DE10162592A1 - Thermische Durchflussmessvorrichtung zur Erfassung einer Geschwindigkeit und Richtung eines Fluidflusses - Google Patents

Thermische Durchflussmessvorrichtung zur Erfassung einer Geschwindigkeit und Richtung eines Fluidflusses

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DE10162592A1
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Abstract

Eine Durchflussmessvorrichtung umfasst einen Heizwiderstand (30), ein Widerstandselement (23) zur Erfassung der Temperatur des Heizwiderstands (30) und ein anderes Widerstandselement (21) zur Erfassung der Geschwindigkeit des Fluidflusses. Der Heizwiderstand wird derart geregelt, dass die durch das Widerstandselement (23) erfasst Temperatur sich einer Referenztemperatur annähert, die auf der Grundlage der Temperatur des Fluidflusses bestimmt wird. Als Ergebnis wird die Temperatur der Stromaufwärtsseite des Heizwiderstands kleiner als die Referenztemperatur, während die Temperatur der Stromabwärtsseite des Heizwiderstands größer wird als die Referenztemperatur. Die Geschwindigkeit und die Richtung des Fluidflusses werden erfasst, indem die Temperatur des Widerstandselements (21), das auf der Stromaufwärtsseite oder der Stromabwärtsseite des Heizwiderstands angeordnet ist, mit der Referenztemperatur verglichen wird. Die vorliegende Durchflussmessvorrichtung ist gegen eine Vibration in dem Widerstand des Heizwiderstands geschützt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Durchflussmessvorrichtung zur Erfassung einer Fluidflussgeschwindigkeit.
Eine thermische Durchflussmessvorrichtung ist als eine Vorrichtung bekannt, die zur Erfassung der Flussgeschwindigkeit bzw. Strömungsgeschwindigkeit von Einlassluft in den Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs oder dergleichen verwendet wird. In dem Einlasssystem des Fahrzeugs pulsiert eine Luftansaugöffnung mit langen Perioden, wenn der Motor bei niedriger Geschwindigkeit unter schwerer Belastung arbeitet. Falls die Periode der Ansaugpulsation der Öffnungsperiode eines Einlassventils und eines Auslassventils entspricht, kann die Einlassluft über das Einlassventil in die Stromaufwärtsrichtung strömen bzw. fließen.
In der Druckschrift JP-A-H6-160142 ist eine thermische Durchflussmessvorrichtung vorgeschlagen, die nicht nur die Geschwindigkeit, sondern auch die Richtung des Einlassluftflusses bzw. der Einlassluftströmung erfasst. In der Durchflussmessvorrichtung sind zwei Widerstandselemente zur Erfassung der Flussgeschwindigkeit bei der Stromaufwärtsseite bzw. der Stromabwärtsseite eines Heizwiderstandes bereitgestellt. Die Richtung des Flusses bzw. der Strömung wird auf der Grundlage des Unterschieds zwischen durch die jeweiligen Widerstandselemente erfassten Temperaturen erfasst.
Wenn die Widerstandselemente bei der Stromaufwärtsseite und der Stromabwärtsseite des Heizwiderstands wie bei der Durchflussmessvorrichtung gemäß JP-A-H6-160142 angeordnet sind, sollte ein thermischer Leiter, wie beispielsweise eine Si3N4-Schicht, deren Bereich relativ groß ist, für einen Wärmeaustausch zwischen der Einlassluft, dem Heizwiderstand und den Widerstandselementen verwendet werden. Folglich ist die Erfassungsempfindlichkeit und Ansprechempfindlichkeit der Dürchflussmessvorrichtung relativ niedrig, da die Wärmekapazität des thermischen Leiters relativ hoch ist. Ferner umgibt die durch den Heizwiderstand erwärmte Luft das Widerstandselement auf der Stromabwärtsseite, und folglich variiert die Temperatur des Widerstandselements lediglich gering aufgrund der Temperatur der Einlassluft. Entsprechend ist die Erfassungsempfindlichkeit der Durchflussmessvorrichtung weiterhin relativ niedrig.
In der Druckschrift JP-A-2000-193505 (U.S. Anmeldung Nr. 09/421086) ist ebenso eine thermische Durchflussmessvorrichtung vorgeschlagen, die die Geschwindigkeit und die Richtung eines Fluidflusses erfasst. Die Durchflussmessvorrichtung umfasst ein Widerstandselement zur Erfassung der Flussgeschwindigkeit lediglich auf der Stromaufwärtsseite eines Heizwiderstands und zieht Nutzen aus einer Variation in der Temperaturverteilung in dem Heizwiderstand zur Erfassung der Geschwindigkeit und der Richtung des Flusses. Folglich kann die Durchflussmessvorrichtung einen thermischen Leiter einsetzen, der eine relativ niedrige Wärmekapazität aufweist, und daher sind ihre Erfassungsempfindlichkeit und ihre Ansprechempfindlichkeit verbessert.
