DE102005038598A1

DE102005038598A1 - Heißfilmluftmassenmesser mit Strömungsablösungselement

Info

Publication number: DE102005038598A1
Application number: DE102005038598A
Authority: DE
Inventors: Hans Hecht; Bernhard Opitz; Klaus Reymann; Ulrich Wagner; Christoph Gmelin
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
Also published as: CN101243307A; US20110036157A1; WO2007020116A1; JP5124458B2; US8448503B2; JP2009505087A; EP1917502A1; CN101243307B

Abstract

Es wird ein Heißfilmluftmassenmesser zur Messung eines mit einer Hauptströmungsrichtung strömenden Luftmassenstroms vorgeschlagen, welcher insbesondere im Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine eingesetzt werden kann. Der Heißfilmluftmassenmesser weist einen Sensorchip (110) mit einer Messoberfläche (114) auf. Der Luftmassenstrom strömt im Wesentlichen parallel über eine Oberfläche (214) des Sensorchips (110). Der Messoberfläche (114) ist bezüglich der Hauptströmungsrichtung (122) ein Strömungsablösungselement (224) vorgelagert. Das mindestens eine Strömungsablösungselement (224) ist ausgestaltet, um den Luftmassenstrom vor Erreichen der Messoberfläche (114) in mindestens einem Ablösebereich (230) von der Oberfläche (214) des Sensorchips (110) abzulösen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Heißfilmluftmassenmesser mit einem Strömungsablösungselement zur Vermeidung von Oberflächenkontamination und durch Oberflächenkontamination bedingte Signaldrift. 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 Temperaturmesswiderständen erfasst werden kann. Somit kann, z.B aus der Widerstandsdifferenz der Temperaturmesswiderstände, ein Luftmassenstrom bestimmt werden. Verschiedene andere Varianten dieses Sensortyps sind aus dem Stand der Technik bekannt. Derartige Sensoren wer den 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.

Weiterhin 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. Neben den Öltröpfchen gelangen durch diesen Effekt auch typischerweise an den Öltröpfchen anhaftende andere Verschmutzungen (z.B. Staub) auf die Oberfläche des Messbereichs.

Dieser Effekt, bei dem in unregelmäßigen Abständen Öl und andere Verunreinigungen durch den Luftmassenstrom auf die Oberfläche des Messbereichs getrieben werden, verursacht insbesondere kurzfristige und unvorhersehbare Signalinstabilitäten des Heißfilmluftmassenmessers.

Dies ist insbesondere dadurch bedingt, dass die sporadisch auftretenden Kontaminationen die thermische Leitfähigkeit der Oberfläche des Messbereichs verändern, wodurch eine zuvor durchgeführte Kalibration des Heißfilmluftmassenmessers ihre Gültigkeit einbüßt. Neben kurzfristigen Änderungen können auch länger andauernde Änderungen der Signalcharakteristik der Heißfilmluftmassenmesser auftreten, insbesondere wenn die auf die Messoberfläche getriebenen Kontaminationen dort für längere Zeit anhaften.

Eine weitere Problematik, die daraus entsteht, dass sich insbesondere an der Grenze des Messbereichs Kontaminationen aufbauen, besteht in der Beeinflussung der Strömungsdynamik des Heißfilmluftmassenmessers. Der Heißfilmluftmassenmesser wird vor Inbetriebnahme kalibriert, wobei die Kalibration von einem bestimmten Strömungsverhalten des Luftmassenstromes über der Oberfläche des Heißfilmluftmassenmessers ausgeht. Wenn sich jedoch im Betrieb an der Grenzfläche des Messbereichs eine Kontamination, insbesondere ein Flüssigkeitswall, aufbaut, so beeinflusst diese auch das das Geschwindigkeitsprofil des Luftmassenstromes über der Messoberfläche und damit das Temperaturprofil. Da der Wärmetransport an der Messoberfläche jedoch von der Form des Geschwindigkeits- und Temperaturprofils abhängt, führt dies zu einer Signaldrift des Heißfilmluftmassenmessers.

Vorteile der Erfindung

Es wird daher erfindungsgemäß ein Heißfilmluftmassenmesser vorgeschlagen, welcher die Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Heißfilmluftmassenmesser vermeidet. Insbesondere weist der vorgeschlagene Heißfilmluftmassenmesser in einer seiner Ausgestaltungen eine gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Heißfilmluftmassenmessern stark verringerte Oberflächenkontamination und durch Oberflächenkontamination verringerte Signalinstabilitäten auf. Der Heißfilmluftmassenmesser ist insbesondere geeignet für die Messung von Luftmassenströmen im Bereich zwischen Null und sechzig Metern pro Sekunde und kann insbesondere im Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine eingesetzt werden.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass schon Schmutzablagerungen geringer Höhe, beispielsweise ab ca. 15 μm, einen erheblichen Einfluss auf das Strömungsverhalten des Luftmassenstroms über der Oberfläche des Heißfilmluftmassenmessers haben können. Die Verunreinigungen führen zu einer Strömungsablösung mit verzögerter Wideranlage der Strömung an den Sensorchip des Heißfilmluftmassenmessers und einem veränderten Turbulenzverhalten zur Veränderung der Grenzschicht. Dies wiederum führt zu einer Signaldrift. Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, jede Art der Einflussnahme durch Schmutzablagerungen auf das Geschwindigkeitsprofil der Strömung des Luftmassenstroms zu minimieren.

