CN1155653A - 质量气流传感器及其所用的测量器 - Google Patents

Abstract

一种形成在一基片上，用来测量一目标流体的流动速率的质量气流传感器的测量器，包括：一对并列在该目标流体的流动方向上且形成在该基片上的一薄膜受热电阻形成部分的薄膜受热电阻、一对形成在该基片上的一薄膜环境温度传感电阻形成部分的薄膜非受热环境温度传感电阻以及若干形成在支撑该基片的一支撑部上的薄膜电极接头，该支撑部与该受热电阻薄膜形成部分和薄膜环境温度传感电阻形成部分隔离，这些电极接头用来从该受热电阻和非受热环境温度传感电阻取出电信号。

Description

质量气流传感器及其所用的测量器

本发明涉及到一种用于质量气流传感器的测量器，特别涉及到在内燃机中测量吸入气流的质量气流传感器的测量器。

作为装在象汽车之类车辆上的内燃机的电子燃料管理控制系统的质量气流传感器，受热电阻式传感器因能直接检测到质量气流速率而占有领先地位，JP-A-821/1987和JP-A-73124/1987即公开了这种传感器。上述公开申请所公开的技术的一个问题是生产成本高，因为所公开的传感器包括两个受热电阻探头和两个用来补偿环境温度影响的受热电阻(总共4个电阻)。

后来，为了降低生产成本JP-A-185416/1989设计出使用在一个基片上形成的薄膜来生产4个受热电阻探头的现有技术，。

但是，JP-A-185416/1989公开的技术具有参照图8所述的下列问题。图8为质量气流传感器的现有测量器的平面图，它与该公开申请的说明书所示图4对应。在该图中，现有测量器包括受热电阻1和2、非受热环境温度传感电阻3a和3b、一个用陶瓷之类具有高导热率的电绝缘材料制成的基片4、电极接头6和一个槽10。在这类结构的传感器中，虽然受热电阻1和2与非受热环境湿度传感电阻3a和3b之间有槽10，但由于两组电阻之间靠得很近，且高导热率的基片4与在该基片中的槽10的两端都相连，因此两组电阻间的绝热性很差，以至于热量很容易从受热电阻1和2传到非受热的环境温度传感电阻3a和3b，从而降低对气流速率的测量精度。图中，标号7表示气流及其方向。

上述现有测量器为两端面支撑结构，也就是说，受热电阻1和2以及非受热环境温度传感电阻3a和3b的电信号从该基片4两端面(该图中该基片的右端面和左端面)处的两组电极接头6输出，每一组电极接头6支撑在一个端面而连接到图中未画出的外部电路上。这种结构的问题是，由于电极接头6共有8个，因此，该传感器4的电路的连接变得复杂，且电极接头6占据基片4的大量面积，从而提高了生产成本。

本发明目的是为质量气流传感器提供一种高精度、低生产成本的测量器，办法是提高受热电阻与非受热电阻之间的绝热性，且简化该质量气流传感器的包括电阻在内的电路元件间的连接；从而本发明也就提供了一种使用该测量器的质量气流传感器。

为实现上述目的，本发明提供了一种在一基片上用来测量目标流体的流动速率的质量气流传感器的测量器，包括：

一对薄膜受热电阻并列排在目标流体的流动方向上且在该基片上形成一个薄膜受热电阻形成部分；

一对在该基片上的非受热薄膜环境温度传感电阻形成一个非受热薄膜环境温度传感电阻形成部分；以及

检测电路中的若干薄膜电极接头，形成一个支撑部件来支撑该基片，该支撑部件与薄膜受热电阻形成部分和薄膜环境温度传感电组形成部分隔离，这些电极接头用来输出受热电阻和非受热环境温度传感电阻的电信号。

其中，薄膜受热电阻形成部分和薄膜环境温度传感电阻形成部分前后错开地布置在流体流动方向上，且左右错开地布置在与该流动方向垂直的方向上，从而该对受热电阻与该对非受热环境温度传感电阻在与流动方向平行的方向上互不重合；并且

