CN1241256A - 流动介质质量测量装置 - Google Patents

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Abstract

用于测量沿流动方向(9)流动介质质量、特别是内燃机吸入空气质量的测量装置,它具有一个装在传感器托座(1)凹槽(17)中的板形传感器元件(2)。传感器元件(2)包括一个带有测量元件(6)的薄膜(4),此薄膜在背向传感器托座(1)的一侧锁闭了在传感器元件(2)中形成的空室(5)。传感器元件(2)通过传感器元件(2)面向传感器托座(1)的底表面(29)与传感器托座(1)之间的粘接连接被固定在凹槽(17)中。按照本发明,此处的粘接连接包括一个粘接道(27;60),它在传感器元件(2)的底表面(29)与传感器托座(1)之间围绕空室(5)伸展,并只在背向流动方向(9)的一侧通过至少一个留空(40)敞开,以向空室(5)通气。

Description

流动介质质量测量装置
技术水平
本发明涉及一种按独立权利要求种类的流动介质质量测量装置。从DE 195 24 634 A1中已经知道一种测量装置，这种测量装置包括一个带有一个介电薄膜的板形传感器元件，该传感器元件安装在一个传感器托座的凹槽中。此传感器元件采用一种半导体材料、例如硅加工并且以显微机械结构方式制造。该薄膜由一种介电材料，如氮化硅或氧化硅制成。在介电薄膜上有一个测量用电阻和一个热电阻，它们由于薄膜很薄且介电薄膜的导热能力很弱尽可能与围绕薄膜的硅框架隔热。在介电薄膜和传感器托座之间有一个位于板形传感器元件之中的空室，此空室从与传感器托座相邻的底表面伸展至介电薄膜，并例如采用一种腐蚀方法制造出来。传感器元件通过粘合固定在传感器托座的凹槽中。因为必须保护相当薄的薄膜免受超压峰值的损坏，所以薄膜下面空室的通气是不可放弃的。测量传感器深槽或者薄膜背面通气时，一定要使介质流远离薄膜背面，以免影响背面气流的测量信号。为了避免将粘胶剂挤入与薄膜相邻的空室，粘合范围不遍布整个传感器元件，而只是将传感器元件的一半粘合进入传感器托座的凹槽，有介电薄膜的传感器元件部分是悬在凹槽之中的。为了阻止或至少是抵制薄膜的潜流、即介质流向薄膜下的空室，设置了一个流动通道，它是在传感器托座中形成的渠型凹槽，并围绕传感器元件伸展。同时，将在传感器托座中形成的凹槽这样与传感器元件的尺寸协调，以便在传感器元件的侧边缘和传感器托座凹槽的侧边缘之间只留有一个很小的缝隙，这个缝隙只准许介质流节流地流向介电薄膜下面的空室。
然而，这种解决方案的缺点是：安装时传感器元件相对于传感器托座的凹槽必须很高精度地定位，以达到极狭小的缝隙。但由于公差和制造离散不是总能可靠地满足，以致于在加工时会出现不小的效率损失。
由DE 42 19 454 A1所示的一种测量装置，其传感器元件以介电薄膜安装入一个冷却体的凹槽中。在冷却体的散热片之间有一个通气孔，以保证薄膜背面的通气。
本发明的优点
按照本发明，具有独立权利要求特征的测量装置的优点是，在加工中，传感器元件与传感器托座的凹槽相对定位时保证了一个相对小的公差。由此提高了生产率，降低了生产成本，另外，还提高了生产速度。在薄膜的背向流动介质的背面可通过一个足够大的开口截面保证其通气，使传感器元件在压力峰值出现时免受损坏。粘接道可同时用于传感器元件和传感器托座之间公差的补偿以及不同热膨胀系数的补偿。
通过在从属权利要求中介绍的措施可以有利地进一步构造和改善在独立权利要求中给出的测量装置。
尤其有利的是，粘接道伸展至用于与连接导线相连的连接件的下方区域，或者在此区域内设置了一个另外的粘接道，以保证在此连接件区域内可靠固定传感器元件，防止例如通过粘接安装连接导线时发生断裂。
还特别有利的是，在传感器托座中构成一个与传感器元件空室相连的凹槽，并且该凹槽没有被传感器元件完全覆盖。此凹槽可以通过例如深冲的方法制造，通过传感器托座的该凹槽保证了薄膜背面的通气。
