过以下方式制造：使用一个用于控制与分析处理电子装置的薄板载体，电路载体(例如电路板)固定在该薄板载体上。芯片载体自身通常通过装配过程固定在薄板载体上，例如通过注塑过程中的注塑。
在插装电路载体之后，然后通常在附加的过程步骤中将传感器芯片装配到芯片载体上。为此通常将粘接剂设置在由金属或塑料制成的接纳部中，通过附加的操纵系统从单独的硅晶片中取出芯片，并且该芯片被定位在芯片载体内部的芯片接纳部中。接着使粘接剂在炉中固化，其中，该粘接剂例如可以是硅树脂粘接剂。
但是，该已知的制造方法和由此制成的装置仍有改进的余地。尤其是为了将传感器芯片安装到芯片载体中或者安装到芯片载体上，需要大量单个步骤，这些单个步骤使得制造过程更贵，尤其使最终产品更贵，或者使利润率减少。另一个缺点在于：粘接剂在炉中的固化又可能导致对已经插装的电子装置的损害，并且，在固化之前由于传感器芯片通常在芯片载体或者芯片载体的凹部内部存在间隙，可能由于传感器芯片在未固化的粘接剂上的打滑而出现构件公差。
发明内容
本发明相应地提出了一种用于确定流体介质的至少一个参数的装置，其中，该装置例如可以是用于确定内燃机的吸入空气质量的装置。优选地，该装置是热膜式空气质量流量计。还提出了一种用于制造这类装置的方法，尤其是用于制造具有根据本发明的装置特征的装置的方法。
如开头所述的装置那样，根据本发明的装置具有用于测量所述参数的传感器芯片。例如，该传感器芯片在此可以是开头提到的热膜式空气质量流量计芯片，该芯片可以按照现有技术构造并且该芯片可以在一个传感器表面上具有一个热电阻和两个温度探头。
根据本发明的装置还包括带有至少一个电路载体的控制与分析处理电子装置。例如该电路载体又可以是电路板，尤其是陶瓷电路板和/或以塑料为材料的电路板。控制与分析处理电子装置例如也可以如由现有技术已知的那样构造并且例如可以包括用于控制热电阻的电子模块和用于分析处理温度探头的电子器件。
此外，该装置又包括芯片载体，该芯片载体用于将传感器芯片或者传感器芯片的传感器表面带入到流体介质中。
本发明的基本构思在于：芯片载体的装配相对于已知的装置显著地简化。尤其是借助下面提出的装置和相应的制造方法可以省去：通过注塑将芯片载体装配到薄板载体上。
因此提出，电路载体本身或者该电路载体的一部分用作芯片载体的组成部分。为此，电路载体具有一个与其余的电路载体一体地构造的突出部。该突出部在此例如可以是几乎矩形的突出部，其例如由其余的电路载体(例如电路板)通过锯切加工出来。优选地，该装置被这样地使用，使得仅有该电路载体的突出部伸入到流体介质中。传感器芯片在此固定在该突出部上。
传感器芯片在该突出部上的固定例如可以通过材料锁合的连接、尤其是通过粘接进行。在此特别有利的是借助粘接薄膜的粘接，因为这样的粘接薄膜可以以“拾放(Pick-and-Place)”方法施加，例如借助市场上常见的电路板插装系统施加，并且因为以这种方式可以省去在炉中的固化步骤。但是作为粘接的替代或者补充，也可以考虑其它的方法，例如力锁合的固定和/或形状锁合的固定。
芯片载体还可以包括一个框架，该框架安装到所述突出部上并且至少部分地包围传感器芯片。该框架例如可以同样通过上述固定方式中的一种与突出部连接，优选地也借助粘接薄膜与突出部连接。例如为此可以使用同一粘接薄膜，传感器芯片也借助该同一粘接薄膜固定在突出部上。
框架可以包括空隙，传感器芯片插入到该空气中。该空隙可以这样地设计，使得在安装框架之后芯片载体的整个表面(其如今由框架表面和传感器芯片表面构成)基本上是平的和对齐的。该空隙还可以这样地设计，使得传感器芯片本身贴合在突出部上，或者该空隙可以仅仅包括一个凹部，传感器芯片可以插入到该凹部中而不与突出部接触。
该框架还可以附加地包括流动导向元件，所述流动导向元件适合用于例如使流体介质围绕传感器载体流动和/或用于避免流体介质在装置本身处或者在芯片载体处的压力降。尤其地，该流动导向元件可以包括圆化的迎流鼻头
Figure G2008800177038D00031
，在装置的安装状态下，该迎流鼻头与流体介质在芯片载体位置处的主流动方向相反地指向。该圆化的迎流鼻头可以均衡例如电路载体突出部的锋利棱边处的压力降或湍流形成。为此，尤其是可以对迎流鼻头进行设计，以便在迎流侧至少部分地包围该突出部，使得在该区域中至少部分地覆盖突出部的锋利棱边。