该支撑部分设置在该基片的一个端上在该基片上形成了若干薄膜电极接头。

而且，最好在流动方向上前后错开布置且在与该流动方向垂直的方向上左右错开布置的薄膜受热电阻形成部分与薄膜非受热环境温度传感电阻形成部分之间有一个槽。

此外，该质量气流传感器最好包括共同连接到一对受热电阻和非受热环境温度传感电阻上的一共有电极接头以及共同连接到另一对受热电阻和非受热环境温度传感电阻上的另一共有电极接头。

此外，最好使用同样材料、在同样加工条件下使用同样生产工艺制造受热电阻和非受热环境温度传感电阻。

通过在流动方向上前后错开且在与流动方向垂直的方向上左右错开地布置薄膜受热电阻形成部分和薄膜非受热环境温度传感电阻形成部分，与现有传感器相比受热电阻和非受热电阻的隔热性更强，因此受热和非受热电阻间的绝热更有效而几乎可完全避免受热电阻对非受热电阻的热效应，从而提高了测量精度。特别是，由于受热电阻与非受热电阻之间有一个槽，因此提高了绝热性从而进一步提高了测量精度。

由于电极接头集中布置在基片的一端，而某些电极接头共同分别地连接到一对受热电阻和非受热电阻上，因此简化了质量气流传感器的测量器与外部电路之间的连接，从而降低了气流传感器的生产成本。

图1为本发明一实施例子的质量气流传感器的平面图。

图2a-2d为图1所示，对受热电阻的各种薄膜图形的例子的放大图。

图3a和3b为图1所示一对非受热环境温度传感电阻的薄膜图形的例子的放大图。

图4为图1所示质量气流传感器的测量器的装配实施例的剖面图。

图5为外部电路9和电阻1、2、3a、3b的电路图。

图6a-6q表示该质量气流传感器的工作情况。

图7是一个例子，展示出了各薄膜元件在一晶片的一个测量件芯片上的布置情况。

图8为现有质量气流传感器的测量器的平面图。

下面结合附图用实施例详述本发明。

图1为本发明一实施例的质量气流传感器的测量器的平面图。该质量气流传感器的测量器包括一基片4、布置在气流7风尾置的受热电阻1和2、布置在气流7风头的非受热环境温度传感电阻3a和3b，受热电阻和非受热环境温度传感电阻取出电信号的电极接头6a、6b、6c、、6d-6e和6f以及若干与受热电阻、非受热环境温度传感电阻和电极接头电连接的若干引线30。

该基片4包括其上由受热电阻1和2形成的薄膜受热电阻形成部分4a、其上由非受热环境温度传感电阻3a和3b形成的薄膜非受热环境温度传感电阻形成部分4b、一把受热电阻形成部分4a和非受热电阻形成部分4b与该基片4隔离并用来支撑该基片4的支撑部分4c和一槽10。图1中的虚线示出一例基片4的支撑件5的轮廓线。

而且，其上由受热电阻1和2形成的薄膜受热电阻形成部分4a以及其上由非受热电阻3a和3b形成的薄膜非受热环境温度传感电阻形成部分4b在流动方向上布置成前后错开并且在与流动方向垂直的方向上布置成左右错开。也就是说，受热电阻形成部分4a和非受热电阻形成部分4b之间的位置关系设定成该两部分相对于气流7的方向前后、左右错开；例如，若薄膜受电阻形成部分4a布置在气流方向的风尾(下游端)且在与该气流方向的垂直方向的左方，则薄膜非受热电阻形成部分4b相对布置在该气流方向的风头(上游端)且在与该气流方向垂直方向的右方。上述电阻布置是为了使这两个电阻形成部分在与气流方向平行的方向上不相重合而把受热电阻1和2与非受热电阻3a和3b尽可能隔开，以便提高受热和非受热电阻间的绝热性。