Der Widerstand des Heizwiderstands kann jedoch aufgrund einer altersbedingten Veränderung variieren, wobei sich die Veränderung in dem Widerstand oftmals in den Ausgangseigenschaften der Durchflussmessvorrichtung zeigen. Ferner kann sich auf der Durchflussmessvorrichtung ablagernder Staub oder Schmutz durch Durchleiten eines hohen Stroms durch den Heizwiderstand nicht entfernt werden, da der Widerstand des Heizwiderstands in Reaktion auf den hohen Strom variiert. Folglich variieren altersbedingt die Ausgangseigenschaften der Durchflussmessvorrichtung weiter aufgrund des darauf abgelagerten Staubs oder Schmutzes.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Durchflussmessvorrichtung bereitzustellen, die die Flussgeschwindigkeit eines Fluids auf jeden Fall genau erfassen kann, sei es, dass das Fluid in die übliche Richtung oder dass es in die umgekehrte Richtung fließt bzw. strömt, und deren Ausgangseigenschaften altersbedingt lediglich gering variieren.
Weiterhin ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Durchflussmessvorrichtung bereitzustellen, bei der darauf abgelagerter Staub oder Schmutz durch Erwärmen entfernt werden kann.
Eine erfindungsgemäße Durchflussmessvorrichtung umfasst eine Fluidtemperaturerfassungseinrichtung, einen Heizwiderstand, eine Flussgeschwindigkeitserfassungseinrichtung, eine Heiztemperaturerfassungseinrichtung, eine Erfassungseinrichtung sowie eine Regelungseinrichtung. Die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung erfasst die Temperatur eines Fluidflusses. Die Flussgeschwindigkeitserfassungseinrichtung ist auf der Stromaufwärtsseite oder der Stromabwärtsseite des Heizwiderstands in Bezug auf den Fluidfluss angeordnet. Die Heiztemperaturerfassungseinrichtung erfasst die Temperatur des Heizwiderstands.
Die Regelungseinrichtung regelt die Temperatur des Heizwiderstands derart, dass die durch die Heiztemperaturerfassungseinrichtung erfasste Temperatur sich einer Referenztemperatur annähert, die auf der Grundlage der durch die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung erfassten Temperatur bestimmt wird. Als Ergebnis variiert die Temperatur der Flussgeschwindigkeitserfassungseinrichtung in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit und der Richtung des Fluidflusses. Die Erfassungseinrichtung erfasst die Geschwindigkeit und die Richtung des Fluidflusses auf der Grundlage der Temperatur der Flussgeschwindigkeitserfassungseinrichtung.
Vorzugsweise weist der Heizwiderstand eine Vielzahl von Vorsprüngen auf, die durch Umkehrteile in Reihe geschaltet sind und sich in eine Richtung erstrecken, wobei jeder der Vorsprünge zwei verlängerte Teile und einen dazwischen angeschlossenen Umkehrteil umfasst. Somit ist der Heizwiderstand derart ausgebildet, dass er eine vorbestimmte Breite in der Richtung aufweist, die parallel zu dem Fluidfluss ist. Die Flussgeschwindigkeitserfassungseinrichtung ist derart angeordnet, dass die Temperatur der Flussgeschwindigkeitserfassungseinrichtung niedriger als die Referenztemperatur ist, wenn das Fluid von der Flussgeschwindigkeitserfassungseinrichtung zu dem Heizwiderstand fließt, und die höher als die Referenztemperatur ist, wenn das Fluid von dem Heizwiderstand zu der Flussgeschwindigkeitserfassungseinrichtung fließt. Die Erfassungseinrichtung erfasst die Geschwindigkeit und die Richtung des Fluidflusses, indem die Temperatur der Flussgeschwindigkeitserfassungseinrichtung mit der Referenztemperatur oder der durch die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung erfassten Temperatur verglichen wird.