为了制造按上述实施形式中一种的装置和相似装置，可以例如使用一种由电路板技术已知的拾放方法。所述方法的一个重要优点在于：无论是电路载体的插装还是传感器芯片的和必要时框架的装配都可以借助粘接薄膜进行，其中，优选地，所有构件可以借助同一操纵系统或者插装系统安装。尤其是当使用粘接薄膜时，可以省去附加的工艺步骤，例如粘接剂涂抹和接下来的粘接剂固化。附加的在薄板载体上的注塑过程也可以省去。因此，所提出的装置和所提出的方法以显著地减少制造步骤和制造所需的装置为特征。由此可以显著地减少制造成本并且制造的节拍时间可以明显地减少。
附图说明
本发明的实施例在附图中示出并且在下面的说明书中详细阐述。附图中：
图1示出安置到内燃机的吸气部分(Ansaugtrakt)中的热膜式空气质量流量计；
图2以俯视图示出打开的热膜式空气质量流量计；
图3示出热膜式空气质量流量计的带有控制与分析处理电子装置和注塑的芯片载体的薄板载体；
图4以剖视图示出按本发明构造的、带有嵌入的传感器芯片的芯片载体；和
图5以俯视图示出根据图4的按本发明的芯片载体。
具体实施方式
在图1中示出了一种用于确定以主流动方向流动的流体介质的参数的装置110的例子。在该实施例中，装置110如同样在以下实施例中那样(不限制本发明的保护范围)是热膜式空气质量流量计112，该热膜式空气质量流量计插入到(在图1中未示出的)内燃机的吸气部分114中。这类热膜式空气质量流量计112可在市场上获得并且例如在DE 102 46 069 A1或DE103 48 400 A1中描述。
热膜式空气质量流量计112构造成用于识别废气流在脉动式流动时的流动方向并且设计成在内燃机具有汽油或柴油燃料喷射装置时用于载荷检测。热膜式空气质量流量计112通常安装在空气过滤器和节流装置之间并且通常作为带有测量壳体118的插接探头116形式的预装配组件进行安装。这类测量壳体1 18通常制造为注塑构件，大多由适合于汽车行业的工程塑料制成。典型的塑料是玻璃纤维填充的热塑性塑料，例如具有20％的玻璃纤维填充物的PBT。其它的塑料也是可使用的。
在图2中以俯视图示出了按图1中的实施例的、带有打开的测量壳体118的热膜式空气质量流量计112。在此，测量壳体118的一个在图2中未示出的盖件被取下，从而可看到测量壳体118的壳体部分120的内侧。该测量壳体11 8被分成流动区域122和电子装置区域124。如图1所示，流动区域122在热膜式空气质量流量计112的安装状态下插入到吸气部分114中，流动通道126容纳在该流动区域122中，该流动通道126被分成多个部分通道。因此，流动通道126首先具有主流动通道128，该主流动通道128从流入口130基本水平地且直地延伸到流出孔132。
如图2中虚线所示，流出孔132位于测量壳体118的在图2中未示出盖件中。其它方面基本以矩形横截面构造的流动通道126或者主流动通道128在流出孔132前面的区域中以向着流出孔132减小的通道深度倾斜，使得空气从流入口130通到流出孔132。吸气部分114中的流体介质、例如空气以主流动方向134流过热膜式空气质量流量计112，其中，热膜式空气质量流量计112的定向通常如此地设置，使得主流动方向134平行于主流动通道128的走向。
在流动通道126中紧接在流入口130的后面设置一个分叉部136。该分叉部136设置成与主流动方向134成锐角，在该分叉部136处，一条测量通道138从主流动通道128分叉。测量通道138绘出一个曲折的走向并且环绕主流动通道128的流出孔132。该测量通道138最终在壳体部分120的下侧通到测量通道流出孔140中。测量通道138通常也称为“旁路”，因而流动区域122在整体上通常也称为旁路部分142。
沿主流动方向134进入到流动通道126中的空气质量流在分叉部136处被分割成两个支流。第一主支流直接从流入口130通过主流动通道128流向流出孔132。然而第二支流被叉开，尤其是由于分叉部136处的流体力学上的负压现象，并且第二支流被引导到测量通道138中。流过测量通道138的这一支流是以主流动方向134流动的流体介质(例如空气)的完整流的代表。
在测量通道138中设置有直的区段144，在该区段144中，其中嵌有传感器芯片148的芯片载体146从电子装置区域124伸入到测量通道138中。该传感器芯片148在此起到传感器元件150的作用并且可以例如按照上述原理(例如见DE 196 01 791 A1)设计。