而且，在基片4相互错开布置的薄膜受热电阻形成部分4a与薄膜非受热环境温度传感电阻形成部分4b之间有一槽10。由于该槽10进一步使受热电阻1和2与非受热电阻3a和3b热隔离，因此进一步提高了绝热性，因此在反向流动条件下电受热电阻1和2受热的反向气流不会对非受热电阻3a和3b产生热作用，从而可以更高精度测量质量气流速率。

在这种情况下，由于受热电阻1和2产生的热量通过基片4流到支撑件5(该图虚线图位部分)气流风尾方向的槽10的一侧伸展到图1中虚线所示的支撑件5的侧端40，从而大大减小受热电阻1和2对非加热电阻3a和3b的热作用，从而进一步提高精度，这是因为槽10截断了传热路线，因此无法通过该基片的周边部进行热传导。

而且，槽10最好越过支撑件5的侧端40而伸入图1所示支撑件5的内部，以便起自槽10的基片4的强度不因向支撑件5的传热而遭拆断。

而且，还可在一风头侧缘部外设一不受该支撑件支撑而是暴露在气流中的非受热部4d。在这种结构下，加热电阻1和2被气流冷却，从而降低对非受热电阻3a和3b的热作用，从而由于该部分暴露在气流中，因此当工作状态从低速气流状态变动到高速气流状态对所造成的加热电阻的温度变动很小。因此，由于可减少受热电阻沿着基片4的根部方向传导的热量，因此在基片中达到温度分布平衡所需的时间减少，从而提高了对气流迅速变动的瞬态响应性。

在其上形成电阻1、2、3a和3b以及电极接头6a-6t的基片4受支撑件5的机械支撑，而且基片4只有一端受支撑，从而形成在该端上的电极接头6a-6e与图中未画出的一外部电路电连接。因此，当把该质量气流传感器的测量器装在一发动机中时，基片4内支撑件5支撑在支撑部分4c处。

并且，该支撑部分4c位于与气流方向垂直方向上两端的一端处，而电极接头6a-6f形成在该支撑部分4c的一部分。因此，在这种一端支撑结构中，可在同一方向上把所有电极接头接到外部电路上，从而简化电连接。

图2a为图1所示一对受热电阻的各种薄膜图形的例子的放大图。图3a为图1所示一对非受热环境温度传感电阻的薄膜图形的例子的放大图。图2a示出一对并列在待测量气流7的流动方向上且形成在薄膜受热电阻形成部分4a上的受热电阻1和2，图3a示出一对并列在待测量气流7的流动方向上且形成在薄膜非受热环境温度电阻形成部分6b上的非受热环境温度传感电阻3a和3b。

因此，本发明质量气流传感器的测量器的组成具有下列特征，也即，形成在一基片上的质量气流传感器的测量器包括：

一对并列在目标流体流动方向上且形成在基片上一薄膜受热电阻形成部分的薄膜加热电阻；

一对形成在基片上一薄膜环境温度传感电阻形成部分的薄膜非受热环境温度传感电阻；以及

在一基片支撑部上的检测电路中的若干薄膜电极接头，该支撑部与薄膜受热电阻形成部分和薄膜环境温度传感电阻形成部分隔离，这些电极接头从受热电阻和非受热环境温度传感电阻取出电信号。

其中，薄膜受热电阻形成部分和薄膜环境温度传感电阻形成部分前后错开地布置在该流体的流动方向上且左右错开地布置在与该流动方向垂直的方向上，从而该对受热电阻和该对非受热电阻在与该流动方向平行的方向上不相重合；并且

该支撑部分设置在其上形成有若干薄膜电极接头的基片的一端处。

该薄膜受热电阻1和2的图形还可如图2b、2c和2d所示。

在图2b中，随着该电阻图形中的条纹靠近基片4的两边，条纹的宽度越来越窄，而在流动方向上的单位长度上的条纹密度越来越大。在图2c中，随着条纹靠近基片4的两边，该电阻图形中的条纹宽度保持不变，而与流动方向垂直的相邻两根条纹间的间隔越来越窄。而在图2d中，随着条纹靠近基片4的两边，与流动方向垂直的相邻两根条纹间的间隔保持不变，而条纹的宽度越来越窄。因此，在所有上述图形中，越是靠近基片4的两边的部位，单位图形面积的电阻值越大。