Der erfindungsgemäße Heißfilmluftmassenmesser dient zur Messung eines mit einer Hauptströmungsrichtung strömenden Luftmassenstroms und weist einen Sensorchip mit einer Messoberfläche auf. Dabei soll der Luftmassenstrom im Wesentlichen parallel über eine Oberfläche des Sensorchips, deren Bestandteil die Messoberfläche ist, strömen. Unter „im Wesentlichen" ist dabei zu verstehen, dass auch leichte Abweichungen von einer parallelen Strömung tolerierbar sind, beispielsweise Abweichungen von 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 unter „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" jeweils die Haupt-Transportrichtung des Luftmassenstromes am Ort des Sensorchips verstanden werden. Dabei sollen lokale Verwirbelungen vernachlässigt werden.

Als Sensorchip können dabei grundsätzlich nahezu alle aus dem Stand der Technik bekannten Sensorchips eingesetzt werden, beispielsweise die in DE 196 01 791 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 soll sich dadurch auszeichnen, dass der Sensorchip im Bereich der Messoberfläche eine erheblich geringere transversale thermische Leitfähigkeit aufweist als im umgebenden Bereich des Sensorchips (Chipfestland). Vorzugsweise kann 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 in dem in der DE 196 01 791 A1 offenbarten Sensorchip, mittels einer Silizium-Membran realisieren, welche, da hier die transversale 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.

Auf der Messoberfläche des Sensorchips können insbesondere mindestens ein Heizelement und mindestens zwei Messwiderstände angeordnet sein, welche beispielsweise als im Wesentlichen parallele, sich im Wesentlichen senkrecht zur Hauptströmungsrichtung erstreckende Leiterbahnen ausgestaltet sind. Die einzelnen Leiterbahnen können dabei auch leicht gegeneinander verkippt sein, wobei „im Wesentlichen parallel" hierbei vorzugsweise eine Verkippung von nicht mehr als ±3° zu verstehen ist. Unter „im Wesentlichen senkrecht" ist dabei zu verstehen, dass ein Winkel der Leiterbahnen von 90° zur Hauptströmungsrichtung bevorzugt ist, wobei Winkeltoleranzen von bis zu 5°, vorzugsweise von bis zu 2°, noch tolerabel sind.

Ein Kernelement der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass der Messoberfläche bezüglich der Hauptströmungsrichtung mindestens ein Strömungsablösungselement vorgelagert ist. Dieses mindestens eine Strömungsablösungselement ist derart ausgestaltet, dass der Luftmassenstrom durch das Strömungsablösungselement vor Erreichen der Messoberfläche in mindestens einem Ablösebereich von der Oberfläche des Sensorchips abgelöst wird. Ein Kerngedanke dieses Strömungsablösungselement besteht somit darin, den oben beschriebenen Bereich am Übergang zwischen der Messoberfläche und dem Chipfestland des Sensorchips, insbesondere stromaufwärts der Messoberfläche, von vorneherein strömungstechnisch als „Totwassergebiet" auszulegen. Dabei wird das Strömungsablösungselement derart ausgelegt, dass der mindestens eine Ablösebereich den Bereich in welchem bekanntermaßen im Betrieb verstärkt Verschmutzungen auftreten, möglichst ganz oder teilweise bedeckt. Das mindestens eine Strömungsablösungselement wirkt somit als „Schutzwall", welcher vor dem Grenzbereich zwischen Messoberfläche und Chipfestland aufgebaut wird, und welcher zu einer Strömungsablösung („Totwasser") führt, welche jedoch, im Gegensatz zu den durch die Verunreinigungen bedingten Strömungsablösungen, definiert und zeitlich konstant ist. Diese Strömungsablösung, also die Ausbildung eines Ablösebereichs hinter dem mindestens einen Strömungsablösungselement, kann aufgrund ihrer Definiertheit und zeitlichen Konstanz bei der Sensorkalibrierung des Heißfilmluftmassenmessers mit berücksichtigt werden. Eine Anhäufung von Schmutz im Ablösebereich hat somit nur einen vergleichsweise geringen Einfluss auf das Geschwindigkeitsprofil des Luftmassenstroms über dem Sensorchip, insbesondere über der Messoberfläche, und führt somit nur zu einer stark verringerten Signaldrift.