Die Erfindung ist zusammen mit zusätzlichen Aufgaben, Merkmalen und Vorteilen in der nachstehenden Beschreibung, den beigefügten Patentansprüchen sowie der beigefügten Zeichnung ausführlich beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1A eine Draufsicht des Sensorteils einer Durchflussmessvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Fig. 1B eine Querschnittsdarstellung der Fig. 1A, die entlang der Linie IB-IB entnommen ist,
Fig. 2A eine vergrößerte Darstellung eines Teils aus Fig. 1A,
Fig. 2B eine Querschnittsdarstellung der Fig. 2A, die entlang der Linie IIB-IIB entnommen ist,
Fig. 3 eine Darstellung eines Ersatzschaltbilds der Durchflussmessvorrichtung,
Fig. 4A einen Graphen der Temperaturverteilung in dem Heizwiderstand der Durchflussmessvorrichtung,
Fig. 4B eine schematische Darstellung eines Fig. 4A entsprechenden Heizwiderstands,
Fig. 5 einen Graphen der Beziehung zwischen der durch ein Widerstandselement zur Erfassung der Flussgeschwindigkeit erfassten Temperatur und der Luftflussgeschwindigkeit,
Fig. 6 einen Graphen der Beziehung zwischen der Luftflussgeschwindigkeit und der Veränderung in den Ausgangseigenschaften der Durchflussmessvorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel bzw. gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 7A-7C schematische Darstellungen eines Herstellungsvorgangs des Sensorsteils der Durchflussmessvorrichtung,
Fig. 8 eine schematische Darstellung des Sensorteils einer Durchflussmessvorrichtung gemäß einer Modifikation und
Fig. 9 eine schematische Darstellung des Sensorteils einer Durchflussmessvorrichtung gemäß einer weiteren Modifikation.
Die vorliegende Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel und Modifikationen beschrieben.
Eine Durchflussmessvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird bei einem Motor als eine Luftflussmessvorrichtung zur Messung einer Einlassluft eingebaut. Die Durchflussmessvorrichtung umfasst einen Sensorteil sowie eine externe Schaltung. Unter Bezugnahme auf die Fig. 1A und 1B umfasst der Sensorteil 10 ein Halbleitersubstrat 11, das aus Silizium oder dergleichen hergestellt ist. Eine untere isolierende Schicht 12 ist auf dem Substrat 11 ausgebildet, und ferner ist eine obere isolierende Schicht 13 auf der unteren isolierenden Schicht 12 ausgebildet. Unter Bezugnahme auf die Fig. 2A und 2B umfasst der Sensorteil 10 ferner einen Heizwiderstand 30, ein erstes Widerstandselement 20 als Fluidtemperaturerfassungseinrichtung, ein zweites Widerstandselement 22, ein drittes Widerstandselement 21 als Flussgeschwindigkeitserfassungseinrichtung und ein viertes Widerstandselement 23 als Heiztemperaturerfassungseinrichtung.
Die ersten und zweiten Widerstandselemente 20, 22 erfassen die Temperatur einer Einlassluft. Das dritte Widerstandselement 21 erfasst die Flussgeschwindigkeit der Einlassluft. Das vierte Widerstandselement 23 erfasst die Temperatur des Heizwiderstands 30.
Ein Hohlraum 11a ist in dem Substrat 11 ausgebildet, und die isolierenden Schichten 12, 13 decken ebenso den Hohlraum 11a des Substrats 11 ab. Die dritten und vierten Widerstandselemente 21, 23 und der Heizwiderstand 30 sind auf einem Abschnitt der ersten isolierenden Schicht 12 ausgebildet, der dem Hohlraum 11a entspricht. Die ersten und dritten Widerstandselemente 20, 21 und der Heizwiderstand 30 sind in dieser Reihenfolge in der Richtung des normalen Flusses angeordnet. Das heißt, das erste Widerstandselement 20 ist auf der Stromaufwärtsseite angeordnet, und der Heizwiderstand 30 ist auf der Stromabwärtsseite angeordnet.
Das erste Widerstandselement 20 zur Erfassung der Temperatur der Einlassluft ist auf geeignete Weise getrennt von dem Heizwiderstand 30 derart angeordnet, dass die Temperatur der Einlassluft erfasst wird, ohne durch die Temperatur des Heizwiderstands 30 beeinflusst zu werden. Das dritte Widerstandselement 21 zur Erfassung der Flussgeschwindigkeit ist auf der Stromaufwärtsseite des Heizwiderstands 30 angeordnet, wie es vorstehend beschrieben ist.
Der Heizwiderstand 30 weist eine Vielzahl von Vorsprüngen auf, die durch Umkehrteile in Reihe geschaltet sind und sich in die Richtung erstrecken, die senkrecht zu der Richtung des Flusses ist, wobei jeder der Vorsprünge zwei verlängerte Teile und einen dazwischen angeschlossenen Umkehrteil umfasst. Somit ist der Heizwiderstand 30 derart ausgebildet, dass er eine vorbestimmte Breite in der Richtung des Flusses aufweist. Das vierte Widerstandselement 23 weist ebenso eine Vielzahl von Vorsprüngen derart auf, dass es sich entlang dem Heizwiderstand 30 erstreckt. Somit ist das vierte Widerstandselement 23 in nächster Nähe zu dem Heizwiderstand 30 ausgebildet, um in der Lage zu sein, die Temperatur nahezu gleich zu der des Heizwiderstands 30 zu erfassen.
