DE102005038538A1

DE102005038538A1 - Heißfilmluftmassenmesser mit selbstreinigender Oberfläche

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Publication number: DE102005038538A1
Application number: DE200510038538
Authority: DE
Inventors: Erhard Renninger; Bernhard Opitz; Klaus Reymann; Ulrich Wagner; Christoph Gmelin; Axel Franke
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-08-16
Filing date: 2005-08-16
Publication date: 2007-02-22

Abstract

Es wird ein Heißfilmluftmassenmesser zur Messung eines mit einer Hauptströmungsrichtung (214) strömenden Luftmassenstroms vorgeschlagen. Derartige Heißfilmluftmassenmesser lassen sich insbesondere im Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine einsetzen. Der Heißfilmluftmassenmesser weist einen Sensorchip (210) mit einer Chipoberfläche (212) auf, welche wiederum eine Messoberfläche (216) und eine umgebende Festlandsoberfläche (218) aufweist. Mindestens ein erster Punkt auf der Chipoberfläche (212) ist konstruktiv derart ausgestaltet, dass dieser eine geringere Benetzbarkeit für Flüssigkeitstropfen (110), insbesondere lipide Flüssigkeitstropfen (110) aufweist als mindestens ein zweiter Punkt auf der Chipoberfläche (212). Dabei sollen der mindestens eine erste Punkt und der mindestens eine zweite Punkt derart angeordnet sein, dass auf einem Flüssigkeitstropfen (110), welcher den mindestens einen ersten Punkt und den mindestens einen zweiten Punkt auf der Chipoberfläche (212) bedeckt, eine von der Messoberfläche (216) wegweisende Kraft ausgeübt wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Heißfilmluftmassenmesser mit einer selbstreinigenden Oberfläche. Derartige Heißfilmluftmassenmesser werden insbesondere zur Messung von Luftmassenströmen im Ansaugtrakt von Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt.

Bei vielen Prozessen, beispielsweise auf dem Gebiet der Verfahrenstechnik, Chemie oder dem Maschinenbau, muss definiert eine Gasmasse, insbesondere eine Luftmasse, zugeführt werden. Hierzu zählen insbesondere Verbrennungsprozesse, welche unter geregelten Bedingungen ablaufen. Ein wichtiges Beispiel ist dabei die Verbrennung von Kraftstoff in Verbrennungskraftmaschinen von Kraftfahrzeugen, insbesondere mit anschließender katalytischer Abgasreinigung. Zur Messung des Luftmassendurchsatzes werden dabei verschiedene Typen von Sensoren eingesetzt.

Ein aus dem Stand der Technik bekannter Sensortyp ist der so genannte Heißfilmluftmassenmesser (HFM), welcher beispielsweise in DE 196 01 791 A1 in einer Ausführungsform beschrieben ist. Bei derartigen Heißfilmluftmassenmessern wird üblicherweise eine dünne Sensormembran auf einen Sensorchip, beispielsweise einen Silizium-Sensorchip, aufgebracht. Auf der Sensormembran ist typischerweise mindestens ein Heizwiderstand angeordnet, welcher von zwei oder mehr Temperaturwiderständen umgeben ist. In einem Luftstrom, welcher über die Membran geführt wird, ändert sich die Temperaturverteilung, was wiederum von den Temperaturfühlern erfasst werden kann. Somit kann, z.B aus der Widerstandsdifferenz der Temperaturfühler, ein Luftmassenstrom bestimmt werden. Verschiedene andere Varianten dieses Sensortyps sind aus dem Stand der Technik bekannt. Derartige Sensoren werden beispielsweise direkt im Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine oder in einem Bypasskanal eingesetzt. Ein Ausführungsbeispiel, in welchem ein Sensorchip in einem Bypasskanal eingesetzt wird, ist beispielsweise in DE 103 48 400 A1 beschrieben.

Eine beispielsweise aus DE 101 11 840 C2 bekannte Problematik bei diesem Typ von Sensoren besteht jedoch darin, dass häufig Kontaminationen des Sensorchips auftreten können, beispielsweise durch Öl. Der Sensorchip wird üblicherweise direkt im Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine oder in einem Bypasskanal zum Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine eingesetzt. Dabei kann sich im Betrieb oder kurz nach dem Abschalten der Verbrennungskraftmaschine Öl auf dem Sensorchip und dabei insbesondere auf der Sensormembran niederschlagen. Dieser Ölniederschlag kann zu einer unerwünschten Messsignalbeeinflussung des Sensorchips führen, insbesondere da ein Ölfilm auf der Oberfläche des Sensorchips auf die Wärmeleitfähigkeit der Oberfläche einwirkt, was zu Verfälschungen der Messsignale oder einer Signaldrift führt.

Es ist bekannt, dass Flüssigkeiten auf Oberflächen mit einem Temperaturgradienten eine Kraft in Richtung kälterer Regionen erfahren (siehe z.B. V.G. Levich, „Physicochemical Hydrodynamics," Prentice-Hall, N.J., 1962, S. 384 f. Dies ist einer der Gründe, warum sich beim Betrieb eines thermischen Luftmassenmessers am Grenzbereich des beheizten Messbereichs Flüssigkeiten wie z.B. Öl ansammeln und so mit der Zeit zu einer Drift des Messsignals des Heißfilmluftmassenmessers führen. Die Luftströmung treibt an der Oberfläche befindliche Flüssigkeitstropfen und andere Verunreinigungen bis zur Begrenzung des beheizten Messbereichs, an welcher ein starker Temperaturgradient auftritt. Dort bewirkt der starke Temperaturgradient eine Gegenkraft zur Kraft durch die Luftströmung. An der Grenzlinie sammeln sich somit Flüssigkeitstropfen an, welche bei Erreichen einer gewissen Größe leicht wieder vom Luftstrom mitgenommen werden können, um dann die Oberfläche des Messbereichs zu kontaminieren.

Zur Lösung der beschriebenen Problematik schlägt DE 198 47 303 A1 ein Sensorelement oder ein Aktorelement mit einer antiadhäsiven Oberflächenbeschichtung vor. Die Oberflächenbeschichtung erfolgt beispielsweise durch Tauchen, Spritzen, Spincoaten oder ähnliche großflächig auftragende Prozesse, so dass sich eine großflächige Oberflächenbeschichtung auf dem Sensorelement ausbildet. Als antiadhäsive Beschichtungen werden insbesondere fluorierte Polymere vorgeschlagen. Allerdings löst die in DE 198 47 303 A1 vorgeschlagene Anordnung die eingangs beschriebene Problematik nur unvollständig. So treten im Betrieb trotz der antiadhäsiven Beschichtung Ölkontaminationen auf, welche sehr ungleichmäßig auf der Oberfläche des Sensorelementes verteilt sind. Letzteres ist insbesondere wiederum auf die beschriebenen Thermogradienteneffekte zurückzuführen. Zudem bewirkt das Aufbringen einer antiadhäsiven Beschichtung in manchen Fällen eine Verschlechterung der Sensoreigenschaften, beispielsweise eine Verringerung der Sensorsensitivität infolge der Zwischenlagerung der antiadhäsive Beschichtung zwischen Leiterbahnen des Sensors und dem Luftmassenstrom.

