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Die
Erfindung betrifft einen Strömungssensor
zur Messung der charakteristischen Eigenschaften einer Fluidströmung mit
einem in einen Strömungskanal
einbringbaren Sensorelement, dem eine Sensorschaltung nachgeschaltet
ist.
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Ein
derartiger Strömungssensor
ist aus der
DE
10 2004 038 988 B3 bekannt. Bei dem bekannten Strömungssensor
handelt es sich um einen thermischen Strömungssensor, der ein Substrat
aufweist, das mit einem Temperaturmessarm und einem Heizarm versehen
ist. Auf dem Temperaturmessarm und dem Heizarm sind jeweils ein
Temperaturfühler
und ein Heizelement angeordnet, die jeweils mit einer Sensorschaltung
verbunden sind, die ebenfalls auf dem Substrat ausgebildet ist.
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Die
Sensorschaltung hält
die Temperatur des Heizwiderstands um eine vorbestimmte Temperaturdifferenz über der
Temperatur des Messwiderstands. Da die dafür notwendige Heizleistung um
so größer ist,
je stärker
die Fluidströmung
ist, kann die dafür
nötige
Heizleistung als Maß für die Strömungsgeschwindigkeit
des Fluids dienen.
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Da
das Heizelement und der Temperaturfühler direkt in Kontakt mit
der Fluidströmung
stehen, kann es zur Verschmutzung von denjenigen Seiten des Heizelements
und des Temperaturfühlers
kommen, die der Fluidströmung
zugewandt sind. Diese Verschmutzung kann zu Signaldriften führen.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe
zugrunde, einen Strömungssensor
zu schaffen, dessen Sensorelemente nach Möglichkeit vor Verschmutzung
geschützt
sind.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Strömungssensor
mit den Merkmalen des unabhängigen
Anspruchs gelöst.
In davon abhängigen
Ansprüchen sind
vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben.
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Bei
dem Strömungssensor
ist in Strömungsrichtung
vor dem Sensorelement ein das Sensorelement vor unmittelbarer Anströmung durch
die Fluidströmung
schützender
Strömungsschutzkörper angeordnet.
Damit lagern sich die in der Fluidströmung enthaltenen Schmutzpartikel
vorzugsweise an dem Strömungsschutzkörper an,
während
das Sensorelement weitgehend von Verschmutzungen frei bleibt.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Strömungsschutzkörper Teil
eines die Sensorschaltung tragenden Substrats. Diese Ausführungsform
bietet den Vorteil, dass das Substrat, das die Sensorschaltung trägt, und
der Strömungsschutzkörper in
einem Arbeitsgang strukturiert werden können.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist das Sensorelement auch auf dem Substrat ausgebildet, das die
Sensorschaltung trägt.
In diesem Fall kann der das Sensorelement tragende Teil des Substrats
zusammen mit dem restlichen Substrat ausgebildet und strukturiert
werden.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ist das Sensorelement von dem die Sensorschaltung tragenden Teil
des Substrats getrennt angeordnet. Dadurch kann das Sensorelement
thermisch vom übrigen
Substrat entkoppelt werden, wodurch sich kürzere Reaktionszeiten ergeben.
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Dabei
ist das Sensorelement vorzugsweise ein Bauelement, das über freitragende
Kontaktleitungen mit Leiterbahnen des Substrats verbunden ist, auf
dem die Sensorschaltung angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform
sind das Sensorelement und das die Sensorschaltung tragende Substrat
thermisch entkoppelt, so dass sich ebenfalls kurze Reaktionszeiten
ergeben.
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Vorzugsweise
wird der Strömungsschutzkörper durch
eine Verdickung des in Strömungsrichtung vor
dem Sensorelement gelegenen Abschnitts des Substrats bewerkstelligt.
Der Strömungsschutzkörper weist
daher einen größeren Strömungsquerschnitt
als das Sensorelement auf. Der Strömungsquerschnitt des Strömungsschutzkörpers deckt
somit den Strömungsquerschnitt
des Sensorelements ab. Dadurch ist das Sensorelement wirksam vor
der unmittelbaren Anströmung
durch die Fluidströmung
geschützt.
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Weiterhin
kann das Substrat aus mehreren aufeinander gestapelten Substratschichten
gefertigt sein. Die Anzahl der Substratschichten kann im Bereich
der Strömungsschutzkörpers erhöht werden, um
die lokale Verdickung des Substrats zu erreichen.
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Die
Substratschichten werden vorzugsweise auf der Grundlage eines Materials
hergestellt, das aus Keramikpulver und organischem Bindemittel gemischt
ist. Mehrere derartige Substratschichten können aufeinander gestapelt
werden und nach Abschluss des Formprozesses einer Wärmebehandlung
unterzogen werden, die zu einem mechanisch festen Substrat führt.
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Falls
es sich bei dem Strömungssensor
um einen thermischen Luftmassesensor handelt, verfügt der Strömungssensor über wenigstens
zwei Sensorelemente, von denen eines ein Heizelement und das andere
ein Temperaturfühler
ist. Beide Sensorelemente können
in Strömungsrichtung
hintereinander angeordnet sein und von vor den Sensorelementen angeordneten
Strömungsschützkörpern vor
einer unmittelbaren Anströmung
durch die Fluidströmung
geschützt
sein.