在与传感器元件底表面相对的一个支承面上可以设置通过深冲制作的垫片，这些垫片根据精确定义的尺寸来确定传感器元件底表面和传感器托座之间的距离。当传感器托座上至少具有一个粘胶剂置换室时，还有利于在将传感器元件装入传感器托座的凹槽中时，将用于构成粘接道的粘胶剂多余部分挤入这些置换室中。通过这种方式阻止了粘胶剂粘附在不希望的位置上、特别是在薄膜下的空室中。通过使用弹性硅粘胶剂，既使在传感器元件和传感器托座的材料之间存在不同的热膨胀系数，也可减少其机械应变。
附图
在附图中简单介绍了本发明的实施例，并在以下的说明中进行了详细的介绍。如图所示：
图1示出了沿图2中I-I线，穿过按本发明的第一实施例的测量装置的截面图；
图2示出了按图1测量装置的俯视图；
图3示出了按照本发明第二实施例测量装置的俯视图；
图4示出了沿图3 IV-IV直线的截面图。
实施例说明
图1横向截面图中所示的传感器托座1是为板形传感器元件2设置的。传感器托座1和传感器元件2都是用于测量流动介质质量、特别是内燃机的吸入空气质量的未详细示出的测量装置的部件。
传感器托座1用于容纳和固定传感器元件2，该元件具有一个薄膜形的传感部分，其被构造为例如介电薄膜4的形式。传感器元件2，或者薄膜4可以通过对一种硅类半导体材料的腐蚀，并以所谓的显微机械构造方式制作出来，其中，在薄膜4的下方形成了一个空室5。为了测量流动介质质量在薄膜4上至少设置了一个与温度相关的测量用电阻6，并且至少设置了一个同样采用腐蚀制做的、未示出的热电阻。除了薄膜4以外，在传感器元件2上还可设置一个参考电阻。测量用电阻、热电阻和参考电阻可以通过导体条，利用置于以粘合—垫片(Bond-Pads)形成的连接件28上的导线10与一个未详细示出的电子调节电路连接，此电子调节电路以公知方式对传感器元件2上的电阻提供电流及电压并且对由电阻输出的电信号求值。调节电路可置于测量装置的壳体内或壳体外。
介电薄膜4例如由氮化硅和/或氧化硅构成，热电阻可以通过一种电阻层的形式构成，它在电流流过时被加热，并使薄膜4加热到超过待测量介质温度以上的温度。该热电阻可由金属或者由适量添加的硅而形成。测量用电阻和参考电阻可以由一个传导能力与温度相关变化的电阻层形成，适合电阻层的材料是金属或适量添加的硅。
传感器元件2为板状、例如矩形形状，有一个朝向流动介质并与流入图1绘图平面的介质平行的表面8，在此，例如矩形传感器元件2的一个短的侧面在流动方向9上伸展。介质流动方向9在图2中用相应的箭头标出，箭头所指从上到下。通过薄膜4上的热电阻使薄膜4的温度上升，超过流过介质的温度，由流过的介质基本上由于对流所排走的热电阻的热量与流动介质的质量有关，因此通过测量薄膜4的温度可以确定流动介质的质量。薄膜温度的测量可以通过测量用电阻6或测量热电阻的电阻值来进行。参考电阻用于补偿流动介质温度的影响。
传感器托座最好由金属构成，可由适合冲压、弯曲、折叠、深冲和压模的薄金属条折叠制成。在弯曲金属条的最终形状中两个同样大的部件14和15相互连接。以下将围绕传感器元件2但未被弯曲的部件14称为框架部件14；并将在其下面、被弯曲的部件15称为固定部件15。固定部件15在被弯曲180度的情况下覆盖未被弯曲框架部件14的一个开口16，以便与框架部件14一起围圈成一个凹槽17来容纳传感器元件2。框架部件14，或者说凹槽17具有一个大致与传感器元件2的矩形形状一致的横截面，由此，传感器元件2置于凹槽17之中，传感器元件的表面8大约与框架部件14的一个表面18对准。
在折叠金属条之前，可以借助作用在固定部件15外表面22上的一个工具，例如冲压工具，使固定部件15预制成在实施例横截面中凸出两个凸台20、21。凸台20和21在如图1所示横截面中分别由待详细说明的粘胶剂—置换室23、24、25围住。传感器托座1在朝向流动方向9的端面有一个削平49，用于改善入流特性和避免污物沉积。
根据本发明，板形传感器元件2借助沿粘接道26、27以粘接道形式置入的胶粘剂粘入传感器托座1的凹槽17中，如从图2、按照本发明的测量装置一部分的俯视图所更好地示出的，在所示实施例中设有2个粘接道26和27。第一个粘接道26在图1和图2所述实施例中被构造成十字形状，用于将传感器元件2粘在高台形的凸台20上。在高台形的凸台20范围内，在与传感器托座1的固定部件15相背的表面8上设有作为粘合—垫片(Bond-Pads)构造的连接部件28。用于传感器元件2的导体条和连接导线10的电连接。在此，第一个粘接道26用于在连接件28范围内传感器元件2的固定，以便保证可靠的粘合连接。