Die ersten, dritten und vierten Widerstandselemente 20, 21, 23 sowie der Heizwiderstand 30 sind mit der externen Schaltung über Anschlüsse 35 verbunden. Die Widerstandselemente 20-23, der Heizwiderstand 30 und die Anschlüsse 50 sind aus Platin oder dergleichen hergestellt.
Die ersten, dritten und vierten Widerstandselemente 20, 21, 23 sowie der Heizwiderstand 30 sind mit den isolierenden Schichten 12, 13 derart umhüllt, dass Wärme zwischen den Widerstandselementen 20, 21, 23 und dem Heizwiderstand 30 über die isolierenden Schichten 12, 13 ausgetauscht wird. Jede der unteren und oberen isolierenden Schichten 12, 13 ist eine Doppelschicht, die eine Si3N4-Schicht und eine SiO2-Schicht umfasst.
Die Si3N4-Schicht und die SiO2-Schicht sind als eine Schicht für eine Druckbeanspruchung bzw. als eine Schicht für eine Zugbeanspruchung geschaffen. Dadurch kann die Beanspruchung der Widerstandselemente 21-23 und des Heizwiderstands 30 verringert werden. Ferner ist der Heizwiderstand 30 in der Mitte des Teils der unteren isolierenden Schicht 12 angeordnet, der dem Hohlraum 11a des Substrats 11 entspricht. Folglich ist der Teil der isolierenden Schichten 12, 13, der dem Hohlraum 11a entspricht, gegenüber thermischer Beanspruchung geschützt und neigt nicht zu Umwicklungen aufgrund thermischer Veränderungen. Eine aus TlO2, Al2O3, Ta2O5, MgO oder dergleichen hergestellte Schicht kann anstelle der SiO2- Schicht verwendet werden.
In Fig. 3 ist ein Ersatzschaltbild der Durchflussmessvorrichtung gezeigt, die den Sensorteil 10 und die externe Schaltung umfasst. Die Durchflussmessvorrichtung umfasst eine Brückenschaltung, einen Komparator 43 und einen Transistor 44 als Regelungseinrichtung. Die Brückenschaltung umfasst das erste Widerstandselement 20, das vierte Widerstandselement 23 und feste Widerstände 41, 42, 60.
Der Widerstand des Heizwiderstands 30 und der Elemente 20, 23, 41, 42, 60 der Brückenschaltung ist so eingestellt, dass der Heizwiderstand 30 durch die die Brückenschaltung umfassende Regelungseinrichtung geregelt wird, um eine Referenztemperatur aufzuweisen, die um einen konstanten Temperaturunterschied höher als die durch das erste Widerstandselement 20 erfasste Temperatur ist. Das heißt, der Heizwiderstand 30 wird auf die Referenztemperatur geregelt, die in Abhängigkeit der durch das erste Widerstandselement 20 erfassten Temperatur variiert. Der Widerstand 60 weist einen Widerstand auf, dessen Temperaturkoeffizient niedrig ist, und er ist lediglich zur Einstellung des Temperaturkoeffizienten des Widerstands des Teils bereitgestellt, der das erste Widerstandselement 20 und den Widerstand 60 umfasst.
Wenn die durch das vierte Widerstandselement 23 erfasste Temperatur kleiner als die Referenztemperatur wird, nimmt der Widerstand des vierten Widerstandselements 23 ab. Dann wird ein Potentialunterschied zwischen Mittelpunkten 50, 51 der Brückenschaltung erzeugt, und als Folge wird der Transistor 44 durch das Ausgangssignal aus dem Komparator 43 eingeschaltet. Dadurch wird der Strom zu dem Heizwiderstand 30 eingeschaltet, woraufhin die Temperatur des Heizwiderstands 30 ansteigt. Daraufhin wird, wenn die Temperatur des Heizwiderstands 30, die durch das vierte Widerstandselement 23 erfasst wird, die Referenztemperatur erreicht, der Transistor 44 durch das Ausgangssignal aus dem Komparator 43 ausgeschaltet, wodurch der Strom zu dem Heizwiderstand 30 ausgeschaltet wird. Somit wird der Heizwiderstand 30 durch die die Brückenschaltung umfassende Regelungseinrichtung geregelt, um die Referenztemperatur aufzuweisen, die um den konstanten Temperaturunterschied höher als die durch das erste Widerstandselement 20 erfasste Temperatur ist.
Ferner bilden in der Durchflussmessvorrichtung das zweite und das dritte Widerstandselement 22, 21 gemeinsam mit einem festen Widerstand 62 und einer Verstärkungseinrichtung 46 und dergleichen eine Erfassungseinrichtung. Der Widerstand 62 weist einen Widerstand auf, dessen Temperaturkoeffizient gering ist, und ist lediglich zur Einstellung des Temperaturkoeffizienten des Widerstands des Teils bereitgestellt, der das zweite Widerstandselement 22 und den Widerstand 62 umfasst. Die Erfassungseinrichtung verstärkt das Potential des Mittelpunkts 52, das mit dem Verhältnis des Widerstands des dritten Widerstandselements 21 zu dem Widerstand des Teils variiert, der das zweite Widerstandselement 22 und den Widerstand 62 umfasst, durch den Verstärker 64 und gibt das verstärkte Potential aus.