在由现有技术已知的热膜式空气质量流量计112中，芯片载体146可以构造成例如金属构件，例如构造成薄板构件，或者其在此也可以是塑料构件，例如注塑构件。芯片载体146通常固定(通常注塑)在一个容纳在电子装置区域124中的、在图2中未示出的薄板载体上，其中，该薄板载体载有热膜式空气质量流量计112的分析处理与控制电路。该薄板载体在下面借助于图3详细阐述。
为了避免由空气带入的水和其它的固态或液态杂质(例如油)到达传感器芯片148，在分叉部136处设置有一个锋利棱边形式的所谓的“齿”152，该齿伸入到流入口130中并且提供了具有在图2中向下指向的分量(即相对于主流动方向134成锐角)的导引面。由此使流过的空气部分地向下转向，也就是说远离分叉部136。因此，该齿152负责相分离，即负责使在分叉部136处分叉出的(流过测量通道138的)支流基本上没有水和/或其它液态或固态杂质。污染微粒和/或水微粒不能在齿152处进行急剧的转向并且由于其惯性而直接地飞过主流动通道128并且通过侧向设置的流出孔132离开所述主流动通道128。
在图3中以立体图示出了上述的带有控制与分析处理电子装置156和芯片载体146的薄板载体154。该薄板载体154由常见的薄板材料制成冲弯件并且包括侧向倾斜的支架结构158，薄板载体154可以通过所述支架结构158嵌入到测量壳体118的上述电子装置区域124中并且可以固定在那里。
电路载体160作为控制与分析处理电子装置156的组成部分安置在薄板载体154上，在本实施例中电路载体160可以例如是平坦的、刚性的或柔性的电路板，例如陶瓷电路板。电路载体160在该实施例中以常见的插装工艺被插装电子器件，这些电子器件保证了控制与分析处理电子装置156的功能。此外设置有印制导线和接触垫。该电路载体160可以例如粘贴在薄板载体154上。
在图3中所示的、根据现有技术的实施例中，芯片载体146以常见的塑料工艺注塑到薄板载体154上。该芯片载体146具有迎流棱边162，该迎流棱边在使用中与在测量通道138中流动的流体介质的主流动方向相反地指向。该迎流棱边162稍微圆化。
芯片载体146还具有凹部164，该凹部164基本上矩形地构造，然而该凹部164在侧向上设置有隆起部以供拾放工具作用并且传感器芯片148被插入到该凹部中。传感器芯片148通过金属丝键合与电路载体160连接。
与图3不同，在图4中示出了传感器芯片148的根据本发明的设计方案。图4中的视图是沿着图3中的线A-A的剖视图并且示出了根据本发明的结构与现有技术的不同。在图5中以俯视图从上方示出了根据本发明的芯片载体146。下面结合这两幅图深入阐述根据本发明的装置。
对于所提出的结构，电路载体160包括矩形的突出部166，该突出部166与其余的电路载体160构造为一体，然而该突出部166从电子装置区域124伸入到测量通道138中，从而形成芯片载体146的组成部分。
在该突出部166上以拾放方法安装双面的粘接薄膜168。优选地，该双面的粘接薄膜168是一体地构造的并且覆盖突出部166的整个表面，该突出部166伸入到测量通道138中。
接着将框架170安装到双面的粘接薄膜168上。该框架170可以例如先前在单独的注塑过程中由常见的塑料材料制成，例如由在汽车技术中使用的、强化的或者未强化的PBT材料(见上)。在此，该框架170可以在使用中制造，使得可以在一个单独的注塑过程中制造多个这样的框架。该框架170同样可以借助拾放方法、优选借助一个机器放置在突出部166上并且压合到双面的粘接带168上，双面的粘接薄膜168也借助同一个机器安装。通常不需要其它的装配步骤。
框架170具有空隙172，与图3类似地，该空隙又可以基本上具有传感器芯片148的外形。例如其又可以是矩形的外形，其中，然而可以与图3类似地设置空隙172的附加的孔或扩宽部，以便使通过相应的插装自动机的拾放方法或者插装更容易。这在图5中示意性地通过空隙172的插装扩宽部174表示。
在图4中可看到框架170的其它特别之处。因此，框架170不仅具有空隙172，而且设置有圆化的迎流鼻头180形式的流动导向元件178，该流动导向元件178与测量通道138中的流体介质在芯片载体146位置处的流动方向相反地指向。该迎流鼻头180覆盖突出部166的锋利棱边，所述迎流鼻头180与流动方向176相反地指向并且在芯片载体146背离传感器芯片148的一侧与突出部166对齐地闭合。由此避免形成湍流并且避免了芯片载体146处的压力降。迎流鼻头180在其与流动方向176相反指向的一侧被圆化并且因此形成芯片载体176的迎流棱边162。但是，除了或者替代图4和5中描述的迎流鼻头180，框架170也可以包括其它类型的流动导向元件178，所述流动导向元件178用于空气动力学的优化，并且，流动导向元件178可以例如同样以台阶伸出超过电路载体160的突出部166，以便覆盖突出部166的棱边。因此，在框架170中可以容纳例如流动翼片、流动沟槽或者相似的空气动力学元件。