Vorteile der Erfindung

Es wird daher erfindungsgemäß ein Heißfilmluftmassenmesser sowie ein Verfahren zur Herstellung dieses Heißfilmluftmassenmessers vorgeschlagen, welche die Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Heißfilmluftmassenmesser und Verfahren zur Herstellung derselben vermeiden. Insbesondere wird ein Heißfilmluftmassenmesser vorgeschlagen, welcher selbstreinigende Oberflächeneigenschaften aufweist und somit eine Oberflächenkontamination entweder ganz verhindert, verringert oder dafür sorgt, dass bereits auf der Oberfläche niedergeschlagene Kontaminationen beseitigt werden.

Der vorgeschlagene Heißfilmluftmassenmesser weist einen Sensorchip mit einer Chipoberfläche auf. Beispielsweise kann der Luftmassenstrom im Wesentlichen parallel über die Chipoberfläche strömen, wobei auch leichte Abweichungen von einer parallelen Strömung tolerierbar sind, beispielsweise Abweichungen unter 10°. Der Heißfilmluftmassenmesser kann beispielsweise zum Messen von Luftmassenströmen unmittelbar im Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine eingesetzt werden, oder auch in einem Bypass-Kanal des Ansaugtraktes. Was unter dem Begriff „Hauptströmungsrichtung" zu verstehen ist, ist somit abhängig vom Einsatzort. Beim Einsatz im Ansaugtrakt kann hierunter insbesondere die Strömungsrichtung im Leitungsrohr des Ansaugtraktes verstanden werden. Beim Einsatz in einem Bypass-Kanal, welcher abschnittsweise gekrümmt sein kann, soll „Hauptströmungsrichtung" im Wesentlichen die Transportrichtung des Luftmassenstromes in dem Teilabschnitt des Bypass-Kanals verstanden werden, in welchem der Heißfilmluftmassenmesser, insbesondere der Sensorchip, angeordnet ist. Insgesamt kann unter einer „Hauptströmungsrichtung" somit jeweils die Haupt-Transportrichtung des Luftmassenstromes am Ort des Sensorchips verstanden werden. Dabei sollen lokale Verwirbelungen vernachlässigt werden.

Die Chip-Oberfläche soll eine Messoberfläche und eine umgebende Festlandsoberfläche aufweisen. Dabei können als Sensorchip grundsätzlich alle aus dem Stand der Technik bekannten Sensorchips eingesetzt werden, beispielsweise die in DE 196 01 798 A1 vorgeschlagenen Sensorchips. Grundsätzlich können jedoch auch andere Arten von Heißfilmluftmassenmesser-Sensorchips eingesetzt werden. Wesentlich ist dabei jedoch das Vorhandensein einer Messoberfläche auf dem Sensorchip. Diese Messoberfläche kann sich beispielsweise gegenüber der umgebenden Festlandsoberfläche dadurch auszeichnen, dass der Sensorchip im Bereich der Messoberfläche eine erhebliche geringere transversale thermische Leitfähigkeit aufweist als im umgebenden Bereich des Sensorchips. Insbesondere sollte der Sensorchip im Bereich der Messoberfläche eine um mindestens eine Größenordnung geringere transversale thermische Leitfähigkeit aufweisen als im umgebenden Bereich des Sensorchips. Beispielsweise kann der Sensorchip im Bereich der Messoberfläche eine transversale Leitfähigkeit von 0,1 bis 2 W/m K aufweisen, im Vergleich zu Luft mit 0,026 W/m K und einem umgebenden Silizium-Festland von 156 W/m K. Dies lässt sich beispielsweise, wie bei dem in der DE 196 01 791 A1 beschriebenen Sensorschip mittels einer Silizium-Membran realisieren, welche, da hier die transversale thermische Leitfähigkeit im Wesentlichen durch die Umgebungsluft bestimmt ist, im Vergleich zum umgebenden Silizium-Festland eine erheblich geringere transversale thermische Leitfähigkeit aufweist. Es lassen sich jedoch auch andere Vorrichtungen einsetzen, bei denen der Messbereich eine stark verringerte transversale thermische Leitfähigkeit hat. Beispielsweise lässt sich der Messbereich des Sensorchips porös ausgestalten, wobei die Poren eine Verringerung der thermischen Leitfähigkeit bewirken.

Die Messoberfläche des Sensorchips kann insbesondere ein oder mehrere Messelemente aufweisen, welche die Funktionalität des Heißfilmluftmassenmessers ausmachen. So kann beispielsweise die Messoberfläche des Sensorchips mindestens ein Heizelement und mindestens zwei Temperaturfühler aufweisen, welche zum Beispiel als im Wesentlichen Parallele, sich im Wesentlichen senkrecht zur Hauptströmungsrichtung erstreckende Leiterbahnen ausgestaltet sind. Auch andere Ausgestaltungen dieser Leiterbahnen sind möglich. Beispielsweise sind leichte Verkippungen der einzelnen Leiterbahnen gegeneinander möglich. Unter „im Wesentlichen parallel" ist hierbei vorzugsweise eine Verkippung von nicht mehr als ± 3° zu verstehen. Unter „im Wesentlichen senkrecht" ist dabei zu verstehen, dass ein Winkel der Leiterbahnen von 90° zur Hauptströmungsrichtung bevorzugt ist, wobei jedoch wiederum Winkeltoleranzen von bis zu ca. 5°, vorzugsweise von bis zu 2°, noch tolerabel sind.

Wie eingangs beschrieben, treten bei den aus dem Stand der Technik bekannten Heißfilmluftmassenmessern insbesondere Probleme am Übergang zwischen der Messoberfläche und der umgebenden Festlandoberfläche auf, da sich im Betrieb des Heißfilmluftmassenmessers in diesem Bereich ein Temperaturgradient bildet. Dieser Temperaturgradient kann im Betrieb des Heißfilmluftmassenmessers eine Ansammlung von Flüssigkeiten wie zum Beispiel Wasser oder lipiden Flüssigkeiten (zum Beispiel Öl) im Bereich dieses Übergangs führen. Diese Ausbildung eines Flüssigkeitswalls führt, wie oben beschrieben, zu Instabilitäten, Messsignaldrift und anderen Problemen.

Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, die Chipoberfläche des Sensorchips konstruktiv derart auszugestalten, dass Flüssigkeitstropfen, insbesondere lipide Flüssigkeitstropfen (wie beispielsweise Öl) aufgrund inhomogener Benetzbarkeit der Chipoberfläche eine resultierende Kraft erfahren, durch welche die Flüssigkeitstropfen von der Messoberfläche verdrängt werden. Dies kann durch Ausnutzung eines Effektes erfolgen, welcher beispielsweise in M.K. Chaudhury and G.M. Whitesides: „How to Make Water Run Uphill", Science, vol. 256, June 1992 oder in T. Yasuda, K. Suzuki, and I. Shimoyama: „Automatic transportation of a droplet on a wettability gradient surface", 7th International Conference on Miniaturized Chemical and Biochemical Analysis Systems, October 5-9, 2003, Sqaw Valley, California, USA, S. 1129-1132, beschrieben ist. Dieser Effekt beruht, im Gegensatz zu den eingangs bereits beschriebenen Thermogradientenkäften, auf einem Gradienten in den chemischen bzw. physikalischen Oberflächeneigenschaften der Chipoberfläche selbst. In diesem Sinne ist der Ausdruck „konstruktiv" zu verstehen. Der Effekt, bei welchem eine Kraft auf ein Flüssigkeitströpfchen auf der Oberfläche mit inhomogenen Oberflächeneigenschaften ausgeübt wird, beruht auf einem Ungleichgewicht zwischen Oberflächenkräften, welche auf gegenüberliegende Seiten der Tröpfchenkante ausgeübt werden. Dieses Ungleichgewicht der Kräfte führt zu einer resultierenden Gesamtkraft.

Die erfindungsgemäße Chipoberfläche weist dementsprechend mindestens einen ersten Punkt auf, in welchem die Chipoberfläche konstruktiv eine geringere Benetzbarkeit für Flüssigkeitstropfen, insbesondere lipide Flüssigkeitstropfen aufweist als in mindestens einem zweiten Punkt auf der Chipoberfläche. Unter „Punkt" ist dabei kein mathematischer Punkt, sondern ein kleiner Oberflächenbereich zu verstehen, beispielsweise ein Oberflächenbereich mit einer lateralen Ausdehnung von 10 μm. Der mindestens eine erste Punkt und der mindestens eine zweite Punkt sind dabei derart angeordnet, dass auf einen Flüssigkeitstropfen, welcher den mindestens einen ersten Punkt und den mindestens einen zweiten Punkt auf der Chipoberfläche gleichzeitig bedeckt, eine von der Messoberfläche wegweisende Kraft ausgeübt wird. Unter „Bedeckung" ist dabei, im Falle dass es sich bei dem „Punkt" um einen Oberflächenbereich handelt, sinngemäß auch eine teilweise Bedeckung als ausreichend zu erachten. Diese Anordnung der beiden Punkte kann dabei beispielsweise so gewählt werden, dass eine Verbindungslinie zwischen dem ersten Punkt und dem zweiten Punkt von der Messoberfläche weg weist. Unter „weg Weisen" soll dabei verstanden werden, dass eine Kraftkomponente auf den Flüssigkeitstropfen ausgeübt wird, welche den Flüssigkeitstropfen von der Messoberfläche verdrängt.

Bei der Betrachtung der Benetzbarkeit sollen dabei die gegebenenfalls auf der Messoberfläche angeordneten Leiterbahnen vorzugsweise unberücksichtigt bleiben. Zur Quantifizierung und Definition der „Benetzbarkeit" kann dabei beispielsweise ein Kontaktwinkel der Flüssigkeitstropfen auf der Chipoberfläche herangezogen werden. So bedeutet ein kleinerer Kontaktwinkel eine bessere Benetzbarkeit als ein großer Kontaktwinkel. Somit weist der Flüssigkeitstropfen in dem mindestens einen ersten Punkt auf der Chipoberfläche einen größeren Kontaktwinkel auf als in dem mindestens einen zweiten Punkt auf der Chipoberfläche. Unter dem „Kontaktwinkel" soll dabei insbesondere der effektive Kontaktwinkel verstanden werden, also ein Kontaktwinkel, welcher nicht nur theoretische Oberflächenenergien berücksichtigt, sondern auch Oberflächenrauheit, also ein makroskopisch beobachteter Kontaktwinkel.

Der mindestens eine erste Punkt auf der Chipoberfläche und der mindestens eine zweite Punkt auf der Chipoberfläche sind dabei vorzugsweise im Vergleich zu typischen Tröpfchengrößen von Öltröpfchen auf Heißfilmluftmassenmessern dicht beabstandet. Dies soll insbesondere bedeuten, dass sich die Benetzbarkeit (also auch der Kontaktwinkel) auf der Größenskala eines Flüssigkeitstropfens signifikant ändern soll. Bei typischen Tröpfchengrößen von 0,1 mm ist es somit bevorzugt, wenn der mindestens eine erste Punkt und der mindestens eine zweite Punkt um nicht mehr als 200 μm, bevorzugt um nicht mehr als 100 μm und besonders bevorzugt um nicht mehr als 80 μm beabstandet sind.

Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Heißfilmluftmassenmessern weist die Chipoberfläche des erfindungsgemäßen Heißfilmluftmassenmessers somit also lateral und konstruktiv bedingt (das heißt durch gezielte Einstellung der physikalischen bzw. chemischen Oberflächeneigenschaften) Benetzbarkeitsunterschiede auf, welche so eingestellt sind, dass Öltröpfchen von der Messoberfläche des Heißfilmluftmassenmessers verdrängt werden. Dies bewirkt einen Selbstreinigungseffekt. Dieser Selbstreinigungseffekt macht sich sowohl beim Einschalten des Heißfilmluftmassenmessers bemerkbar, wenn Ölfilme von der Messoberfläche entfernt werden. Ebenso macht sich der Selbstreinigungseffekt jedoch auch im laufenden Betrieb des Heißfilmluftmassenmessers positiv bemerkbar, da laufend anfallende Ölkontaminationen (beispielsweise durch Verwehungen des Flüssigkeitsfilms) selbsttätig wieder entfernt werden. Insgesamt werden Flüssigkeitsablagerungen auf dem Messbereich des Sensorchips somit vermieden. Für die Selbstreinigung ist keinerlei Energieversorgung notwendig, im Gegensatz zu beispielsweise dem Einsatz von Temperaturgradienten zur Reinigung der Oberfläche. Insgesamt ist somit die Handhabung des Heißfilmluftmassenmessers stark vereinfacht, die Signalqualität wird verbessert, und eine Signaldrift und andere Signalinstabilitäten werden vermieden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung beziehen sich insbesondere auf die Art und Weise, wie die Benetzbarkeitsunterschiede auf der Chipoberfläche eingestellt werden, sowie auf die laterale Ausgestaltung des mindestens einen ersten Punkts und des mindestens einen zweiten Punkts. So kann insbesondere die Chipoberfläche einen Übergangsbereich aufweisen, innerhalb dessen sich die Benetzbarkeit kontinuierlich oder stufenweise ändert. Der mindestens eine erste Punkt und der mindestens eine zweite Punkt sind dabei beispielsweise zu einem gemeinsamen Übergangsbereich „verschmolzen", innerhalb dessen sich die Benetzbarkeit der Chipoberfläche ändert. Dieser mindestens eine Übergangsbereich kann nahezu beliebig auf der Chipoberfläche angeordnet sein, wobei jedoch immer darauf geachtet werden sollte, dass die Flüssigkeitstropfen insgesamt von der Messoberfläche verdrängt werden. So kann der mindestens eine Übergangsbereich beispielsweise außerhalb der Messoberfläche auf der Festlandsoberflä che angeordnet werden, um eine „Barriere" für die Flüssigkeitstropfen aufzubauen, welche durch Ausübung einer von der Messoberfläche wegweisenden Kraft dafür sorgt, dass Flüssigkeitstropfen nicht oder nur erschwert auf die Messoberfläche gelangen können. Alternativ oder zusätzlich kann der mindestens eine Übergangsbereich auch die Messoberfläche ganz oder teilweise bedecken, so dass beispielsweise ein auf einem beliebigen Punkt auf der Messoberfläche aufgebrachter Flüssigkeitstropfen eine den Flüssigkeitstropfen von der Messoberfläche verdrängende Kraft erfährt.