Die Temperatur des dritten Widerstandselements 21 variiert in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit und der Richtung des Einlassluftflusses, woraufhin der Widerstand des dritten Widerstandselements 21 ebenso variiert. Als Ergebnis variiert ebenso das Ausgangssignal aus dem Verstärker 46. Die durch das dritte Widerstandselement 21 erfasste Temperatur variiert jedoch ebenso in Abhängigkeit von der Temperatur der Einlassluft. Das heißt, die durch das dritte Widerstandselement 21 erfasste Temperatur umfasst Informationen über die Temperatur der Einlassluft und Informationen über die Geschwindigkeit und die Richtung des Einlassluftflusses. Das zweite Widerstandselement 22 ist zur Eliminierung der Informationen über die Temperatur der Einlassluft aus der durch das dritte Widerstandselement 21 erfassten Temperatur bereitgestellt.
In Fig. 4A ist die Temperaturverteilung in dem Heizwiderstand 30 in Bezug auf die Referenztemperatur gezeigt. In Fig. 4B ist die positionale Entsprechung des Heizwiderstands 30 zu Fig. 4A gezeigt. Die Einlassluft kühlt die Stromaufwärtsseite des Heizwiderstands 30 mehr als die Stromabwärtsseite. Folglich wird in Reaktion auf den Einlassluftfluss die Temperatur der Stromaufwärtsseite kleiner als die Referenztemperatur. Daraufhin nimmt die Temperatur der Stromaufwärtsseite des vierten Widerstandselements 23 ab, und folglich nimmt ebenso der Widerstand des gesamten vierten Widerstandselements 23 ab.
Daraufhin wird der Transistor 44 eingeschaltet und der Strom zu dem Heizwiderstand 30 steigt an. Daraufhin wird die Temperatur der Stromabwärtsseite des Heizwiderstands 30 größer als die Referenztemperatur, während die Temperatur der Stromaufwärtsseite kleiner als die Referenztemperatur bleibt. In Reaktion auf den Anstieg der Temperatur der Stromabwärtsseite des Heizwiderstands 30 steigt die Temperatur der Stromabwärtsseite des vierten Widerstandselements 23 an. Daraufhin steigt der Widerstand der Stromabwärtsseite des vierten Widerstandselements 23 an, und folglich steigt der Widerstand des gesamten vierten Widerstandselements 23 ebenso an.
Die Wärme wird nicht einfach von der Stromabwärtsseite zu der Stromaufwärtsseite des Heizwiderstands 30 übertragen, da die Wärmeübertragungslänge des Heizwiderstands 30 von der Stromabwärtsseite zu der Stromaufwärtsseite relativ lang ist. Dementsprechend wird die Temperatur der Stromaufwärtsseite des Heizwiderstands kleiner als die Referenztemperatur gehalten, während die Temperatur der Stromabwärtsseite des Heizwiderstands größer als die Referenztemperatur gehalten wird.
Das dritte Widerstandselement 21 ist bei der Stromaufwärtsseite des Heizwiderstands 30 in Bezug auf den üblichen Fluss der Einlassluft angeordnet. Folglich erfasst das dritte Widerstandselement 21 die Temperatur nahezu gleich zu der Temperatur der Stromaufwärtsseite des Heizwiderstands 30. Folglich ist die durch das dritte Widerstandselement 21 erfasste Temperatur kleiner als die Referenztemperatur, wenn die Einlassluft in die übliche Richtung fließt, während sie höher als die Referenztemperatur ist, wenn die Einlassluft in die Umkehrrichtung fließt, wie es in Fig. 4A gezeigt ist.
In Fig. 5 ist die Beziehung zwischen der durch das dritte Widerstandselement 21 erfassten Temperatur und der Richtung sowie der Geschwindigkeit des Einlassluftflusses gezeigt. Es ist herausgefunden worden, dass der Unterschied zwischen der Referenztemperatur und der erfassten Temperatur ansteigt, wenn die Flussgeschwindigkeit Fall ansteigt, sei es, dass die Luft in die übliche Richtung oder dass sie in die Umkehrrichtung fließt. Der in Fig. 5 gezeigte Graph variiert in Abhängigkeit von der Temperatur der Einlassluft, da die Referenztemperatur in Abhängigkeit von der Temperatur der Einlassluft variiert, die durch die ersten und zweiten Widerstandselemente 20, 22 erfasst wird.