Das Messsignal des derart erfindungsgemäß ausgestalteten Heißfilmluftmassenmessers ist somit gegenüber herkömmlichen Heißfilmluftmassenmesser erheblich stabiler. Signaldriften treten nur in stark verringertem Maße auf. Weiterhin bewirkt das mindestens eine Strömungsablösungselement, dass die Gefahr, dass Verunreinigungen durch den Luftmassenstrom auf die Messoberfläche des Sensorchips getrieben werden, stark verringert ist. Insgesamt bewirkt die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Heißfilmluftmassenmessers somit auch eine stark verringerte Störungsanfälligkeit und erhöhte Robustheit des erfindungsgemäßen Systems.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben und können einzeln oder in Kombination verwirklicht sein. Diese vorteilhaften Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Heißfilmluftmassenmessers beziehen sich insbesondere auf die Art und Ausgestaltung sowie auf die Anordnung des mindestens einen Strömungsablösungselements. So kann das mindestens eine Strömungsablösungselement mindestens eine Erhebung aufweisen, wobei die mindestens eine Erhebung mindestens eine senkrecht zur Hauptströmungsrichtung von der Oberfläche des Sensorchips beabstandete Oberkante aufweist. Unter „beabstandet" ist dabei jedoch nicht notwendigerweise zu verstehen, dass das Strömungsablösungselement auf der Oberfläche des Sensorchips angeordnet ist. Es ist vielmehr bevorzugt, wenn das mindestens eine Strömungsablösungselement auf dem Heißfilmluftmassenmesser dem Sensorchip vorgelagert angeordnet ist. Die Oberkante soll dementsprechend lediglich im Vergleich zur Oberfläche des Sensorchips erhöht angeordnet sein. Dabei ist es bevorzugt, wenn diese Oberkante um mindestens 15 μm, vorzugsweise um mindestens 30 μm und besonders bevorzugt um mindestens 40 μm über die Oberfläche des Sensorchips herausragt, also senkrecht zur Hauptströmungsrichtung von dieser Oberfläche beabstandet ist. Diese Dimensionierung des mindestens einen Strömungsablösungselements hat sich angesichts typischer Ablagerungen auf dem Sensorchip als vorteilhaft erwiesen.

Das mindestens eine Strömungsablösungselement kann beispielsweise einen Strömungswall, einen Draht, eine Hilfsplatte, eine Stufe und/oder einen Überhang aufweisen, sowie Kombinationen der genannten Elemente. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn sich das mindestens eine Strömungsablösungselement im Wesentlichen parallel zur Oberfläche des Sensorchips erstreckt, so dass insbesondere die Oberkante der Erhebung sich im Wesentlichen parallel zur Oberfläche des Sensorchips erstreckt. Wie auch bei der Definition von „im Wesentlichen" bezüglich der parallelen Strömung des Luftmassenstroms über der Messoberfläche sollen auch hier Abweichungen von einer Parallelität von bis zu ca. 10° tolerierbar sein. Weiterhin ist es bevorzugt, wenn sich das mindestens eine Strömungsablösungselement im Wesentlichen senkrecht zur Hauptströmungsrichtung erstreckt. Auch hier sind wiederum Abweichungen von bis zu 10° tolerierbar.

Weiterhin kann, wie oben beschrieben, die Messoberfläche mindestens eine Leiterbahn aufweisen. Dabei kann es sich insbesondere um eine Leiterbahn eines oder mehrerer Temperaturfühler und/oder eines oder mehrerer Heizelemente handeln. In diesem Fall wird es erfindungsgemäß bevorzugt, wenn das mindestens eine Strömungsablösungselement der mindestens einen Leiterbahn (bzw. der am weitesten „stromaufwärts" bezüglich der Hauptströmungsrichtung gelegenen Leiterbahn) bezüglich der Hauptströmungsrichtung um mindestens 30 μm, vorzugsweise um mindestens 50 μm und besonders bevorzugt um mindestens 60 μm vorgelagert ist. Da in der Regel das mindestens eine Strömungsablösungselement selbst eine endliche Ausdehnung aufweist, beziehen sich diese Mindestangaben vorzugsweise auf die oben beschriebene Oberkante des mindestens einen Strömungsablösungselements, insbesondere auf den Abstand entlang der Hauptströmungsrichtung zwischen dieser Oberkante und der vordersten stromaufwärts gelegenen Leiterbahn. oder auf den der mindestens einen Leiterbahn nächstgelegenen Teil des mindestens einen Strömungsablösungselements. Diese Weiterbildung der Erfindung verhindert, dass der Ablösebereich sich zu stark auf den Bereich der mindestens einen Leiterbahn erstreckt, in welchem Falle über der mindestens einen Leiterbahn keine laminare Strömung des Luftmassenstroms mehr anzunehmen wäre. Der Ablösebereich würde dann bis über die mindestens eine Leiterbahn ragen und Messungen dort verfälschen. Leichte Überdeckungen des Ablösebereichs mit der mindestens einen Leiterbahn sind jedoch noch tolerierbar.