第二个粘接道27如图2所示，在图1和图2所述实施例中构成U形。第二个粘接道27用于在高台形凸台21的范围内传感器元件2的粘接。两个粘接道26、27分别在传感器元件2的底表面29与固定部件15的凸台20和21的表面31或30之间构成。
按照本发明，第二个粘接道27被如此构成，即它在传感器元件2的底面29和传感器托座1之间围绕空室5伸展，并且只在与流动方向相背的一侧通过一个留空40敞开。在图1和图2所述实施例中的粘接道被构造成U形，并具有对着流动方向9的部分41及两个顺着流动方向9的部分42和45。顺流动方向9的部分42和45形成了第二个粘接道27 U形的两个臂。留空40在图1和图2的实施例中在两个顺流动方向9的部分42和45之间伸展，即粘接道27在整个背向流动方向9的区域内断开。留空40用于传感器元件2的空室5的通气。这种通气是必要的，否则，待测量的流动介质中的静压力波动，特别是超压峰值可以导致介电薄膜4的损坏。在此，应防止流动介质沿薄膜4背面44流动，因为这样会对测量信号产生不希望的作用，导致不明确的、并且不可再现的测量结果。为此，按照发明建议应如此做粘接道27，使它围绕传感器元件2的空室5伸展，而只在背向流动方向9的一侧通过一个相应的留空40敞开。
留空40的开口截面在此定义了一个节流部位。此开口截面应根据目的如此确定：在薄膜4的面向流动介质的正面和背向流动介质，但面向空室5的薄膜4的反面44之间产生一种快速的、能够阻止损坏薄膜4的压力平衡。另一方面，留空40的开口截面尺寸应这样小，使得阻止、至少足够地压制在空室内的介质流。一方面，留空40开口截面通过在图2所示的留空40的宽度b得到确定，另一方面，通过在图1所示的粘接道27的厚度d得到确定。例如，粘接道厚度d可以通过垫片43a-43i来调整，这些垫片43a-43i可以采用冲压方法，利用一个作用在固定部件15外表面22上的针状工具来构造。另外，也可考虑在传感器元件2上采用适当的腐蚀方法形成垫片，或者将这些垫片做成具有恒定直径的精细小球分散在形成粘接道26和27的粘胶剂中。
粘接道26和27可采用一般计量方法制成细致的粘接材料道。适合的粘胶剂是在时效硬化后仍具有弹性的粘胶剂，特别是一种有弹性的硅酮粘胶剂，由此减少传感器元件2和传感器托座1之间的机械应变。机械应变的出现特别是由于主要由金属板做成的传感器托座1和主要用半导体材料制作的传感器元件2的不同热膨胀系数。在使用本发明的测量装置测量内燃机吸入空气质量时，其被测吸入空气温度根据车辆外部温度可以有很大波动。
已述粘胶剂—置换室23、24、和25在朝向流动方向9的一侧通过其它粘胶剂—置换室46和47相连接。粘胶剂—置换室23和24在图1和2所示的实施例中另外通过一个背离流动方向9的另外的粘胶剂一置换室48相连。在接合传感器元件2和传感器托座1时，多余的粘胶剂可漏到图1所示的粘胶剂—置换室23，24，25，46，47，48中。对此特别阻止了在接合传感器元件2和传感器托座1时将粘胶剂挤入空室5中，甚至挤至薄膜4的背面44。粘接道27应被这样安置，以保证避免将粘胶剂挤入空室5中，因为它会明显影响本发明测量装置的功能。
在图3和图4中示出了本发明测量装置的第二实施例。图3示出了本发明测量装置的俯视图；而图4示出了沿图3中IV-IV线的截面图。对已述部件的参考标记一致，以免重复详述。
与现有图1和图2所述实施例不同的一点在于，构造为一体的粘接道60围绕传感器元件2的空室5伸展形成G形。在此，粘接道60具有一个面向流动方向9的部分61，两个顺流动方向9的部分62和63以及一个背向流动方向9的部分64。背向流动方向9的部分64与顺流动方向9的部分62、63的连接是不完整的，在背向流动方向9的一侧有一个留空40。在图3所示实施例中，该留空40由粘接道60顺流动方向9的第一部分62伸展至背向流动方向9的部分64的一个自由端65。