如上所述，在气流方向上把至少两个其电阻值随温度而变的薄膜受热电阻并列的设置在发动机进气管中的几乎是平面的基片上且该对薄膜电阻的图形构作成越靠近该对电阻的中心线，单位图形面积的电阻值越小，由于正向气流速率可由布置在该气流风头的受热电阻迅速测量，而反向气流速率可由布置在该气流风尾的受热电阻迅速测量，因此可提供一种在正、反气流方向上都能以高精度迅速测量进气流速的质量气流传感器。

薄膜非受热电阻3a和3b的图形还可如图3b所示。在图3b中，非受热环境温度传感电阻3a和3b由两个薄膜电阻构成且构作成该对薄膜图形套叠在一起并具有相同形状，从而单位图形面积的电阻值越靠近该基片4的顶端越大。

由于如图2b、2c和2d以及图3b所示把薄膜电阻图形构作成在基片4的受气流冲击的各边处电阻的电阻值较大，因此，可以高精度迅速测量气流速率，然后可获得几乎真正代表气流速率的信号。

为了提高响应速度，基片4由厚度为0.05mm-0.15mm的非常薄的矾土之类陶瓷薄片制成。受热电阻1和2以及非受热环境温度传感电阻3a和3b用溅射真空、蒸发之类薄膜工艺把白金喷涂到基片4上而一起形成厚0.1μ-2μ的薄膜构成。薄膜形成后，再把薄膜处理成图2a-3b所示图形。“一起形成”的意思是使用同样材料并在同样加工条件下使用同样的工艺。也即，在图1所示实施例子中，受热电阻1和2以及非受热环境温度传感电阻3a和3b用同样材料，在同样加工条件下用同样工艺制成同样厚度。通过采用上述工艺，由于受热电阻1和2以及非受热环境温度传感电阻3a和3b的电阻值的温度系数都相等，从而可减小各电阻间的热特性的差别，从而提高测量精度。

而且，为减少电阻量用来连接受热电阻1和2以及非受热环境温度传感电阻3a和3b的引线30和电极接头6a、6b、6c、6d、6e和6f用此构成电阻1、2、3a和3b的白金薄膜厚的白金、银合金薄膜构成，该白金、银合金薄膜可用印刷等工艺制成在该白金薄膜上。同时，电阻1、2、3a和3b上还有一层由矾土、二氧化硅、玻璃等制成的保护膜(图中未出示)。此外，槽10可用激光加工法等工艺制成。

图4示出把图1所示质量气流传感器的测量器装到一发动机中的一实施例子的剖面图。例如，该图为把该质量气流传感器装在一内燃机的一进气管中的一实施例子的剖面图。如图4所示，该质量气流传感器包括电阻1、2、3a和3b、支撑件5和外部电路9，电阻1、2、3a和3b装在进气管8中的一副管27上。外部电路9与由支撑件5支撑的基片4上的电阻1、2、3a和3b连接。

图5为包括外部电路9和电阻1、2、3a和3b的电路图。下面结合图5说明本发明该实施例子的工作情况。每一受热电阻驱动电路11和12为一与一电源17连接的独立电路并输出与气流速率对应的一信号。在该受热电阻驱动电路11中，受热电阻1、非受热环境温度传感电阻3a、电阻18和19构成一韦斯顿桥式电路，受热电阻1的电流由一差分放大器20和一晶体管21调节，从而使中点处的电位差为0。通过使用上述结构的受热电阻驱动电路11，可使受热电阻1的电阻值保持不变，也即使该受热电阻1的温度保持不变，而与空气流速无关。