Die Richtung und die Geschwindigkeit des Einlassluftflusses kann durch Vergleichen der durch das dritte Widerstandselement 21 erfassten Temperatur mit der durch das erste Widerstandselement 20 erfassten oder durch das vierte Widerstandselement 23 erfassten Temperatur erfasst werden. Alternativ dazu werden die Potentiale bei den jeweiligen Mittelpunkten 50, 52 zu einer ECU gesendet, wobei die ECU die Richtung und die Geschwindigkeit des Einlassluftflusses erfasst, indem sie auf eine Abbildung Bezug nimmt, die zuvor gespeichert worden ist und Werte der Potentiale bei den Mittelpunkten 50, 52 mit der Geschwindigkeit und Richtung des Luftflusses in Bezug bringt.
Die Referenztemperatur wird auf einen geeigneten Wert auf der Grundlage der durch das erste Widerstandselement 20 erfassten Temperatur unter Berücksichtigung einer Veränderung in der Wärmeleitfähigkeit des Fluids zwischen dem Heizwiderstand 30 und dem dritten Widerstandselement 21 oder einem Trägerelement (Wärmeleiter), der den Heizwiderstand 30 und das dritte Widerstandselement 21 trägt, aufgrund einer Variation in der Temperatur des Fluids eingestellt. Somit ist die Referenztemperatur optimal eingestellt, so dass die Geschwindigkeit und die Richtung des Einlassluftflusses unabhängig von der Variation in der Temperatur des Fluidflusses lediglich auf der Grundlage der durch das dritte Widerstandselement 21 erfassten Temperatur genau erfasst werden kann.
Bei der vorliegenden Durchflussmessvorrichtung muss das Widerstandselement 21 zur Erfassung der Flussgeschwindigkeit lediglich bei der einen Seite des Heizwiderstands 30 angeordnet sein, und somit kann der Sensorteil 10 miniaturisiert werden und eine niedrige Wärmekapazität aufweisen. Ferner wird die Referenztemperatur auf der Grundlage der Temperatur der Einlassluft derart eingestellt, dass der Unterschied zwischen der Temperatur des dritten Widerstandselements 21 und der Referenztemperatur eindeutig beobachtet werden kann. Folglich ist die vorliegende Durchflussmessvorrichtung empfindlich und reagiert auf die Geschwindigkeit und die Richtung des Einlassluftflusses.
In Fig. 6 ist die Beziehung zwischen der Flussgeschwindigkeit der Einlassluft und einer Variation in den Ausgangseigenschaften der Durchflussmessvorrichtung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel bzw. gemäß dem Stand der Technik gezeigt. Es ist herausgefunden worden, dass die Ausgangseigenschaften der vorliegenden Durchflussmessvorrichtung lediglich gering in Abhängigkeit von der Flussgeschwindigkeit der Einlassluft variieren.
Ferner ist in der vorliegenden Durchflussmessvorrichtung der Heizwiderstand 30 auf die Referenztemperatur auf der Grundlage der Temperatur des Heizwiderstands 30, die durch das vierte Widerstandselement 23 erfasst ist, und der Temperatur der Einlassluft, die durch das erste Widerstandselement 21 erfasst ist, geregelt. Folglich kann der Heizwiderstand 30 auf die richtige Referenztemperatur geregelt werden, selbst wenn der Widerstand des Heizwiderstands 30 aufgrund einer Veränderung oder dergleichen variiert. Das heißt, die Ausgangseigenschaften der vorliegenden Durchflussmessvorrichtung variieren altersbedingt lediglich gering. Außerdem können bei der vorliegenden Durchflussmessvorrichtung auf dem Sensorteil 10 abgelagerter Staub oder Schmutz entfernt werden, indem ein hoher Strom durch den Heizwiderstand 30 geleitet wird. Folglich wird die altersbedingte Variation der Ausgangseigenschaften der Durchflussmessvorrichtung weiter unterdrückt.
Der Sensorteil 10 wird wie nachstehend beschrieben hergestellt. Unter Bezugnahme auf Fig. 7 A wird ein Siliziumsubstrat 11, auf dessen Unterseite eine SiN4- Schicht 14 ausgebildet ist, hergestellt. Dann werden die Si3N4-Schicht und die SiO2-Schicht auf dem Siliziumsubstrat 11 ausgebildet. Somit ist die untere isolierende Schicht 12 ausgebildet. Als Nächstes wird eine Ti-Schicht von 50 Å auf der unteren isolierenden Schicht 12 als eine adhesive Schicht ausgebildet. Daraufhin wird Pt auf der adhesiven Schicht unter Verwendung eines Vakuumverdampfers bei 200°C aufgebracht, so dass eine Pt-Schicht von 2000 Å ausgebildet wird. Die Pt-Schicht wird geätzt, um die Widerstandselemente 20-23, den Heizwiderstand 30 und die Anschlüsse 35 zu definieren. Anstelle von Pt können NiCr, TaN, SiC, W oder dergleichen verwendet werden.