Abgesehen von diesem Minimalabstand zu den Leiterbahnen ergeben sich jedoch auch andere bevorzugte Anordnungen des mindestens einen Strömungsablösungselements. So ist es insbesondere bevorzugt, wenn der Sensorchip am Übergang zwischen der Messoberfläche und dem Chipfestland eine Grenzlinie aufweist, dass das mindestens eine Strömungsablösungselement der Grenzlinie (bzw. dem am meisten stromaufwärts gelegenen Abschnitt dieser Grenzlinie) bezüglich der Hauptströmungsrichtung um maximal 500 μm, vorzugsweise um maximal 300 μm und besonders bevorzugt um maximal 200 μm vorgelagert ist. Dieser Maximalabstand zur (stromaufwärts gelegenen) Grenzlinie ergibt sich dadurch, dass sich, wie oben beschrieben, Verunreinigungen (insbesondere Öltröpfchen) bevorzugt an der mit einem starken Temperaturgradienten beaufschlagten Grenzlinie ansammeln. Wird das mindestens eine Strömungsablösungselement zu weit stromaufwärts von dieser Grenzlinie angeordnet, so bewirkt dies, dass die Strömung sich bei Erreichen der Verunreinigungen an der Grenzlinie bereits wieder an die Chipoberfläche angelegt hat. Somit wird diese Strömung im Bereich der Grenzlinie bereits wieder durch Verunreinigungen an der Grenzlinie beeinflusst, so dass das mindestens eine Strömungsablösungselement seine Wirkung verloren hat. Analog zum oben gesagten ist bei einer endlichen Ausdehnung des mindestens einen Strömungsablösungselements insbesondere der Begriff „maximal" so zu verstehen, dass hierunter ein Abstand zwischen der Grenzlinie und der genannten Oberkante und/oder ein Abstand zwischen der Grenzlinie und dem am weitesten von der Grenzlinie entfernten Teil des mindestens einen Strömungsablösungselements zu subsumieren ist.

Neben den bereits oben genannten Ausführungsformen des mindestens einen Strömungsablösungselements kann das mindestens eine Strömungsablösungselement weiterhin dadurch realisiert werden, dass der Sensorchip in einen Chipträger vertieft eingelassen ist. Zu diesem Zweck wird der Sensorchip in einem Chipträger gehaltert, wobei der Chipträger eine vom Luftmassenstrom im Wesentlichen parallel überströmte Trägeroberfläche aufweist (Abweichungstoleranz wiederum ca. 10°). Dabei ist der Sensorchip mit einer Oberfläche bezüglich der Trägeroberfläche vertieft in den Chipträger eingelassen, wodurch sich am Übergang zwischen Chipträger und Sensorchip am anströmseitig (d.h. bezüglich der Hauptströmungsrichtung stromaufwärts gelegen) eine Stufe ausbildet. Die Stufe wirkt als Strömungsablösungselement und bildet einen Ablösebereich im Randbereich des Sensorchips aus. Vorzugsweise ist die Oberfläche des Sensorchips relativ zur Trägeroberfläche um mindestens 15 μm, insbesondere um mindestens 30 μm und besonders bevorzugt um mindestens 40 μm vertieft. Diese Ausführungsform ist insbe sondere (aber nicht ausschließlich) dann von Vorteil, wenn Schmutzablagerungen aufgrund von Thermogradientenkräften auch wirklich in Randnähe des Sensorchips zu erwarten sind und nicht weiter im Inneren der Oberfläche des Sensorchips. Insbesondere ist dies dann der Fall, wenn die Messoberfläche z.B. durch Porösifizierung großflächig hergestellt wird (im Gegensatz zu einer Membran, welche i. d. R. nicht großflächig erzeugt wird) und sich bis in die Nähe des Randbereichs der Chipoberfläche ausdehnt.