Unter einer „kontinuierlichen" Änderung der Benetzbarkeit kann dabei insbesondere ein Benetzbarkeitsgradient bzw. ein Gradient in den Kontaktwinkeln oder ein kontinuierlicher Verlauf des Kontaktwinkels verstanden werden. So kann beispielsweise die Messoberfläche symmetrisch ausgestaltet sein, beispielsweise achsensymmetrisch mit einer beispielsweise senkrecht zur Hauptströmungsrichtung angeordneten Symmetrieachse. Der Übergangsbereich kann dann beispielsweise derart ausgestaltet werden, dass die Chipoberfläche in der Nähe der Symmetrieachse den größten Kontaktwinkel aufweist, wobei sich der Kontaktwinkel anschließend mit dem Abstand zur Symmetrieachse stromaufwärts und/oder stromabwärts zur Hauptströmungsrichtung kontinuierlich verringert. Auch stufenweise Änderungen sind denkbar.

Bezüglich der Art und Weise, wie die Benetzbarkeitsunterschiede auf der Chipoberfläche erzeugbar sind, werden erfindungsgemäß zwei besonders vorteilhafte Verfahren vorgeschlagen. Ein erstes Verfahren beruht darin, die Chipoberfläche unterschiedlich aufzurauen. Dieser Effekt ist aus anderen Bereichen der Technik, beispielsweise der Lackiertechnik, insbesondere in Form des so genannten „Lotus-Effekts" bekannt. Der Effekt beruht insbesondere darauf, dass der „effektive" Kontaktwinkel, welcher makroskopisch bei der Beobachtung eines Flüssigkeitströpfchens auf der Chipoberfläche gemessen wird, üblicherweise mit steigender Oberflächenrauheit ansteigt. So kann der mindestens eine erste Punkt auf der Chipoberfläche beispielsweise mit einer höheren Oberflächenrauheit versehen werden als der mindestens eine zweite Punkt. Dadurch ist der Kontaktwinkel im Bereich des mindestens einen zweiten Punkts geringer als im Be reich des mindestens einen ersten Punkts, wodurch ein Flüssigkeitstropfen, welcher beide Punkte bedeckt, eine resultierende Kraft in Richtung der Verbindungslinie vom ersten Punkt auf den zweiten Punkt erfährt.

Alternativ oder zusätzlich wird eine weitere Möglichkeit zur Herstellung unterschiedlicher Benetzbarkeiten auf der Chipoberfläche vorgeschlagen. Diese beruht, ähnlich zu dem in DE 198 47 303 A1 vorgeschlagenen Heißfilmluftmassenmesser, auf der Verwendung einer Antihaftschicht auf der Chipoberfläche. Im Gegensatz zur DE 198 47 303 A1 wird jedoch erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Antihaftschicht nicht großflächig aufzubringen, sondern lateral strukturiert, dergestalt, dass die Oberflächenspannung der Chipoberfläche in dem mindestens einen zweiten Punkt größer ist als die Oberflächenspannung im Bereich des mindestens einen ersten Punkts. Beispielsweise kann zu diesem Zweck der mindestens eine erste Punkt auf der Chipoberfläche mit der Antihaftschicht bedeckt werden, wohingegen der mindestens eine zweite Punkt nicht von der Antihaftschicht bedeckt wird. Alternativ oder zusätzlich können auch Gradienten in der Oberflächenenergie gezielt eingestellt werden, beispielsweise durch Variation der Schichtdicken der Antihaftschicht auf der Schichtoberfläche. Beispielsweise kann im Bereich der Messoberfläche eine hohe Schichtdicke eingestellt werden, wohingegen im umgebenden Festlandsbereich eine geringere Schichtdicke der Antihaftschicht aufgebracht wird. Auch kontinuierliche oder gestufte Verläufe, analog zur obigen Beschreibung, sind möglich.