Unter Bezugnahme auf Fig. 78 werden die Si3N4-Schicht und die SiO2-Schicht auf der isolierenden Schicht 12 und über den Widerstandselementen 21-23, dem Heizwiderstand 30 und den Anschlüssen 35 ausgebildet. Somit ist die obere isolierende Schicht 13 ausgebildet. Die obere isolierende Schicht 13 wird durch Ätzen teilweise entfernt, sodass die Anschlüsse 35 freigelegt sind.
Unter Bezugnahme auf Fig. 7C wird die SiN4-Schicht 14 auf der Unterseite des Substrats 11 durch Ätzen teilweise entfernt, so dass ein Teil der Unterseite des Substrats 11 freigelegt ist. Die Teile der resultierenden Struktur, die von den freigelegten Teilen verschieden sind, werden mit einer Si3N4-Schicht oder einer SiO2-Schicht bedeckt. Daraufhin kann der Hohlraum 11a ausgebildet werden, wenn das Substrat 11 von seiner Unterseite unter Verwendung einer TMAH-Lösung anisotrop geätzt wird. Der Hohlraum 11a kann jedoch auf eine Weise ausgebildet werden, die von dem anisotropen Ätzen unter Verwendung der TMAH-Lösung verschieden ist. Somit ist die Durchflussmessvorrichtung vervollständigt.
(Modifikationen)
In dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel können sich, wie es in Fig. 8 gezeigt ist, die Vorsprünge des Heizwiderstands 30 in die Richtung erstrecken, die parallel zu der Richtung des Flusses ist, anstatt in die Richtung, die senkrecht zu der Richtung des Flusses ist. In diesem Fall weist der Heizwiderstand 30 ebenso eine vorbestimmte Breite in der Richtung des Flusses auf, wobei die Vorsprünge des vierten Widerstandselements 23 sich in die Richtung erstrecken sollten, die parallel zu der Richtung des Flusses entlang dem Heizwiderstand 30 ist.
Ferner kann in dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel das vierte Widerstandselement 23 auf der oberen isolierenden Schicht 13 ausgebildet sein, wie es in Fig. 9 gezeigt ist. In diesem Fall ist ferner eine oberste isolierende Schicht 15 auf der oberen isolierenden Schicht 13 ausgebildet, wobei das Widerstandselement 23 über dem Heizwiderstand 30 angeordnet ist, so dass es entlang der Oberseite des Heizwiderstands 30 verläuft. Somit ist das Widerstandselement 23 näher zu dem Heizwiderstand 30 als in dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel angeordnet. Folglich kann das Widerstandselement 23 die Temperatur des Heizwiderstands 30 genauer als in dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel erfassen.
Gemäß der vorliegenden Modifikation können der Heizwiderstand 30 und das vierte Widerstandselement 23 entgegengesetzt angeordnet sein. Das heißt, der Heizwiderstand 30 kann bei der oberen isolierenden Schicht 13 ausgebildet sein und das vierte Widerstandselement 23 kann bei der unteren isolierenden Schicht 12 ausgebildet sein.
Gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel variiert die durch das dritte Widerstandselement 21 erfasste Temperatur ebenso in Abhängigkeit von der Entfernung zwischen dem dritten Widerstandselement 21 und dem Heizwiderstand 30. Wenn die Entfernung relativ lang ist, kann die durch das dritte Widerstandselement 21 erfasste Temperatur kleiner als die Referenztemperatur sein, auch wenn das dritte Widerstandselement 21 auf der Stromabwärtsseite des Heizwiderstands 30 angeordnet ist. Folglich kann die Referenztemperatur entsprechend der Entfernung zwischen dem dritten Widerstandselement 21 und dem Heizwiderstand 30 modifiziert werden.
In den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel und Modifikationen kann jede der isolierenden Schichten 12, 13, 15 eine Monolagen-Schicht oder eine Multilagen- Schicht sein.
Die erfindungsgemäße Durchflussmessvorrichtung kann in einer Vorrichtung eingebaut sein, die zu einem Motor verschieden ist, und zur Erfassung der Flussgeschwindigkeit eines Fluids verwendet werden, das zu Luft verschieden ist.