Zeichnung
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläutert. Es zeigt:
1 eine beispielhafte Aufteilung eines Sensorchips eines Heißfilmluftmassenmessers in eine Messoberfläche und ein Chipfestland;
2A eine schematische Darstellung der Beeinflussung eines Luftmassenstroms über einer Oberfläche durch eine auf der Oberfläche aufgebrachte Verunreinigung;
2B die Anordnung gemäß 2A mit einem vor der Verunreinigung aufgebrachten Strömungsablösungselement;
3A bis 3D verschiedene Ausführungsbeispiele der Ausgestaltung eines Strömungsablösungselements; und
4 eine Ausgestaltung eines Strömungsablösungselements in Form eines vertieft in einen Chipträger eingebrachten Sensorchips.
In 1 ist eine (bis auf ein erfindungsgemäßes Strömungsablösungselement, siehe unten) dem Stand der Technik entsprechende Ausgestaltung eines Sensorchips 110 (nur andeutungsweise dargestellt) eines Heißfilmluftmassenmessers abgebildet. Der Sensorchip 110 kann beispielsweise im Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine oder in einem Bypass-Kanal zum Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine eingesetzt werden. Derartige Vorrichtungen sind beispielsweise aus DE 196 01 791 A1 bekannt. Der Sensorchip gemäß der Ausgestaltung in 1 weist ein Chip-Festland mit einer Festlandsoberfläche 112 in der Zeichenebene (nur ansatzweise dargestellt) auf. In diesem Ausführungsbeispiel sei angenommen, dass sich bei dem Sensorchip 110 um einen Silizium-Sensorchip handelt. Weiterhin weist der Sensorchip 110 einen Messbereich mit einer Messoberfläche 114 in der Zeichenebene auf. Die Messoberfläche 114 ist in diesem Ausführungsbeispiel in Form eines Rechtecks 116 ausgestaltet, welches längere Seiten L_M 118, 120 senkrecht zu einer Hauptströmungsrichtung 122 eines Luftmassenstroms aufweist. Die längere Seite 118 stellt also den am weitesten stromaufwärts gelegenen Teil des Rechtecks 116 und somit der Grenzlinie der Messoberfläche 114 dar. Die kürzeren Seiten l_M des Rechtecks 116 sind mit den Bezugsziffern 124, 126 bezeichnet und sind parallel zur Hauptströmungsrichtung 122 angeordnet. Der Sensorchip 110 weist im Bereich der Messoberfläche 114 eine thermische Leitfähigkeit auf, welche bei ca. 0,1 bis 2 W/m K liegt, im Vergleich zum umgebenden Festland mit 126 W/m K. Dies kann durch eine Porosifizierung des Siliziums im Bereich der Messoberfläche 114 erreicht werden. Alternativ kann eine Sensormembran mit einer lateral im Wesentlichen durch die umgebende Luft bestimmten Wärmeleitfähigkeit von 0,026 W/m K eingesetzt werden.
Im Bereich der Messoberfläche 114 sind Leiterbahnen 128 einer zentralen Heißfilmluftmassenmesserschaltung angeordnet. Diese Leiterbahnen 128 setzen sich aus einem zentralen Heizelement 130 und zwei Temperaturfühlern 132, 134 zusammen. Dabei ist ein Temperaturfühler 132 stromaufwärts zum zentralen Heizelement 130 angeordnet und ein Temperaturfühler 134 stromabwärts. Die Leiterbahnen 128 begrenzen in Ihren äußeren Abmessungen auf der Messoberfläche 114 einen Sensorbereich 136. Dieser Sensorbereich 136 ist in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls in Form eines Rechtecks 138 ausgestaltet, welches die längeren Seiten 140, 142 und kürzere Seiten 144, 146 aufweist. Die anschlussseitige kürzere Seite 144 des Rechtecks liegt dabei auf der anschlussseitigen kürzeren Seite 124 des Rechtecks 116 der Messoberfläche. Die Seitenlängen des Rechtecks 138 des Sensorbereichs 136 sind in 1 mit L_S und l_S bezeichnet. In dem im Stand der Technik entsprechenden Ausführungsbeispiel gemäß 1 erstrecken sich die Leiterbahnen 128 der zentralen HFM-Schaltung bis nahezu an das äußere Rechteck 116 der Messoberfläche 114 heran. Typischerweise haben die längeren Seiten 118, 120 des Rechtecks 116 eine Länge L_M von ca. 1.600 μm und die kürzeren Seiten 124, 126 des Rechtecks 116 eine Länge von l_M = 450 bis 500 μm. Das Rechteck 138 des Sensorbereichs 136 ist dabei nur unwesentlich kleiner dimensioniert, wobei beispielsweise L_S ungefähr 0,9 bis 0,95 × L_M ist und l_S ungefähr 0,7 × l_M ist.
Weiterhin ist in 1 auch die Problematik der Ansammlung von Öltröpfchen 148 entlang des Rechtecks 116 der Messoberfläche 114 dargestellt. Diese Öltröpfchen 148 sind somit in unmittelbarer Nachbarschaft der Leiterbahnen 128 angeordnet. Eine leichte äußere Krafteinwirkung, beispielsweise durch den Luftmassenstrom, bewirkt, dass Öltröpfchen 148 auf die Leiterbahnen 128 getrieben werden. Weiterhin bewirkt die Ansammlung von Öltröpfchen 148 auch eine Veränderung der thermischen Leitfähigkeit des Sensorchips 110 im Bereich des Randes des Rechtecks 116 der Messoberfläche 114. Insbesondere kann durch die Öltröpfchen 148 die Leitfähigkeit am Übergang zwischen Messoberfläche 114 und Festlandsoberfläche 112 erhöht werden. Dies hat einen signifikanten Einfluss auf die Temperaturverteilung auf der Messoberfläche 114. Zudem bilden die Öltröpfchen 148 häufig einen Haftvermittler für Staub und Ruß. Weiterhin bildet sich in vielen Fällen ein „Ölwall" mit einer Höhe von ca. 15 bis 30 μm im Bereich des Randes des Rechtecks 116 der Messoberfläche aus, was zu Luftverwirbelungen in diesem Bereich führt, die sich erst nach einer gewissen Laufstrecke wieder beruhigen. Dieser Effekt ist in 2A im Detail dargestellt. Die 2A zeigt den Einfluss von Schmutzablagerungen im Anströmbereich eines Heißfilmluftmassenmessers auf das Geschwindigkeitsprofil des Luftmassenmessers über dem Sensorchip 110 des Heißfilmluftmassenmessers.
