DE102006060343B4

DE102006060343B4 - Durchflussdetektorelement eines thermosensiblen Durchflusssensors

Info

Publication number: DE102006060343B4
Application number: DE102006060343A
Authority: DE
Inventors: Masahiro Kawai
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-05-05
Filing date: 2006-12-20
Publication date: 2011-06-16
Anticipated expiration: 2026-12-21
Also published as: US7426857B2; KR100849011B1; US20070295083A1; JP2007304041A; KR20070110763A; JP4205116B2; DE102006060343A1

Abstract

Durchflusssensorelement (1), bei dem ein Trägerfilm (3) auf der Oberfläche eines Substrats (2) ausgeformt ist sowie ein Wärmewiderstand (4) und ein Fluidtemperaturmesswiderstand (5), die aus einem thermosensiblen Widerstandsfilm hergestellt sind, auf dem Trägerfilm (3) ausgeformt sind und unter dem Wärmewiderstand (4) und dem Fluidtemperaturmesswiderstand (5) Kavitäten (9a und 9b) vorgesehen sind, die durch Entfernen eines Teils des Substrats (2) ausgeformt sind,
wobei die obere Oberfläche der Kavität (9b), welche unter dem Fluidtemperaturmesswiderstand (5) angeordnet ist, innerhalb eines Abschnitts geformt ist, in dem der Fluidtemperaturmesswiderstand (5) angeordnet ist,
wobei die Kavität (9b) bis zum Trägerfilm (3) ausgeformt ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen thermosensiblen Durchflusssensor, zum Messen beispielsweise des Einlassluftstroms eines Verbrennungsmotors und, genauer, auf ein Durchflusssensorelement eines thermosensiblen Durchflusssensors zum Messen der Fließgeschwindigkeit oder des Volumenstroms von Fluid auf Basis des Phänomens eines Wärmetransfers von einem Wärmegenerator oder einem Teil, welches durch den Wärmegenerator aufgeheizt ist, auf das Fluid.
2. Beschreibung des Standes der Technik
DE 197 51 101 A1 offenbart ein wärmeempfindliches Flussratenmesselement und einen dieses verwendenden Flussratensensor, wobei ein Fluidtemperaturmesselement und in dessen Nähe eine Kerbe vorgesehen sind.
Ein herkömmlicher thermosensibler Durchflusssensor ist ein solcher, in dem auf einem Substrat ein Wärmewiderstand und ein Fluidtemperaturmesswiderstand vorgesehen ist, und eine Kavität, die durch teilweises Entfernen des Substrats ausgebildet ist, ist unter dem Wärmewiderstand angeordnet, so wie es in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 3455473 offenbart ist.
Weiterhin ist ein weiterer herkömmlicher thermosensibler Durchflusssensor ein solcher, bei dem ein Wärmewiderstand und ein Fluidtemperaturmesswiderstand auf einem Substrat vorgesehen sind, und Kavitäten sind individuell unter jedem dieser Wärmewiderstände und Fluidtemperaturmesswiderstände geformt, so wie es in der (ungeprüften) japanischen Patentveröffentlichung Nr. 249693/1994 offenbart ist.
In dem Fall, in dem ein wie oben beschriebener thermosensibler Durchflusssensor an einem Automobil montiert ist um eine Motorsteuerung auszubilden, gibt es einige Fälle in denen das Gaspedal voll durchgetreten wird um einen schnellen Start durchzuführen aus einem Zustand heraus, in dem Leerlaufbetrieb bei einer konstanten Temperatur weitergeführt wird, und dann wird die Temperatur in einem Motorraum hinreichend erhöht.
In diesem Fall herrscht beim Leerlaufbetrieb im Motorraum eine hohe Temperatur und bei einem in dem Motorraum montierten thermosensiblen Durchflusssensor sind die Temperatur eines Luftstromes, welcher durch den thermosensiblen Durchflusssensorabschnitt hindurchfließt, und die Temperatur eines Elementhalteabschnitts des thermosensiblen Durchflusssensors beide in einem Hochtemperaturzustand. Wenn ein schneller Start und eine starke Beschleunigung zu solch einer Zeit durchgeführt werden, wird, obwohl der Motorraum noch bei einer hohen Temperatur verbleibt, ein Luftstrom, der durch den thermosensiblen Durchflusssensor und den Elementhalteabschnitt hindurchfließt, gekühlt werden.