在将框架170安装到突出部166上之后，传感器芯片148被装配到粘接薄膜168上，该传感器芯片148在图5中仅示意性地示出。所述装配可以例如又通过拾放方法进行。优选地，框架170在其厚度上如此地确定尺寸，使得传感器芯片148的表面与框架170的表面对齐地闭合，如其在图4中所示的那样。以这种方式避免了传感器芯片148棱边处的湍流，在非对齐闭合(例如突出和/或凹陷)的情况下可能产生所述湍流。
例如如图3所示，接着可以通过金属丝键合方法使传感器芯片148与控制与分析处理电子装置156、尤其是与电路载体160连接和接通。在图3中从上倾斜示出的立体视图中，带有插入的传感器芯片148的芯片载体146在其功能上实际上与图3中的对应于现有技术的视图没有区别。然而如上所述，该制造方法通过提出的方法被强烈地简化，并且热膜式空气质量流量计112可以成本显著有利地制造。

Claims (11)

1.一种装置(110，112)，用于确定流体介质的至少一个参数、尤其是用于确定内燃机的吸入空气质量，其中，所述装置(110，112)具有用于测量所述参数的传感器芯片(148)和带有电路载体(160)的控制与分析处理电子装置(156)，所述传感器芯片(148)设置在一个可插入到流体介质中的芯片载体(146)上，其特征在于，所述芯片载体(146)包括电路载体(160)的一个与所述电路载体(160)一体地构造的突出部(166)，其中，所述传感器芯片(148)固定在所述突出部(166)上。
2.如前一项权利要求所述的装置(110，112)，其中，所述传感器芯片(148)在所述突出部(166)上的固定通过以下固定方式中的至少一种实现：材料锁合的固定，尤其是粘接，尤其是借助粘接薄膜(168)或者可固化的粘接剂的粘接；力锁合的固定；形状锁合的固定。
3.如前两项权利要求中的一项所述的装置(110，112)，其中，所述芯片载体(146)还包括框架(170)，其中，框架(170)安装在突出部(166)上并且至少部分地包围所述传感器芯片(148)。
4.如前一项权利要求所述的装置(110，112)，其中，所述框架(170)通过以下固定方式中的至少一种与所述突出部(166)连接：材料锁合的固定，尤其是粘接，尤其是借助粘接薄膜(168)或者可固化的粘接剂的粘接；力锁合的固定；形状锁合的固定。
5.如前两项权利要求中的一项所述的装置(110，112)，其中，所述框架(170)包括空隙(172)，所述传感器芯片(148)插入到所述空隙(172)中。
6.如前三项权利要求中的一项所述的装置(110，112)，其中，所述框架(170)附加地包括流动导向元件(178)，尤其是圆化的迎流鼻头(180)，该迎流鼻头(180)构造成用于在迎流侧至少部分地包围所述突出部(166)。
7.一种用于制造装置(110，112)的方法，该装置(110，112)用于确定流体介质的至少一个参数、尤其是用于确定内燃机的吸入空气质量，其中，该方法包括以下步骤：
使用一个控制与分析处理电子装置(156)，其带有电路载体(160)，该电路载体(160)包括一个与该电路载体(160)一体地构造的突出部(166)；
将传感器芯片(148)固定在所述突出部(166)上，其中使用以下方法中的至少一种：材料锁合的方法；力锁合的方法；形状锁合的方法。
8.如前一项权利要求所述的方法，其中，还将一框架(170)安装到所述突出部(166)上，所述框架(170)至少部分地包围所述传感器芯片(148)。
9.如前一项权利要求所述的方法，其中，在安装所述传感器芯片(148)之前安装所述框架(170)。
10.如前两项权利要求中的一项所述的方法，其中，首先将粘接层、尤其是粘接薄膜(168)安装到前突部上，并且，接着将所述框架(170)和所述传感器芯片(148)安装到所述粘接层上。
11.如前一项权利要求所述的装置(110，112)，其中，将拾放方法用于所述安装步骤中的至少一个。
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