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten der Erfindung gehen aus der nachfolgenden
Beschreibung hervor, in der Ausführungsbeispie le
der Erfindung anhand der beigefügten
Zeichnung im Einzelnen erläutert
werden. Es zeigen:
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1 eine
Schaltungsanordnung zur Verdeutlichung des Messprinzips eines thermischen Anemometers;
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2 eine
Aufsicht auf einen thermischen Strömungssensor;
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3 eine
Querschnittsansicht entlang der Schnittlinie III-III in 2;
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4 eine
Aufsicht auf einen weiteren Strömungssensor;
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5 eine
Querschnittsansicht entlang der Schnittlinie V-V in 4.
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1 zeigt
eine Sensorschaltung 1, die dazu dient, die Geschwindigkeit
einer Fluidströmung 2 in einem
Strömungskanal 3 zu
bestimmen. Bei dem Strömungskanal 3 kann
es sich beispielsweise um ein Ansaugrohr oder einer Abgasleitung
eines Verbrennungsmotors handeln.
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Die
Sensorschaltung 1 umfasst einen Temperaturmesswiderstand 4 und
einen Heizwiderstand 5, die zusammen mit Brückenwiderständen 6 und 7 eine
einseitig mit Masse 8 verbundene Messbrücke bilden. Dabei bilden der
Temperaturmesswiderstand 4 und der Brückenwiderstand 6 sowie
der Heizwiderstand 5 und der Brückenwiderstand 7 jeweils
Spannungsteiler der Messbrücke.
Die Teilspannungen der Messbrücken
werden den Eingängen
eines Operationsverstärkers 9 zugeführt. Der
Ausgang des Operationsverstärkers 9 stellt
die an den Spannungsteilern anliegende Spannung so ein, dass sich
gleiche Teilspannungen ergeben. Dadurch wird der Strom durch den
Heizwiderstand 5 in Abhängigkeit
von der Fluidströmung 2 geregelt.
Der zum Beheizen des Heizwiderstands 5 erforderliche Heizstrom
ist dabei umso größer, je
größer die
Kühlung
des Heizwiderstands 5 durch die Fluidströmung 2 ist.
Da der durch den Heizwiderstand 5 fließende Heizstrom auch durch
den Brückenwiderstand 7 fließt, ist
die über
den Brückenwiderstand 7 abfallende
Spannung ein Maß für den durch
den Heizwiderstand 5 fließenden Heizstrom. An einem
die Spannung zwischen Heizwiderstand 5 und Brückenwiderstand 7 abgreifenden
Ausgangsverstärkern 10 kann
daher eine zum Heizstrom durch den Heizwiderstand 5 proportionaler
Ausgangsspannung abgegriffen werden, die einer Auswerteeinheit 11 zur
weiteren Verarbeitung zugeführt
werden kann. In der Auswerteeinheit 11 kann das Ausgangssignal des
Ausgangsverstärkers 10 beispielsweise
linearisiert oder zu Bestimmung eines integrierten Massenstromwertes
integriert werden.
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2 zeigt
einen Strömungssensor 12 für die in 1 dargestellte
Sensorschaltung 1. Der Strömungssensor 2 weist
einen Messarm 13 und einen Heizarm 14 auf. Auf
dem Messarm 13 ist der Temperaturmesswiderstand 4 und
auf dem Heizarm 14 der Heizwiderstand 5 ausgebildet.
Beide sind über Leiterbahnen 15 mit
einem Bauelement 16 verbunden. Bei dem Bauelement 16 kann
es sich beispielsweise um eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung
(= ASIC) handeln, die die Brückenwiderstände 6 und 7,
den Operationsverstärker 9,
den Ausgangsverstärker 10 und
die Auswerteschaltung 11 umfasst. Das Bauelement 16 kann
schließlich
an Anschlüssen 17 mit
einer externen Schaltung verbunden werden.
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Der
Strömungssensor 12 verfügt ferner über Strömungsschutzarme 18, 19 und 20,
die gegenüber dem
Messarm 13 und dem Heizarm 14 verdickt sind.
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Die
Strömungsschutzarme 18, 19 und 20 sowie
der Messarm 13 und der Heizarm 14 sind Teil eines
Substrats 21, auf dem auch die Leiterbahnen 15 ausgebildet
sind und auf dem das Bauelement 16 angeordnet ist. Das
Substrat 21 ist vorzugsweise aus einer Vielzahl von dünnen keramischen
Schichten gebildet, wobei die Anzahl der keramischen Schichten im
Bereich der Strömungsschutzarme 18, 19 und 20 größer als
im Bereich des Messarms 13 und des Heizarms 14 ist.
Insbesondere kann es sich bei dem Substrat 21 um eine so
genannte LTCC (= low temperature cofired ceramics) handeln. Durch
die Strömungsschutzarme 18 und 19 werden
der Messarm 13 und der Heizarm 14 vor direkter
Anströmung durch
die Fluidströmung 2 geschützt. Insbesondere lagern
sich Schmutzpartikel vorzugsweise an einer Vorderseite 22 des
Strömungssensors 12 an.