Zeichnung
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.
Es zeigt:
1 eine Prinzipdarstellung der Krafteinwirkung auf einen Flüssigkeitstropfen auf einer Oberfläche mit lateral variierenden Benetzungseigenschaften;
2A ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Heißfilmluftmassenmessers mit einem Gradienten der Oberflächenrauheit bei durch Öltröpfchen kontaminierter Messoberfläche;
2B die Anordnung gemäß 2A nach Verdrängung der Öltröpfchen durch Benetzungseffekte;
3A ein erstes Ausführungsbeispiel eines Herstellungsverfahrens zur Herstellung einer Oberfläche mit gestufter Oberflächenrauheit;
3B ein zu 3A alternatives Verfahren zur Herstellung einer kontinuierlich variierenden Oberflächenrauheit;
3C ein zu 3B alternatives Verfahren zur Herstellung einer kontinuierlichen Oberflächenrauheit unter Verwendung einer Photolackschicht;
4A eine zur Anordnung gemäß 2A alternative Anordnung mit kammförmigen Aufrauungsstrukturen bei durch Öltröpfchen kontaminierter Oberfläche;
4B die Anordnung gemäß 4A nach Verdrängung der Öltröpfchen von der Messoberfläche; und
5 eine zu 2A alternative Anordnung eines Sensorchips mit zur Hauptströmungsrichtung geneigten Grenzlinien der Messoberfläche.
In 1 ist eine Prinzipdarstellung der Oberflächeneffekte eines Flüssigkeitstropfens auf einer Oberfläche mit lateral variierenden chemisch/physikalischen Oberflächeneigenschaften dargestellt. Dabei bezeichnet Bezugsziffer 110 ein Öltröpfchen, welches auf eine Oberfläche 112 aufgebracht ist. Das Öltröpfchen 110 erstreckt sich auf der Oberfläche 112 in der Schnittdarstellung gemäß 1 von einem ersten Punkt B zu einem zweiten Punkt A. Dabei sei angenommen, dass die Zeichenebene in 1 das Öltröpfchen 110 symmetrisch durchschneidet.
Eine Krafteinwirkung auf das Öltröpfchen 110 (die Kraft ist in 1 symbolisch mit F bezeichnet) lässt sich aus einer Differenzbetrachtung der Krafteinwirkungen in den Punkten B und A beschreiben. Dies ist beispielsweise in M.K. Chaudhury and G.M. Whitesides, „How to Make Water Run Uphill", Science vol. 256, June 1992, beschrieben. Es ergibt sich, dass auf einen Streckenabschnitt dx des Öltröpfchens 110 eine Kraft dF wirkt gemäß der folgenden Formel: dF = [(γASV – γASL ) – (γBSV – γBSL )]dx = γLV(cosθA – cosθB) (1)dabei bezeichnet γ_SV die freie Oberflächenenergie an der Grenzfläche zwischen der Festkörperoberfläche 112 und der das Öltröpfchen 110 umgebenden Gasphase 114 des Öls. γ_SL bezeichnet entsprechend die freie Oberflächenenergie an der Grenzfläche zwischen der Festkörperoberfläche 112 und dem Öltröpfchen 110. γ_LV bezeichnet die freie Oberflächenenergie der Grenzfläche zwischen dem Öltröpfchen 110 und der Gasphase 114. Die Gesamtkraft F berechnet sich durch Integration der Gleichung (1) über den Weg x von B nach A. Es zeigt sich somit, dass, wie eingangs beschrieben, die Gesamtkraft F auf das Öltröpfchen 110 dadurch einstellbar ist, dass im Punkt A eine höhere freie Oberflächenenergie γ A / SV gewählt wird als im Punkt B. Erfindungsgemäß wird genau dieser Effekt ausgenutzt, um eine selbstreinigende Messoberfläche eines Heißfilmluftmassenmessers zu erzeugen.
In 2A ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Sensorchips 210 eines Heißfilmluftmassenmessers ausschnittsweise dargestellt. Der Sensorchip 210 weist eine Chipoberfläche 212 auf, welche in der Darstellung gemäß 2A in der Zeichenebene liegt. Die Chipoberfläche wird von einem Luftmassenstrom mit einer Hauptströmungsrichtung 214 im Wesentlichen parallel überströmt. Die Chipoberfläche 212 weist eine Messoberfläche 216 und eine die Messoberfläche 216 umgebende Festlandsoberfläche 218 auf. Dabei sei angenommen, dass es sich in diesem Ausführungsbeispiel beispielsweise um einen Sensorchip 210 gemäß der in DE 196 01 791 A1 beschriebenen Ausgestaltung handelt, also um einen Silizium-Sensorchip 210, dessen Messoberfläche 216 als Sensor-Membran ausgestaltet ist. Wie eingangs beschrieben, sind jedoch auch andere Ausgestaltungen des Sensorchips 210 möglich. Der Sensorchip 210 soll im Bereich der Messoberfläche 216 eine um mindestens eine Größenordnung geringere transversale thermische Leitfähigkeit aufweisen als im Bereich der umgebenden Festlandsoberfläche 218. Der Sensorchip 210 kann, gemäß dem Stand der Technik, beispielsweise in einem Steckfühler aus Kunststoff eingesetzt werden, welcher einen Bypass-Kanal aufweist, welcher wiederum in den Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine eingesetzt wird.
Die Messoberfläche 216 in dem Ausführungsbeispiel gemäß 2A weist eine rechteckförmige Grenzlinie 220 mit Kantenlängen von ca. 450 × 1600 μm² und mit einer Symmetrieachse 222 senkrecht zur Hauptströmungsrichtung 214 auf. Die rechteckförmige Grenzlinie 220 weist ihrerseits eine vordere Grenzlinie 224 und eine hintere Grenzlinie 226 auf, wobei sich die Ausdrücke „vordere" bzw. „hintere" auf die Hauptströmungsrichtung 214 beziehen. Die vordere Grenzlinie 224 ist somit bezüglich der Hauptströmungsrichtung 214 zur Messoberfläche 216 „stromaufwärts" gelegen, die hintere Grenzlinie 226 stromabwärts. Auf der Messoberfläche 216 sind Leiterbahnen 228 angeordnet. Diese Leiterbahnen 228 stellen im Wesentlichen parallel zur Symmetrieachse 222 verlaufende Leiterbahnschleifen dar und weisen ein zentrales Heizelement 230 und zwei das zentrale Heizelement 230 stromaufwärts und stromabwärts umgebende Temperaturfühler 232. Das zentrale Heizelement 230 und die Temperaturfühler 232 sind mit einer in 2A nicht dargestellten Ansteuer- und Auswerteelektronik ver bunden, welche die Signale des Heißfilmluftmassenmessers auswertet und das zentrale Heizelement ansteuert.
Die Chipoberfläche 212 des Sensorchips 210 weist zwei Übergangsbereiche 234, 236 auf, welche sich entlang der vorderen Grenzlinie 224 und der hinteren Grenzlinie 226 erstrecken. Auf einer zur Hauptströmungsrichtung 214 parallelen X-Achse (siehe oberer Teil 2A) erstreckt sich der vordere Übergangsbereich 234 von einem Punkt X₁ über die vordere Grenzlinie 224 hinweg zu einem Punkt X₂. Der hintere Übergangsbereich 236 erstreckt sich von einem Punkt X₃ über die hintere Grenzlinie 226 hinweg zu einem Punkt X₄. Die Oberflächenrauheit der Chipoberfläche 212 ist dabei so ausgestaltet, dass die Messoberfläche 216 im Bereich zwischen den Punkten X₂ und X₃, welche, wie in 2A dargestellt, im Wesentlichen das zentrale Heizelement 230 umfassen, die höchste Oberflächenrauheit R_A (nach DIN 4768) aufweist. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Oberflächenrauheit in diesem zentralen Bereich bei ungefähr 10 μm gewählt. Außerhalb der Übergangsbereiche 234, 236 hat die Chipoberfläche 212 eine Oberflächenrauheit von ca. 1–10 nm, typischerweise bei ca. 2 nm. In den zwischen dem rauen Zentralbereich 238 und dem „glatten" Umgebungsbereich liegenden Übergangsbereichen 234, 236 verläuft die Oberflächenrauheit in diesem Ausführungsbeispiel linear, das heißt die Oberflächenrauheit steigt von X₁ nach X₂ linear an und fällt von X₃ nach X₄ linear ab. Die Übergangsbereiche 234, 236 können beispielsweise eine Breite (Abstand X₁–X₂) von ca. 400–500 μm haben, der Zentralbereich eine Breite von ca. 50 μm.