Bezüglich dessen wird in der oben genannten japanischen Patentveröffentlichung Nr. 3455473 ein Wärmewiderstand und ein Fluidtemperaturmesswiderstand auf einem Substrat ausgeformt und eine Kavität wird unter dem Wärmewiderstand alleine ausgeformt. Daher wird die Wärmekapazität in dem Fluidtemperaturmesswiderstandsabschnitt größer, wodurch Verzögerungen in der thermischen Antwort bezüglich der Veränderung der Temperaturen eines Luftstromes an dem Fluidtemperaturmesswiderstand auftreten, und ein Fluidtemperaturermittlungsfehler tritt auf, welcher möglicherweise im Auftreten von Fehlern in den Ermittlungswerten der Volumenströme resultiert.
Weiterhin ist in der oben genannten (ungeprüften) japanischen Patenveröffentlichung Nr. 249693/1994 eine Kavität sowohl unter dem Temperaturmesswiderstand ausgeformt als auch unter dem Wärmewiderstand, so dass es selbst wenn die Temperatur des Fluids variiert wird, möglich ist, den Messfehler an dem Fluidtemperaturmesswiderstand zu reduzieren. Es existiert jedoch ein Problem dahingehend, dass die thermische Antwort am Fluidtemperaturmesswiderstand zu früh auftritt.
Das heißt, dass die Wärmekapazität an dem Elementhalteabschnitt groß ist, so dass thermische Antwortverzögerungen an dem Elementhalteabschnitt auftreten werden und daher wird ein Ungleichgewicht zwischen der thermischen Antwort des Fluidtemperaturmesswiderstandes und der thermischen Antwort des Elementhalteabschnitts auftreten. Als ein Resultat existiert ein Problem im Auftreten von Fehlern der Ermittlungswerte der Durchflussraten.
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht um die vorgenannten Probleme zu lösen und weist eine Aufgabe des Bereitstellens eines hochzuverlässigen thermosensiblen Durchflusssensors auf, in dem durch das Ausformen einer Kavität innerhalb eines Bereichs (um sie innerhalb anzuordnen) eines Abschnitts, in dem ein Fluidtemperaturmesswiderstand angeordnet ist, die Detektionsgenauigkeit der Volumenströme selbst in dem Fall höher gemacht wird, in dem die Temperatur des Fluids variiert wird, oder wenn es irgendeinen Unterschied zwischen der Temperatur des Fluids und der Temperatur um den thermosensiblen Durchflusssensor herum gibt, und weiterhin die Festigkeit an dem Kavitätsabschnitt höher gemacht wird.
Bei einem Durchflussdetektorelement für einen thermosensiblen Durchflusssensor gemäß der Erfindung wird ein Trägerfilm auf der Oberfläche eines Substrats ausgeformt, sowie ein Wärmewiderstand und ein Fluidtemperaturmesswiderstand werden aus einem thermosensiblen Widerstandsfilm auf dem Trägerfilm hergestellt und es werden unter dem Wärmewiderstand und dem Fluidtemperaturmesswiderstand durch das Entfernen eines Teils des Substrats Kavitäten ausgeformt. Die obere Oberfläche der Kavität, die unter dem Fluidtemperaturmesswiderstand angeordnet ist, wird mit einem Abschnitt ausgeformt, in dem der Fluidtemperaturmesswiderstand angeordnet ist.
Als ein Resultat ist es möglich, eine höhere Detektionsgenauigkeit von Volumenströmen selbst in dem Fall zu erreichen, in dem die Temperatur des Fluids variiert wird oder in dem ein Unterschied zwischen der Temperatur des Fluids und der Temperatur um den thermosensiblen Durchflusssensor herum auftritt, und es ist weiterhin möglich, die Festigkeit am Kavitätsabschnitt höher zu machen.
Die vorgenannten und weiteren Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung klarer werden, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gesehen wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Draufsicht, die ein Durchflussdetektorelement zur Verwendung in einem thermosensiblen Durchflusssensor gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A in 1;
3 ist eine Vorderansicht, die den thermosensiblen Durchflusssensor gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
4 ist eine Durchschnittsansicht entlang der Linie B-B in 3;
5 ist ein Schaltkreisdiagramm, das einen Steuerschaltkreis des thermosensiblen Durchflusssensors gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
6 ist ein Diagramm, das die Veränderung der Volumenströme des thermosensiblen Durchflusssensors gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
7 ist ein Diagramm, das die Veränderung der Einlasslufttemperatur, der Temperatur eines Fluidtemperaturmesswiderstandes und der Temperatur eines Elementhalteabschnitts eines herkömmlichen thermosensiblen Durchflusssensors über der Zeit zeigt;