Wie es vorstehend beschrieben ist, umfasst eine Durchflussmessvorrichtung einen Heizwiderstand 30, ein Widerstandselement 23 zur Erfassung der Temperatur des Heizwiderstands 30 und ein anderes Widerstandselement 21 zur Erfassung der Geschwindigkeit des Fluidflusses. Der Heizwiderstand wird derart geregelt, dass die durch das Widerstandselement 23 erfasste Temperatur sich einer Referenztemperatur annähert, die auf der Grundlage der Temperatur des Fluidflusses bestimmt wird. Als Ergebnis wird die Temperatur der Stromaufwärtsseite des Heizwiderstands kleiner als die Referenztemperatur, während die Temperatur der Stromabwärtsseite des Heizwiderstands größer wird als die Referenztemperatur. Die Geschwindigkeit und die Richtung des Fluidflusses werden erfasst, indem die Temperatur des Widerstandselements 21, das auf der Stromaufwärtsseite oder der Stromabwärtsseite des Heizwiderstands angeordnet ist, mit der Referenztemperatur verglichen wird. Die vorliegende Durchflussmessvorrichtung ist gegen eine Variation in dem Widerstand des Heizwiderstands geschützt.

Claims (6)

1. Durchflussmessvorrichtung zur Erfassung einer Geschwindigkeit und einer Richtung eines Fluidflusses mit:
einer Fluidtemperaturerfassungseinrichtung (20) zur Erfassung einer Temperatur des Fluidflusses,
einem Heizwiderstand (30),
einer Flussgeschwindigkeitserfassungseinrichtung (21), die bei einer Seite einer Stromaufwärtsseite und einer Stromabwärtsseite des Heizwiderstands (30) in Bezug auf den Fluidfluss angeordnet ist, zur Erfassung der Geschwindigkeit des Fluidflusses und
einer Erfassungseinrichtung (21, 22, 46, 62) zur Erfassung der Geschwindigkeit und der Richtung des Fluidflusses, gekennzeichnet durch
eine Heiztemperaturerfassungseinrichtung (23) zur Erfassung einer Temperatur des Heizwiderstands (30) und
eine Regelungseinrichtung (20, 23, 41, 42, 43, 44, 60) zur Regelung der Temperatur des Heizwiderstands (30) derart, dass die durch die Heiztemperaturerfassungseinrichtung (23) erfasste Temperatur sich einer Referenztemperatur annähert, die auf der Grundlage der durch die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung (20) erfassten Temperatur bestimmt wird, wobei die Durchflussmessvorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass
eine Temperatur der Flussgeschwindigkeitserfassungseinrichtung (21) in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit und der Richtung des Fluidflusses variiert und
die Erfassungseinrichtung (21, 22, 46, 62) die Geschwindigkeit und die Richtung des Fluidflusses auf der Grundlage der Temperatur der Flussgeschwindigkeitserfassungseinrichtung (21) erfasst.
2. Durchflussmessvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizwiderstand (30) eine vorbestimmte Breite in der Richtung aufweist, die parallel zu dem Fluidfluss ist, so dass ein Zustand, in dem eine Temperatur der Stromaufwärtsseite des Heizwiderstands (30) kleiner als die Referenztemperatur ist und eine Temperatur der Stromabwärtsseite des Heizwiderstands (30) größer als die Referenztemperatur ist, aufrechterhalten wird, wobei die Temperatur der Flussgeschwindigkeitserfassungseinrichtung (21) aufgrund einer Variation in einer Temperaturverteilung in dem Heizwiderstand (30) in Reaktion auf eine Änderung in der Richtung des Fluidflusses variiert.
3. Durchflussmessvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizwiderstand (30) eine Vielzahl von Vorsprüngen aufweist, die durch Umkehrteile in Reihe geschaltet sind und die sich in eine Richtung erstrecken, wobei jeder der Vielzahl von Vorsprüngen zwei verlängerte Teile und einen dazwischen angeschlossenen Umkehrteil aufweist.
4. Durchflussmessvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Heiztemperaturerfassungseinrichtung (23) eine Vielzahl von Vorsprüngen aufweist, die durch Umkehrteile in Reihe geschaltet sind und die sich entlang dem Heizwiderstand (30) erstrecken, wobei jeder der Vielzahl von Vorsprüngen zwei verlängerte Teile und einen dazwischen angeschlossenen Umkehrteil aufweist.
5. Durchflussmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Flussgeschwindigkeitserfassungseinrichtung (21) derart angeordnet ist, dass die Temperatur der Flussgeschwindigkeitserfassungseinrichtung (21) kleiner als die Referenztemperatur ist, wenn das Fluid von der Flussgeschwindigkeitserfassungseinrichtung (21) zu dem Heizwiderstand (30) fließt, und größer als die Referenztemperatur ist, wenn das Fluid von dem Heizwiderstand (30) zu der Flussgeschwindigkeitserfassungseinrichtung (21) fließt.
6. Durchflussmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (21, 22, 46, 62) die Geschwindigkeit und die Richtung des Fluidflusses erfasst, indem die Temperatur der Flussgeschwindigkeitserfassungseinrichtung (21) mit einer Temperatur der Referenztemperatur und der durch die Fluidtemperaturerfassungseinrichtung (20) erfassten Temperatur verglichen wird.
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