Die in 2A dargestellte Ausführung bewirkt somit, dass Öltröpfchen 110, welche sich in den Übergangsbereichen 234, 236 befinden, aufgrund der anhand von 1 beschriebenen Effekte Kräfte erfahren (in 2A mit F₁ und F₂ bezeichnet), welche der Hauptströmungsrichtung 214 entgegengerichtet bzw. parallel gerichtet sind und welche die Öltröpfchen 110 von der Symmetrieachse 222 wegtreiben. Dieser Effekt ist in 2B dargestellt, welche einen Zustand zeigt, bei der die Öltröpfchen 110 aus den Übergangsbereichen 234, 236 vollständig verdrängt sind. Die Öltröpfchen 110 sammeln sich in diesem Zustand außerhalb der Übergangsbereich 234, 236, also an den „Punkten" X₁ und X₄ (siehe oberer Teil 2A). Mittels der in den 2A und 2B dargestellten Ausgestaltung des Sensorchips 210 lässt sich also eine selbstreinigende Chipoberfläche 212 erzeugen, bei welcher die Reinigung der Chipoberfläche 212 ohne zusätzliche Steuerungen, beispielsweise durch Aufheizen der Chipoberfläche 212, erfolgt. Es sei darauf hingewiesen, dass anstelle des linearen Verlaufs der Oberflächenrauheit in den Übergangsbereichen 234, 236 auch andere Verläufe der Oberflächenrauheit möglich sind, beispielsweise diskontinuierliche, gestufte oder nicht-lineare Verläufe.
In den 3A bis 3B sind exemplarisch Verfahren dargestellt, wie eine Chipoberfläche 212 mit einer variierenden Oberflächenrauheit ausgestattet werden kann. Unter lediglich geringer Abwandlung lassen sich die beschriebenen, beispielhaften Verfahren jedoch auch nutzen, um anstelle einer variierenden Oberflächenrauheit eine entsprechende Variation der freien Oberflächenenergie durch Aufbringen einer Antihaftschicht zu erzeugen.
In 3A ist ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrensschritts dargestellt, bei welchem eine gleichmäßige Photolackschicht 310 in Form einer Stufe auf die Chipoberfläche 212 aufgebracht wird. Die Photolackschicht 310 unterteilt die Chipoberfläche 212 in einen unbedeckten Bereich 312 und einen bedeckten Bereich 314. Anschließend wird die Chipoberfläche 212 durch ein Ätzverfahren (in 3A symbolisch dargestellt durch Bezugsziffer 316) geätzt. Da im bedeckten Bereich 314 die Chipoberfläche 212 durch die Photolackschicht 310 vor dem Ätzen geschützt wird, wirkt der Ätzvorgang lediglich auf den unbedeckten Bereich 312. Der Ätzvorgang kann beispielsweise einen nasschemischen Ätzvorgang, beispielsweise mittels einer Säure oder einer Lauge, und/oder einen Trockenätzvorgang, beispielsweise mittels eines Plasmaofens, umfassen. Beim Ätzen wird die Chipoberfläche 212 im unbedeckten Bereich 312 aufgeraut, so dass nach Beendigung des Ätzens und Ablösen der Photolackschicht 310 im (ehemals) unbedeckten Bereich 312 eine höhere Oberflächenrauheit der Chipoberfläche 212 zu verzeichnen ist als im (ehemals) bedeckten Bereich 314.
Analog zu dem Ätzverfahren gemäß 3A lässt sich auch eine Antihaftschicht in einem zu 3A analogen Verfahren aufbringen. Wiederum wird ein Teilbereich 314 der Chipoberfläche 212 durch eine Photolackschicht 310 bedeckt, wobei anschließend die Antihaftschicht großflächig aufgebracht wird. Anschließend wird die Photolackschicht 310 mitsamt der darauf anhaftenden Antihaftschicht wieder abgelöst, so dass die Antihaftschicht nunmehr nur noch im Bereich 312 der Chipoberfläche 212 anhaftet. Alternativ oder zusätzlich können auch Antihaftschichten verwendet werden, welche unmittelbar photostrukturierbar sind.
Das in 3A dargestellt Verfahren führt zu einer gestuften Oberflächenrauheit im Übergangsbereich zwischen den Bereiche 312 und 314. Alternativ oder zusätzlich sind auch Verfahren möglich, bei welchen eine kontinuierliche Oberflächenrauheit erzeugt wird. Beispiele derartiger Verfahren sind in den 3B und 3C dargestellt, wobei die Verfahrensvariante gemäß 3C eine bevorzugte Ausführungsform darstellt. Mittels derartiger Verfahren können beispielsweise Strukturen gemäß der Darstellung in 2A und 2B erzeugt werden.
Bei dem Verfahren in 3B wird ein Ätzverfahren gewählt, bei welchem die Ätzrate (in 3B symbolisch dargestellt durch die Länge der Ätzzeile 316) entlang der Chipoberfläche 212 variiert. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Ätzrate links am größten, wohingegen rechts die kleinste Ätzrate auftritt. Derartige lokal variierende Ätzraten können auf unterschiedliche Arten erzeugt werden, beispielsweise bei nasschemischen Verfahren durch lokale Konzentrationsunterschiede des ätzenden Agens (zum Beispiel der Säure oder der Lauge) und/oder bei Trockenätzverfahren durch Konzentrationsgradienten der reaktiven Ionen oder durch Feldgradienten, welche zu einer unterschiedlich starken Beschleunigung der ätzenden Ionen führen. Aufgrund der unterschiedlichen Ätzrate ist in der Darstellung gemäß 3B nach Durchführung des Prozesses die Oberflächenrauheit links höher als rechts.
In 3C wird hingen eine Photolackschicht 310 eingesetzt, welche die Chipoberfläche 212 bedeckt. Diese Photolackschicht 310 ist jedoch, anders als in 3A, nicht von kontinuierlicher gleichförmiger Dicke, sondern weist einen Dickegradienten auf. Die Schichtdicke der Photolackschicht 310 ist somit am linken Rand der Darstellung gemäß 3C dicker als am rechten Rand. Derartige Photolackschichten 310 lassen sich beispielsweise mittels einer Lithographiemaske, welche einen Graukeil aufweist, herstellen. Im Gegensatz zu einer „digitalen" Belichtung (Bereich belichtet oder nicht belichtet) lassen sich mittels derartiger Graukeile kontinuierlich variierende Belichtungen der Photolackschicht 310 einstellen, welche bei anschließender Entwicklung der Photolackschicht 310 zu der in 3C dargestellten keilförmigen Dicke führt. Aufgrund der Dickenunterschiede der Photolackschicht 310 wird bei einem anschließenden Ätzen (Bezugsziffer 316 in 3C) die Chipoberfläche 212 durch die Photolackschicht 310 unterschiedlich geschützt. Dabei kann die Photolackschicht 310 durch das Ätzen 316 selbst ganz oder teilweise abgetragen werden. In den Bereichen, in welchen die Photolackschicht 310 dünner ist, ist diese durch das Ätzen 316 auch schneller abgetragen, so dass das Ätzen zu einem früheren Zeitpunkt die Chipoberfläche 212 angreift als in Bereichen, in denen eine dickere Photolackschicht 310 aufgebracht ist (links in 3C). Somit tritt im rechten Bereich der Chipoberfläche 212 in 3C eine höhere Oberflächenrauheit auf als im linken Bereich der Chipoberfläche 212.
Analog zur Beschreibung der 3A lassen sich auch die Verfahren gemäß den 3B und 3C modifizieren, um entsprechend eine kontinuierlich variierende Antihaftschicht auf die Chipoberfläche 212 aufzubringen (nicht dargestellt). So lässt sich beispielsweise ein lokal variierendes Ätzen gemäß 3B nutzen, um eine bereits auf die Chipoberfläche 212 aufgebrachte Antihaftschicht teilweise wieder abzutragen, so dass ein Dickegradient in der Antihaftschicht entsteht. Beispielsweise können auf diese Weise Antihaftschichten mit einer Dickenvariation zwischen 6 Å und 1 Å aufgebracht werden. Bei diesen Antihaftschichten kann es sich beispielsweise um die in DE 198 47 303 A1 genannten Materialien handeln, oder auch um die in M.K. Chaudhury and G.M. Whitesides: "How to Make Water Run Uphill", Science vol. 256, June 1992 genannten Materialien. Dabei müssen weiterhin nicht notwendigerweise kontinuierliche Schichten aufgebracht werden, sondern es kann sich bei den Antihaftschichten beispielsweise auch um „Inseln" handeln.