Bei der Darstellung in 2A ist vereinfachend angenommen, dass sich die Öltröpfchen 148 (siehe 1) auf der anströmseitigen längeren Seite 140 des Rechtecks 138 nunmehr zu einem „Verschmutzungswall" 210 aufgestaut haben. Neben Öltröpfchen 148 können auch weitere Verunreinigungen zu diesem Verschmutzungswall 210 beitragen, beispielsweise Staub oder andere Flugpartikel.
Weiterhin sind in 2A Strömungslinien 212 eines Luftmassenstroms dargestellt, welcher mit der Hauptströmungsrichtung 122 parallel über eine Oberfläche 214 des Sensorchips 110 strömt. Zusätzlich zu den Strömungslinien sind für eine Auswahl von Orten auf der Oberfläche 214 Strömungsprofile 216 dargestellt, welche das Geschwindigkeitsprofil des Luftmassenstroms über der Oberfläche 214 symbolisieren.
Wie aus der Darstellung gemäß 2A hervorgeht, bildet sich hinter (d.h. bezüglich der Hauptströmungsrichtung 122 stromabwärts) des Verschmutzungswalls 210 ein verschmutzungsbedingter Ablösebereich 218 aus. Die Grenze dieses verschmutzungsbedingten Ablösebe reichs 218 ist symbolisch durch die gestrichelte Linie 220 dargestellt. Während außerhalb des verschmutzungsbedingten Ablösebereichs 218 in dem Beispiel gemäß 2A eine im Wesentlichen laminare Strömung über der Oberfläche 214 herrscht, wird diese Strömung im verschmutzungsbedingten Ablösebereich 218 abgelöst, wodurch sich in diesem Ablösebereich 218 Luftverwirbelungen 222 ausbilden. Da sich, wie in 1 dargestellt, die Öltröpfchen 148 und somit der Verschmutzungswall 210 aufgrund des oben beschriebenen Temperaturgradienten überwiegend entlang der Seite 118 des Rechtecks 116 der Messoberfläche 114 ausbilden, reicht der verschmutzungsbedingte Ablösebereich 218 auf die Messoberfläche 114 und bis in den Bereich der Leiterbahnen 128. Typischerweise hat bei Luftströmungen von ca. 60 m/s der verschmutzungsbedingte Ablösebereich 210 eine Ausdehnung parallel zur Hauptströmungsrichtung 122 von ca. 200 bis 300 μm. Da die längere Seite 118 des Rechtecks 116 in 1 lediglich um eine Distanz Δ von ca. 68 bis 150 μm von der längeren Seite 140 des Rechtecks 138 beabstandet ist, beeinflusst somit der verschmutzungsbedingte Ablösebereich 218 das Strömungsverhalten oberhalb der Leiterbahnen 128. Da die Höhe des Verschmutzungswalls 210, wie oben beschrieben, zeitlich nicht konstant ist, ist somit auch das Geschwindigkeitsprofil 216 über dem Sensorbereich 136 zeitlich nicht konstant, was zu einer Drift und zeitlichen Instabilitäten des Messsignals des Heißfilmluftmassenmessers führt. In 2B ist hingegen ein Beispiel dargestellt, bei welchem, in Abwandlung zur 2A, dem Verschmutzungswall 210 ein erfindungsgemäßes Strömungsablösungselement 224 vorgelagert ist. Dieses Strömungsablösungselement 224 hat in der Darstellung gemäß 2B die Form einer Wand mit rechteckigem Querschnitt und einer Oberkante 226, welche in diesem Ausführungsbeispiel um eine Höhe H (Bezugsziffer 228) von ca. 30 μm oberhalb der Oberfläche 214 des Sensorchips 110 liegt. Somit hat das Strömungsablösungselement 224 in diesem Ausführungsbeispiel etwa die doppelte Höhe des Verschmutzungswalls 210 (ca. 15 μm, siehe oben).
Wie in 2B dargestellt, bildet sich, analog zur Beschreibung der 2A, nunmehr auch hinter dem Strömungsablösungselement 224 ein Ablösebereich 230 mit einer Grenze 232 des Ablösebereichs 230 aus, welcher den verschmutzungsbedingten Ablösebereich 218 praktisch vollständig einschließt. Im Gegensatz zur Darstellung gemäß 2A und dem verschmutzungsbedingten Ablösebereich 218 ist jedoch der Ablösebereich 230 des Strömungsablösungselements 224 nicht von der Höhe des Verschmutzungswalls 210 abhängig und somit zeitlich konstant. Somit kann dieser Ablösungsbereich 230, obwohl dieser ebenfalls eine Erstreckung bis hin zu den Leiterbahnen 128 aufweist, bei einer Kalibrierung des Heißfilmluftmassenmes sers mit berücksichtigt werden. Die Effekte des verschmutzungsbedingten Ablösebereichs 218 machen sich nicht oder nur unwesentlich zusätzlich bemerkbar, so dass die Kalibrierung des Heißfilmluftmassenmessers unabhängig ist von der Höhe des Verschmutzungswalls 210. Ein zusätzlicher Effekt des Strömungsablösungselements 224 besteht darin, dass verhindert wird, dass der Verschmutzungswall 210 durch den Luftmassenstrom auf den Sensorbereich 136 des Sensorchips 110 getrieben wird.