然后，从受热电阻1输出的与空气流速对应的信号指示出图5中中点A处的电位。同时，受热电阻驱动电路12的组成与电路11相同，从加热电阻2输出的与空气流速对应的信号指示出该图中中点13处的电位。受热电阻1和2在汽车之类车辆的发动机的进气管中如图2a-2d所示布置成比方说受热电阻1位于气流方向的风头，而受热电阻2邻接受热电阻1而位于气流方向的风尾。受热电阻1和2由受热电阻驱动电路11和12加热成空气湿度环境温度与每一受热电阻驱动电路之间的温度差保持不变而与空气流无关，这与普通恒温空气质量流传感器差不多。

起先，当空气从进气管的风头的风尾以正向流动时，由于受热电阻1比受热电阻2更冷却，因此加热电阻驱动电路11在加热电阻1中产生的热量大于在加热电阻2中产生的热量。另一方面，当空气从进气管的风尾到风头以反向流动时，由于受热电阻2比受热电阻1更冷却，因此受热电阻驱动电路12在加热电阻2中产生的热量大于在受热电阻1中产生的热量。

因此，可根据馈入加热电阻1和2的电流之差检测气流方向，平衡电路13和14提高了受热电阻1和2输出与气流速率对应的信号的频率响应特性。而且，一电压比较器15取得根据平衡电路13和14输出信号之间的差检测到的气流方向，而且用一形状电路16选择平衡电路13和14的两输出信号中的一输出信号即可获得其由反向气流效应造成的误差很小的流动速率信号。

下面参照附图6a-6g说明该质量气流传感器的工作情况。受热电阻输出的信号表示成把该电信号转换成质量气流速率。一般来说，气缸数不大于4的发动机在低速、重载运行时气流速率的脉动振幅大，气流速率的变动的波形几乎为图6a所示正弦波，包括负气流速率的反向气流。例如，若发动机的轴的转数为1000rpm，则气流的脉动频率约为33Hz。气流速率的波形决定于燃烧室、进气管、排气管和空气清洁器的形状。当用一具有快速反应特性的理想受热电阻传感器测量包括反向气流的脉动气流时，如图6b所示，该理想传感器输出一与检测到的气流流速的绝对值对应的正向信号而与该气流的正向还是反向无关。

但是，由于实际的受热电阻传感器的输出信号如图6c所示有一响应延迟，因此该信号在正向和反向气流之间的转换点处不为0。而且，布置在进气气流风头的受热电阻1的输出信号A在正向气流时大而在反向气流时小。相反，布置在进气气流风尾的受热电阻2的输出信号13在正向气流时小而在反向气流时大。如图6d所示，取出上述两信号的电压比较器15交替输出一与正向气流对应的高电平信号(Hi)和一与反向气流对应的低电平信号(Low)。用开关电路16根据电压比较器15输出的流向信号倒转受热电阻2的输出信号的符号即可矫正受热电阻输出信号的反向信号，从而可合成图6e所示包括一反向气流分量的空气流量波形。

但是，由于气流速率的上述合成波形与实际气流速率之间有一相位差，因此在该合成波形中在气流速率的0电平处产生流动速率的跳跃点，合成波形的平均电平与实际气流速率的平均电平之间有一误差。因此，把平衡电路13和14加到受热电阻1和2的输出信号上即可恢复受热电阻1和2输出信号的时间延迟，从而获得图6f所示信号。两受热电阻的时间延迟由平衡电路13和14恢复了的输出信号A1和B1接受反向电流矫正后合成几乎与真正气流速率同的气流速率信号。而且，使用经矫正的气流速率合成信号获得的流动速率平均电平的误差可大大减小。

因此，在本发明中，该传感器构造成只有基片4的一端受到支撑，而共有的电极接头6a和6c用作图5所示韦斯顿桥式电路的连接点。如图1所示，受热电阻2和非受热环境温度传感电阻3b共同连接到共有电极接头6a上，而受热电阻1和非受热环境温度传感电阻3a共同连接到共有电极接头6d上。