Damit ist der Messarm 13 durch den Strömungsschutzarm 18 geschützt, während der
Strömungsschutzarm 19 eine
direkte Anströmung
des Heizarms 14 verhindert. Die Strömungsschutzarme 19 und 20 haben
ferner die Aufgabe, die Strömung
im Bereich des Messarms 13 und des Heizarms 14 nach
Möglichkeit
laminar zu halten.
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3 zeigt
eine Querschnittsansicht entlang der Schnittlinie III – III in 2 durch
den Strömungssensor 12.
Anhand 3 sind die verdickten Strömungsschutzarme 18, 19 und 20 deutlich
zu erkennen.
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Es
sei angemerkt, dass der Messarm 13 und der Heizarm 14 im Übergangsbereich
zum restlichen Substrat 21 verjüngt sein kann, um den Temperaturmesswiderstand 4 und
den Heizwiderstand 5 nach Möglichkeit thermisch vom Rest
des Substrats 21 zu entkoppeln.
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In 4 ist
ein weiterer Strömungssensor 23 dargestellt,
bei dem der Temperaturmesswiderstand 4 und der Heizwiderstand 5 jeweils über Kontaktstifte 24 mit
den Leiterbahnen 15 verbunden sind, die zum Bauelement 16 führen. Der
Temperaturmesswiderstand 4 und der Heizwiderstand 5 sind
in Ausnehmungen 25 und 26 eines Substrats 27 angeordnet. Das
Substrat 27 weist eine Dicke auf, die größer ist als
die Dicke des Temperaturmesswiderstands 4 und des Heizwiderstands 5.
Dadurch wirft das Substrat 27 als eine strömungsabweisende
Umrahmung, da ein vorderes Rahmenteil 28 verhindert, dass
der Temperaturmesswiderstand 4 unmittelbar angeströmt wird.
In der Fluidströmung 2 enthaltene Schmutzpartikel
lagern sich daher vorzugsweise an der Vorderkante 22 des
vorderen Rahmenteils 28 an. Ein mittleres Rahmenteil 29 bewirkt
das Gleiche für den
Heizwiderstand 5, während
ein hinteres Rahmenteil 30 zusammen mit dem mittleren Rahmenteil 29 dazu
vorgesehen ist, die Strömung
im Bereich des Heizwiderstands 5 laminar zu halten.
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Der
Strömungssensor 23 bietet
den Vorteil, dass der Temperaturmesswiderstand 4 und der
Heizwiderstand 5 thermisch vom Substrat 27 entkoppelt sind.
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5 zeigt
einen Querschnitt durch den Strömungssensor 23 entlang
der Schnittlinie V – V
in 4. Anhand 5 ist erkennbar,
dass das Substrat 27 aus einer Kernschicht 31 besteht,
auf die Verdickungsschichten 32 aufgebracht sind. Die Verdickungsschichten 32 können auf
den Temperaturmesswiderstand 4 und den den Heizwiderstand 5 umrahmenden
Bereich des Substrats 27 beschränkt sein.
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Daneben
ist es möglich,
von vornherein das Substrat 27 so dick zu wählen, dass
die Dicke des Temperaturmesswiderstands 4 und des Heizwiderstands 5 übertroffen
wird.
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Abschließend sei
darauf hingewiesen, dass Merkmale und Eigenschaften, die im Zusammenhang
mit einem bestimmten Ausführungsbeispiel
beschrieben worden sind, auch mit einem anderen Ausführungsbeispiel
kombiniert werden können,
außer wenn
dies aus Gründen
der Kompatibilität
ausgeschlossen ist.
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Schließlich wird
noch darauf hingewiesen, dass in den Ansprüchen und in der Beschreibung
der Singular den Plural einschließt, außer wenn sich aus dem Zusammenhang
etwas anderes ergibt. Insbesondere wenn der unbestimmte Artikel
verwendet wird, ist sowohl der Singular als auch der Plural gemeint.
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- 1
- Sensorschaltung
- 2
- Fluidströmung
- 3
- Strömungskananl
- 4
- Temperaturmesswiderstand
- 5
- Heizwiderstand
- 6
- Brückenwiderstand
- 7
- Brückenwiderstand
- 8
- Masse
- 9
- Operationsverstärker
- 10
- Ausgangsverstärker
- 11
- Auswerteeinheit
- 12
- Strömungssensor
- 13
- Messarm
- 14
- Heizarm
- 15
- Leiterbahn
- 16
- Bauelement
- 17
- Anschlüsse
- 18
- Strömungsschutzarm
- 19
- Strömungsschutzarm
- 20
- Strömungsschutzarm
- 21
- Substrat
- 22
- Vorderseite
- 23
- Strömungssensor
- 24
- Kontaktstift
- 25
- Ausnehmung
- 26
- Ausnehmung
- 27
- Substrat
- 28
- vorderes
Rahmenteil
- 29
- mittleres
Rahmenteil
- 30
- hinteres
Rahmenteil
- 31
- Kernschicht
- 32
- Verdickungsschicht