In 1 ist die Lage des (nicht dem Stand der Technik entsprechenden!) Strömungsablösungselements 224 symbolisch durch die gestrichelte Linie 150 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass sich in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel das Strömungsablösungselement 224 im Wesentlichen parallel zu den Leiterbahnschleifen 128, also im Wesentlichen senkrecht zur Hauptströmungsrichtung 122 des Luftmassenstroms, erstreckt. Der Abstand zwischen der längeren Seite 118 des Rechtecks 116 und dem Strömungsablösungselement 224 ist in der Darstellung gemäß 1 symbolische mit d bezeichnet und beträgt in diesem Ausführungsbeispiel ca. 200 μm.
In den 3A bis 3D sind verschiedene Ausführungsbeispiele zur Realisierung des Strömungsablösungselements 224 dargestellt, welche alternativ zu der in 2B eingesetzten „Wand" verwendet werden können. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass auch andere Ausführungsformen des Strömungsablösungselements 224 möglich sind. Dabei weist der Heißfilmluftmassenmesser in den Ausführungsbeispielen gemäß den 3A bis 3D jeweils einen Chipträger 310 auf, welcher über eine Anströmkante 312 vom Luftmassenstrom (symbolisch dargestellt durch die Strömungsrichtung 122) angeströmt bzw. überströmt wird. Der Chipträger 310 ist beispielsweise als Spritzguss-Kunststoffteil ausgestaltet. In den Chipträger 310 ist der Sensorchip 110 gemäß der obigen Beschreibung eingelassen, wobei die Oberfläche 214 des Sensorchips 110 im Wesentlichen bündig ist mit der Trägeroberfläche 314 des Chipträgers 310. Die Ausgestaltung der Messoberfläche 114 des Sensorchips 110 entspricht beispielsweise der Ausgestaltung in 1.
Die Ausführungsbeispiele der Heißfilmluftmassenmesser gemäß den 3A bis 3D unterscheiden sich in der Ausgestaltung des Strömungsablösungselements 224. So ist in der bevorzugten Ausgestaltung gemäß 3A das Strömungsablösungselement 224 als langer Draht ausgestaltet, welcher sich parallel zur Anströmkante 312 erstreckt. Dieses Ausführungsbeispiel ist bevorzugt, da sich diese Form des Strömungsablösungselements 224 technisch einfach realisieren lässt und somit zuverlässig und kostengünstig hergestellt werden kann. In 3B ist das Strömungsablösungselement 224 in Form einer Kleberaupe ausgestaltet, welche beispielsweise durch Aufbringen eines selbsthärtenden, eines UV-härtenden oder eines temperaturhärtenden Klebstoffes erzeugt werden kann. Auch dieser Ausgestaltung ist technisch vergleichsweise einfach und kostengünstig realisierbar.
In der Ausgestaltung gemäß 3C ist anströmseitig vor dem Sensorchip 110 ein Plättchen auf den Chipträger 310 aufgebracht, welches als Ganzes als Strömungsablösungselement 224 fungiert. In der Ausgestaltung gemäß 3D hingegen ist das Strömungsablösungselement 224 als Überhang ausgebildet, welcher um ca. 100 μm über den Sensorchip 110 ragt. Dieser Überhang kann beispielsweise als integraler Bestandteil des Chipträgers 310 ausgebildet sein und zum Beispiel bereits beim Fertigen (zum Beispiel Spritzgießen) des Chipträgers 310 angeformt werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Überhang auch als separates Bauelement auf den Chipträger 310 aufgebracht werden.
In 4 ist schließlich ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Heißfilmluftmassenmessers dargestellt, bei welchem der Sensorchip 110 vertieft in den Chipträger 310 eingebracht ist. Der Sensorchip 110 ist wiederum analog zur Darstellung in 1 ausgestaltet und weist eine Chipoberfläche 214 mit einer Messoberfläche 114 und einer Festlandsoberfläche 112 auf. Das Ausführungsbeispiel gemäß 4 ist, wie oben beschrieben, insbesondere vorteilhaft für Sensorchips 110, bei denen die Messoberfläche 114 nahe (d.h. z.B. < 400 μm) an den Rand der Chipoberfläche 214 heranreicht, also beispielsweise bei durch Porösifizierung hergestellten Messoberflächen 114. Die Oberfläche 114 des Sensorchips 110 ist gegenüber der Trägeroberfläche 314 in diesem Ausführungsbeispiel um ca. 60 μm vertieft, so dass die Kante 410 das Strömungsablösungselement 224 bildet und der Oberkante 226 in der Darstellung gemäß 2B entspricht. Somit bildet sich hinter der Kante 410, analog zur 2B, ein Ablösebereich 230 aus. Dieser Ablösebereich 230 umfasst den Verschmutzungswall 210 und einen gegebenenfalls vorhandenen verschmutzungsbedingten Ablösebereich 218 des Verschmutzungswalls 210. Somit hat das Strömungsablösungselement 224 in diesem Ausführungsbeispiel die gleiche Wirkung wie in den oben beschriebenen Fällen. Der Sensorchip 110 ist in diesem Beispiel über eine Verbindungsschicht 412 (beispielsweise einen Klebstoff) mit dem Chipträger 310 verbunden und fest in diesen eingelassen. Durch Veränderung der Dicke der Verbindungsschicht 412 kann die Stärke der Vertiefung der Oberfläche 214 des Sensorchips 110 gegenüber der Trägeroberfläche 314, und somit die Größe des Ablösebereichs 230, eingestellt werden.