Weiterhin kann die Antihaftschicht auch durch ein Verfahren mit lokal variierender Auftragsrate aufgebracht werden, beispielsweise wiederum durch ein nasschemisches Verfahren mit einem Konzentrationsgradienten und/oder durch ein Druck- oder Sprühverfahren und/oder ein Auftragsverfahren aus der Gasphase mit lokal variierender Auftragsrate. Weiterhin kann das in 3C dargestellte Verfahren auch analog zur Herstellung einer Antihaftschicht mit Dickenvariation abgewandelt werden, wobei auf eine Antihaftschicht gleichmäßiger Dicke eine keilförmige Photolackschicht 310 gemäß der Darstellung in 3C aufgebracht wird, welche nach einem entsprechenden Ätzvorgang wieder entfernt wird. Auch andere Verfahren zur Erzeugung einer Antihaftschicht mit variierender Dicke sind möglich. So kann beispielsweise eine Antihaftschicht dadurch erzeugt werden, dass ein Silizium-Wafer in eine Lösung eines Antihaftmaterials eingetaucht wird. Anschließend wird der Wafer langsam aus der Lösung gezogen, wobei die Bereiche, die die Lösung als erste verlassen, eine dünnere Schichtdicke der Antihaftschicht aufweisen als die Bereiche, welche länger in der Lösung verbleiben und länger benetzt werden. Auch andere Verfahren sind denkbar.
Die zur Herstellung kontinuierlich variierender Oberflächeneigenschaften erforderlichen technischen Verfahren, wie beispielsweise Graukeilmasken oder Ätzverfahren mit lokal variierender Ätzrate, sind in der Praxis üblicherweise aufwändig und teuer, da beispielsweise die Herstellungskosten einer Graukeilmaske die Herstellungskosten einer gewöhnlichen („digitalen") Lithographiemaske erheblich übersteigen. Aus diesem Grund ist in den 4A und 4B ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensorchips dargestellt, bei welchem ebenfalls zwei Übergangsbereiche 234, 236 vorgesehen sind. In diesem Ausführungsbeispiel weist die Chipoberfläche 212 im Bereich der Übergangsbereiche 234, 236 jedoch nicht, wie in den 2A und 2B, eine kontinuierlich variierende Oberflächenrauheit auf, sondern die Übergangsbereiche 234, 236 weisen Kammstrukturen 410 auf, welche sich im Wesentlichen über die ansonsten ähnlich zu 2A und 2B ausgestalteten Übergangsbereiche 234, 236 erstrecken. Ähnliche Kammstrukturen, allerdings mit hydrophoben und hydrophilen Bereichen anstelle von Aufrauhungen, sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus T. Yasuda, K. Suzuki, and I. Shimoyama: „Automatic transportation of a droplet on a wettability gradient surface", 7th International Conference on Miniaturized Chemical and Biochemical Analysis Systems, October 5-9, 2003, Sqaw Valley, California, USA, S. 1129-1132. Die Kammstrukturen 410, 412 setzen sich aus einzelnen keilförmigen Strukturen zusammen, wobei die Keilspitzen bei der vorderen Kammstruktur 410 der Hauptströmungsrichtung 214 entgegengerichtet sind und bei der hinteren Kammstruktur 412 in Hauptströmungsrichtung 214 weisen. Im Bereich der keilförmigen Strukturen der Kammstrukturen 410, 412 ist die Oberflächenrauheit im Vergleich zum umgebenden Festland 218 stark erhöht und konstant.
Somit handelt es sich bei der in 4A und 4B dargestellten Anordnung um eine „digitale" Anordnung, bei der lediglich Bereiche hoher Oberflächenrauheit (Kammstrukturen 410, 412) und Bereich niedriger Oberflächenrauheit (übrige Bereiche der Chipoberfläche 212) vorgesehen sind. Eine kontinuierliche Abstufung der Oberflächenrauheit ist nicht erforderlich. Die keilförmigen Strukturen der Kammstrukturen 410, 412 für sich bewirken jedoch einen ähnlichen Effekt wie die kontinuierliche Änderung der Oberflächenrauheit gemäß den 2A und 2B. Dies ist dadurch bedingt, dass die Spitzen der Kammstrukturen in etwa der Dimension der Öltröpfchen 110 entsprechen, beispielsweise einen Abstand Δ zwischen 50 und 100 μm aufweisen. Die Keile der Kammstrukturen 410, 412 können beispielsweise eine Länge von 400–500 μm aufweisen. Dadurch „sieht" ein Öltröpfchen 110 insgesamt zu den Spitzen der Kammstrukturen 410 hin eine geringere Oberflächenrauheit und erfährt somit eine Kraft in Richtung der Spitzen der Kammstrukturen 410, 412. Dieser Effekt ist in Zusammenschau der 4A und 4B dargestellt, wobei in 4A eine durch Öltröpfchen 110 kontaminierte Messoberfläche 216 dargestellt ist, wohingegen in 4B die Öltröpfchen 110 durch Oberflächenkräfte aufgrund der Kammstrukturen 410, 412 von der Messober fläche 216 verdrängt worden sind. Insgesamt wirken die Kammstrukturen 410, 412 somit analog zu den Übergangsbereichen 234, 236 gemäß den Ausführungsbeispielen in den 2A und 2B, indem diese Kammstrukturen einen technisch leichter zu realisierenden, „effektiven" Gradienten der Oberflächenrauheit ausbilden.
In 5 ist schließlich ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei welchem das Prinzip gemäß den 2A und 2B weiterentwickelt wurde. Wiederum weist der Sensorchip 210 gemäß dem Ausführungsbeispiel in 5 eine Chipoberfläche 212 mit einer Messoberfläche 216 auf. Auf der Messoberfläche 216 sind Leiterbahnen 228 angeordnet, welche sich, analog zu den 2A und 2B im Wesentlichen senkrecht zur Hauptströmungsrichtung 214 des Luftmassenstroms erstrecken. Im Gegensatz zu der Ausgestaltung in den 2A und 2B sind jedoch bei diesem Ausführungsbeispiel gemäß 5 die vordere Grenzlinie 224 und die hintere Grenzlinie 226 nicht senkrecht zur Hauptströmungsrichtung 214 ausgestaltet, sondern verlaufen unter Winkeln α, β zur Hauptströmungsrichtung, welche kleiner sind als 90°. In diesem Ausführungsbeispiel gemäß 5 ist der Sensorchip 210 symmetrisch bezüglich der Symmetrieachse 222 ausgestaltet, so dass die Winkel α und β in diesem Beispiel den gleichen Betrag haben. Es sind jedoch auch andere Ausgestaltungen möglich. Vorzugsweise liegen α und β bei maximal 85°, insbesondere zwischen 30° und 80° und besonders bevorzugt bei 60°.
Weiterhin weist die Chipoberfläche 212 in dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 wiederum zwei Übergangsbereiche 234, 236 auf, analog zu 2A und 2B, welche jedoch, entsprechend der Neigung der vorderen Grenzlinie 224 und der hinteren Grenzlinie 226, ebenfalls geneigt zur Symmetrieachse 222 verlaufen. Diese Übergangsbereiche 234, 236 können beispielsweise wiederum, analog zu den 2A und 2B als Bereiche mit kontinuierlich variierender Oberflächenrauheit ausgestaltet sein, wobei die Oberflächenrauheit in diesen Bereichen mit zunehmendem Abstand von der Symmetrieachse 222 abnimmt. Analog zu den 2A und 2B sind jedoch wiederum andere Ausgestaltungen möglich, beispielsweise durch Ausgestaltung der Übergangsbereiche 234, 236 durch Antihaftschichten mit variierenden Eigenschaften oder eine Ausgestaltung mittels Kammstrukturen gemäß den 4A und 4B.
Die Ausgestaltung gemäß 5 bewirkt zum einen, dass Öltröpfchen 110, analog zu den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen, von der Messoberfläche 216 verdrängt werden. Zusätzlich bewirkt die Neigung der Übergangsbereiche 234, 236 zur Symmetrieachse 222 jedoch, dass Öltröpfchen 110, welche von der Messoberfläche 216 nach außen verdrängt worden sind, entlang dieser Übergangsbereiche 234, 236 von der Luftströmung abgetrieben werden können. Dies ist in 5 symbolisch durch die Bewegungsrichtung 510 dargestellt. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass sich außerhalb der Übergangsbereiche 234, 236 ein Flüssigkeitswall aus Öltröpfchen 110 aufbaut, welcher dann wiederum durch die Luftströmung auf die Messoberfläche 216 getragen werden könnte. Durch die geneigte vordere Grenzlinie 224 und hintere Grenzlinie 226 wird dieser Flüssigkeitswall kontinuierlich durch die Luftströmung abgetragen, ohne dass die Messoberfläche 216 kontaminiert wird.