从而，由于有两个共有电极接头，也即一个为共同连接受热电阻2和非受热环境温度传感电阻3b的电极接头6a，另一个为共同连接受热电阻1和非受热环境温度传感电阻3a的电极接头6d，因此现有传感器中的8个电极接头可减少为本发明传感器中的6个电极接头。由于有共有接头并且采用基片在一端受支撑的结构，因此可简化外部电路9与质量气流传感器的测量器之间的连接。由于可减小电极接头在整个基片4上所占的面积，因此可增加一晶片上的测量器芯片中的薄膜部件数，从而降低该传感器的生产成本。

尽管上述实施例中使用了平衡电路，但若使用响应性足够迅速的电阻元件，则未必非使用平衡电路不可。此外，尽管该实施例中把非受热环境温度传感电阻3a和3b布置在受热电阻1和2的风头，但由于非受热电阻3a和3b和受热电阻1和2左右错开地布置在与气流方向垂直的方向上，因此也可把非受热电阻3a和3b布置在受热电阻1和2的风尾。

在本发明中，由于从受热电阻流到非受热电阻的热流得到有效隔绝，而外部电路与质量气流传感器的测量器之间的电路连接因有共同连接各对受热电阻和非受热环境温度传感电阻的共有电极接头而获得简化，因此提供了一种高测量精度、低生产成本的质量气流传感器的测量器。

Claims (9)

1.一种在一基片上形成的质量气流传感器的测量器，包括：

至少一对并列在气流方向上并在所述基片上形成一薄膜受热电阻形成部分的薄膜受热电阻；

至少一对在所述基片上形成一薄膜环境温度传感电阻形成部分的薄膜非受热环境温度传感电阻；以及

若干形成在支撑所述基片的一支撑部分上的薄膜电极接头，该支撑部与所述薄膜受热电阻形成部分和所述薄膜环境温度传感电阻形成部分隔离，这些电极接头用来从所述受热电阻和所述非受热环境温度传感电阻取出电信号，

其中，所述薄膜受热电阻形成部分和所述薄膜环境温度传感电阻形成部分前后错开地布置在气流方向上且左右错开地布置在与气流方向垂直的方向上，从而所述该对受热电阻和所述该对非受热电阻在与气流方向垂直的方向上不相重合；并且

所述支撑部分设置在所述基片的一端，而所述若干薄膜电极接头即形成在该端上。

2.按权利要求1所述的质量气流传感器的测量器，其特征在于，在气流方向上前后错开布置且在与气流方向垂直的方向上左右错开布置的所述薄膜受热电阻形成部分与所述薄膜非受热环境温度传感电阻形成部分之间有一个槽。

3.按权利要求2所述的质量气流传感器的测量器，其特征在于，所述槽伸展到所述支撑部分。

4.按权利要求1所述的质量气流传感器的测量器，其特征在于，在所述若干电极接头中有共同连接到一对所述受热电阻和所述非受热环境温度传感电阻上的共有电极接头以及共同连接到另一对所述受热电阻和所述非受热环境温度传感电阻上的另一共有电极接头。

5.按权利要求1所述的质量气流传感器的测量器，其特征在于，所述受热电阻和所述非受热环境温度传感电阻用相同材料在相同加工条件下用相同工艺制成。

6.按权利要求1所述的质量气流传感器的测量器，其特征在于，所述受热电阻的薄膜图形构作成在该图形的越靠近所述两个受热电阻之间的中心线的部位，其单位图形面积的电阻值越小。

7.按权利要求1所述的质量气流传感器的测量器，其特征在于，所述非受热环境温度传感电阻由在所述薄膜环境温度传感电阻形成部分上的一对互相套叠的薄膜图形构成，且这两图形在同一部位处具有几乎相同的局部形状。

8.按权利要求7所述的质量气流传感器的测量器，其特征在于，所述该对薄膜图形上的部位越远离所述支撑件，则该部位的单位面积的电阻值越小。

9.一种按权利要求1-8之一装有所述测量器的质量气流传感器。

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