然而，还可考虑留空40在其它位置将背向流动方向9的部分64断开的结构，也可在背向流动方向9的部分64上设置多个此类留空。顺流动方向的第二个部分63被这样加宽，使它伸至作为粘合—垫板构成的连接件28下方区域内，以便使连接件28区域内的传感器元件用粘胶剂衬底。由此保证在粘合连接时，传感器元件2有很高的断裂强度。另外，传感器元件2在连接件28的区域内通过粘接道60被很好地锁住，这样在使用弹性粘胶剂、如硅酮胶时，实现好的粘合连接。
在图3和图4所示实施例中，粘接道60可延伸至在框架部件14中构成的凹槽17的边缘。为了避免在传感器元件2同传感器托座1接合时，粘胶剂被挤入传感器元件2的空室5中，甚至到薄膜4上，在传感器托座1的固定部件15中采用深冲方法制成一个凹槽66。该凹槽66用作粘胶剂—置换室，容纳多余的粘胶剂，它还同时用于传感器元件2的空室5的通气。如图3所示，凹槽66主要被构造成L字形状，并穿过粘接道60的留空40伸展至该延长部分67，由此，该延长部分67不被传感器元件2所覆盖，它例如通过固定元件15内未示出的孔与被测流动介质相连通来平衡压力。

Claims (10)

1.用于测量沿流动方向(9)流动的介质质量、特别是内燃机的吸入空气质量的测量装置，带有一个板形传感器元件(2)，该传感器元件被安置在传感器托座(1)的一个凹槽(17)中并具有一个带测量元件(6)的薄膜(4)，此薄膜锁闭了在背向传感器托座(1)一侧传感器元件(2)中构成的空室(5)，其中，传感器元件(2)通过在传感器元件(2)的朝向传感器托座(1)的底表面(29)与传感器托座(1)之间的粘接连接被固定在凹槽(17)中，其特征是：
该粘接连接具有一个粘接道(27；60)，它在传感器元件(2)的底表面(29)与传感器托座(1)之间围绕传感器元件(2)的空室(5)伸展，并只在背向流动方向(9)的一侧通过至少一个留空(40)敞开，以便向空室(5)通气。
2.按照权利要求1所述的测量装置，其特征是：
粘接道(27)围绕空室(5)伸展形成U形，并具有一个面向流动方向(9)的部分(41)以及两个顺流动方向(9)的部分(42，45)。
3.按照权利要求1所述的测量装置，其特征是：
粘接道(60)围绕空室(5)伸展形成G形，并具有一个面向流动方向(9)的部分(61)，两个顺流动方向(9)的部分(62，63)，以及一个背向流动方向(9)的部分(64)，其中，背向流动方向(9)的部分(64)未完全将顺流动方向(9)的部分(62，63)连接起来。
4.按照权利要求1至3之一所述的测量装置，其特征是：
板形传感器元件(2)在背向传感器托座(1)的上表面(8)上具有一个连接连接导线(10)的连接件(28)，并在传感器元件(2)的底表面(29)和传感器托座(1)之间在与连接件(28)相对的区域内构造了一个另外的粘接道(26)。
5.按照权利要求4所述的测量装置，其特征是：
该另外的粘接道(26)被构造成十字形状。
6.按照权利要求1至3之一所述的测量装置，其特征是：
板形传感器元件(2)在背向传感器托座(1)的上表面(8)上具有一个连接连接导线(10)的连接件(28)，围绕空室(5)伸展的粘接道(27)，在传感器元件(2)的底表面(29)与传感器托座(1)之间伸展到与连接件(28)相对的区域内。
7.按照权利要求1至6之一所述的测量装置，其特征是：
在传感器托座(1)内构造了一个凹槽(66)，它与传感器元件(2)的空室(5)相连接，并且没有被传感器元件(2)完全覆盖。
8.按照权利要求1至7之一所述的测量装置，其特征是：
传感器托座(1)具有至少一个与传感器元件(2)的底表面(29)相对的粘胶剂—置换室(23，24，25，46，47，48；66)，在将传感器元件(2)装入传感器托座(1)的凹槽(17)中时，用于构造粘接道(26，27；60)的粘接剂多余部分可被挤入这些置换室中。
9.按照权利要求1至8之一所述的测量装置，其特征是：
粘接道(60)及粘接道(26，27)由一种弹性硅酮粘胶剂构成。
10.按照权利要求1至9之一所述的测量装置，其特征是：
至少在传感器托座(1)的一个与底表面(29)相对的支承面(30，31)上设置了突出的垫片(43a-43i)，它可确定传感器元件(2)的底表面(29)与传感器托座(1)之间的距离。
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