Claims

Heißfilmluftmassenmesser zur Messung eines mit einer Hauptströmungsrichtung (122) strömenden Luftmassenstroms, insbesondere zum Einsatz im Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Heißfilmluftmassenmesser einen Sensorchip (110) mit einer Messoberfläche (114) aufweist, wobei der Luftmassenstrom im Wesentlichen parallel über eine Oberfläche (214) des Sensorchips (110) strömt, gekennzeichnet durch mindestens ein der Messoberfläche (114) bezüglich der Hauptströmungsrichtung (122) vorgelagertes Strömungsablösungselement (224), wobei das mindestens eine Strömungsablösungselement (224) ausgestaltet ist, um den Luftmassenstrom vor Erreichen der Messoberfläche (114) in mindestens einem Ablösebereich (230) von der Oberfläche (214) des Sensorchips (110) abzulösen.
Heißfilmluftmassenmesser gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Strömungsablösungselement (224) mindestens eine Erhebung aufweist, wobei die mindestens eine Erhebung mindestens eine senkrecht zur Hauptströmungsrichtung (122) von der Oberfläche (214) des Sensorchips (110) beabstandete Oberkante (226; 410) aufweist.
Heißfilmluftmassenmesser gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberkante (226; 410) der Erhebung um eine Höhe H von mindestens 15 μm senkrecht zur Hauptströmungsrichtung (122) von der Oberfläche (214) des Sensorchips (110) beabstandet ist, vorzugsweise um mindestens 30 μm und besonders bevorzugt um mindestens 40 μm.
Heißfilmluftmassenmesser gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Strömungsablösungselement (224) mindestens eines der folgenden Elemente aufweist: einen Strömungswall; einen Draht; eine Hilfsplatte; eine Stufe; einen Überhang.
Heißfilmluftmassenmesser gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das mindestens eine Strömungsablösungselement (224) im Wesentlichen parallel zur Oberfläche (214) des Sensorchips (110) und/oder im Wesentlichen senkrecht zur Hauptströmungsrichtung (122) erstreckt.
Heißfilmluftmassenmesser gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messoberfläche (114) mindestens eine Leiterbahn (128) aufweist, wobei das mindestens eine Strömungsablösungselement (224) der mindestens einen Leiterbahn (128) bezüglich der Hauptströmungsrichtung (122) um mindestens 30 μm, vorzugsweise um mindestens 50 μm und besonders bevorzugt um mindestens 60 μm vorgelagert ist.
Heißfilmluftmassenmesser gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorchip (110) weiterhin ein die Messoberfläche (114) umgebende Festlandsoberfläche (112) aufweist, wobei ein Übergang zwischen der Messoberfläche (114) und der Festlandsoberfläche (112) Chipfestland eine Grenzlinie (118) definiert, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Strömungsablösungselement (224) der Grenzlinie (118) bezüglich der Hauptströmungsrichtung (122) um maximal 50 μm, vorzugsweise um maximal 300 μm und besonders bevorzugt um maximal 200 μm vorgelagert ist.
Heißfilmluftmassenmesser gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, zusätzlich aufweisend einen Chipträger (310), wobei der Sensorchip (110) in dem Chipträger (310) gehaltert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Chipträger (310) eine vom Luftmassenstrom im Wesentlichen parallel überströmte Trägeroberfläche (314) aufweist, wobei der Sensorchip (110) mit seiner Oberfläche (214) bezüglich der Trägeroberfläche (314) vertieft in den Chipträger (310) eingelassen ist, wobei am Übergang zwischen Chipträger (310) und Sensorchip (110) anströmseitig eine Kante (410) ausgebildet ist.
Heißfilmluftmassenmesser gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Sensorchips (110) relativ zur Trägeroberfläche (314) um min destens 15 μm, vorzugsweise um mindestens 30 μm und besonders bevorzugt um mindestens 40 μm, vertieft ist.