Claims

Heißfilmluftmassenmesser zur Messung eines mit einer Hauptströmungsrichtung (214) strömenden Luftmassenstroms, insbesondere zum Einsatz im Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Heißfilmluftmassenmesser einen Sensorchip (210) mit einer Chipoberfläche (212) aufweist, wobei die Chipoberfläche (212) eine Messoberfläche (216) und eine umgebende Festlandsoberfläche (218) aufweist, wobei mindestens ein erster Punkt auf der Chipoberfläche (212) konstruktiv eine geringere Benetzbarkeit für Flüssigkeitstropfen (110), insbesondere lipide Flüssigkeitstropfen (110), aufweist als mindestens ein zweiter Punkt auf der Chipoberfläche (212), wobei der mindestens eine erste Punkt und der mindestens eine zweite Punkt derart angeordnet sind, dass auf einen Flüssigkeitstropfen (110), welcher den mindestens einen ersten Punkt und den mindestens einen zweiten Punkt auf der Chipoberfläche (212) bedeckt, eine von der Messoberfläche (216) weg weisende Kraft ausgeübt wird.
Heißfilmluftmassenmesser gemäß dem vorhergehenden Anspruch, gekennzeichnet durch mindestens einen Übergangsbereich (234, 236) der Chipoberfläche (212), wobei sich die Benetzbarkeit in dem mindestens einen Übergangsbereich (234, 236) kontinuierlich oder stufenweise ändert.
Heißfilmluftmassenmesser gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Übergangsbereich (234, 236) keilförmige Teilbereiche mit konstanter Benetzbarkeit aufweist.
Heißfilmluftmassenmesser gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die keilförmigen Teilbereiche kammförmige Strukturen (410, 412) bilden.
Heißfilmluftmassenmesser gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine erste Punkt und der mindestens eine zweite Punkt um nicht mehr als 200 Mikrometer, bevorzugt um nicht mehr als 100 Mikrometer und besonders bevorzugt um nicht mehr als 80 Mikrometer beabstandet sind.
Heißfilmluftmassenmesser gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche in dem mindestens einen ersten Punkt eine höhere Rauheit aufweist als in dem mindestens einen zweiten Punkt.
Heißfilmluftmassenmesser gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauheit in dem mindestens einen ersten Punkt um mindestens einen Faktor 1,5, vorzugsweise um mindestens einen Faktor 2 und besonders bevorzugt um mindestens einen Faktor 3 größer ist als die Rauheit in dem mindestens einen zweiten Punkt.
Heißfilmluftmassenmesser gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Chipoberfläche (212) in dem mindestens einen ersten Punkt eine Antihaftschicht aufweist.
Heißfilmluftmassenmesser gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die Chipoberfläche (212) mindestens ein Heizelement (230) und mindestens zwei Temperaturfühler (232) aufweist, welche als im Wesentlichen parallele, sich im Wesentlichen senkrecht zur Hauptströmungsrichtung (214) erstreckende Leiterbahnen (228) ausgestaltet sind, wobei die Messoberfläche (216) stromaufwärts im Luftmassenstrom eine vordere Grenzlinie (224) aufweist, wobei die vordere Grenzlinie (224) in mindestens einem Abschnitt unter einem von 90° verschiedenen Winkel α zur Hauptströmungsrichtung (214) verläuft.
Verfahren zur Herstellung eines Heißfilmluftmassenmessers gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des Benetzbarkeitsunterschiedes zwischen dem mindestens einen ersten Punkt und dem mindestens einen zweiten Punkt der Chipoberfläche (212) mindestens einer der folgenden Verfahrensschritte eingesetzt wird: – ein chemisches und/oder physikalisches Ätzverfahren mit lokal variierender Ätzrate der Chipoberfläche (212); – ein chemisches und/oder physikalisches Ätzverfahren mit mindestens einer auf die Chipoberfläche (212) aufgebrachten, lokal variierenden Schutzschicht, insbesondere einer Photolackschicht (310); – ein lithographisches Verfahren, insbesondere unter Verwendung einer Lithographiemaske mit keilförmigen Strukturen und/oder einer Graukeilmaske; – eine nasschemische Abscheidung und/oder Gasphasenabscheidung mindestens einer Antihaftschicht mit lokal variierender Abscheiderate; – eine nasschemische Abscheidung und/oder Gasphasenabscheidung mindestens einer Antihaftschicht mit anschließendem Teilabtrag der mindestens einen Antihaftschicht mit lokal variierender Abtragsrate.