8 ist eine Draufsicht auf ein Durchflussdetektorelement zur Verwendung in dem thermosensiblen Durchflusssensor; und
9 ist ein Diagramm, das die Veränderung der Einlasslufttemperaturen, der Temperaturen eines Fluidtemperaturmesswiderstandes und der Temperaturen eines Elementhalteabschnitts an dem thermosensiblen Durchflusssensor gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung über der Zeit zeigt.
BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend beschrieben. 1 ist eine Draufsicht, die ein Durchflussdetektorelement zur Verwendung in einem thermosensiblen Durchflusssensor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt und 2 ist eine Durchschnittsansicht entlang der Linie A-A in 1. 1 zeigt einen Zustand, in dem ein Schutzfilm entfernt ist. Zusätzlich sind die 1 und 2 nicht in den tatsächlichen Dimensionsverhältnissen gezeichnet, um die Konstruktion klar verständlich zu machen. Jede der nachfolgend gezeigten Zeichnungen ist ebenfalls nicht in ihren tatsächlichen Dimensionsverhältnissen gezeichnet.
Unter Bezugnahme auf 1 und 2 ist ein Substrat 2 eines Durchflussdetektorelements 1 aus Silizium hergestellt und ein Trägerfilm 3, der Isolierungseigenschaften aufweist und aus Siliziumnitrit hergestellt ist, ist über die gesamte obere Oberfläche des Substrats 2 hinweg ausgeformt. Weiterhin sind auf dem Trägerfilm 3 ein Wärmewiderstand 4 und Fluidtemperaturmesswiderstand 5 ausgeformt, die aus einem thermosensiblen Widerstandsfilm ausgeformt sind, und Leitungsmuster 6a bis 6d. Weiterhin ist ein Schutzfilm 7, welcher Isolationseigenschaften aufweist und aus Siliziumnitrit hergestellt ist, auf dem Trägerfilm 3 so ausgeformt, dass er den Wärmewiderstand 4, den Fluidtemperaturmesswiderstand 5, und die Leitungsmuster 6a bis 6d überdeckt. Zusätzlich ist der thermosensible Widerstandsfilm ein Widerstandsfilm, der aus einem Material hergestellt ist, dessen Widerstand von der Temperatur abhängig ist und zum Beispiel Platin ist.
Durch das Entfernen des Schutzfilms 7, welcher über den Endabschnitten jedes der Leitungsmuster 6a bis 6d angeordnet ist, und durch das Freilegen der Leitungsmuster werden die Elektroden 8a bis 8d ausgeformt. Die Elektroden 8a bis 8d werden dann elektrisch extern durch bekannte Verfahren, beispielsweise durch Drahtbonden (engl. wire bonding), elektrisch verbunden, wodurch die Wärmewiderstände 4 und der Fluidtemperaturmesswiderstand 5 elektrisch extern über die Leitungsmuster 6a bis 6d und die Elektroden 8a bis 8d verbunden sind.
Weiterhin werden Teile des Substrats 2, die unter dem Wärmewiderstand 4 und dem Fluidtemperaturmesswiderstand 5 angeordnet sind, unter Ausformung einer Trapezform bis zum Trägerfilm 3 entfernt und dann wird eine Kavität 9a und eine Kavität 9b, welche Räume sind, ausgeformt. Auf diese Weise ist der Wärmewiderstand 4 zwischen dem Trägerfilm 3 und dem Schutzfilm 7 eingelegt (engl. sandwiched), wobei eine Membran 10a, welche als ein Teil mit einer niedrigen Wärmekapazität funktioniert, ausgeformt wird. Diese Membran 10a wird durch das Substrat 2 umgeben und gehalten.
Gleicherweise wird der Fluidtemperaturmesswiderstand 5 zwischen dem Trägerfilm 3 und dem Schutzfilm 7 eingelegt, wodurch eine Membran l0b, welche als ein Teil mit einer niedrigen Wärmekapazität funktioniert, geformt wird. Diese Membran 10b ist durch das Substrat 2 umgeben und wird von ihm gehalten.
Nun wird ein Herstellungsverfahren eines Durchflussdetektorelements 1, welches so wie oben erläutert konstruiert ist, beschrieben werden. Als erstes wird ein Siliziumnitritfilm von 1 μm Dicke vollständig über der oberen Oberfläche des Substrates 2 von 0,4 μm in der Dicke durch ein Verfahren wie beispielsweise Sputtering, CVD (chemische Dampfablagerung) oder Ähnliches ausgeformt, wodurch der Trägerfilm 3 auf dem Substrat 2 ausgeformt wird.
Nachfolgend wird ein Platinfilm von 0,2 μm Dicke durch ein Verfahren wie beispielsweise Dampfablagerung (engl. vapour deposition), Sputtering oder Ähnliches vollständig über die Oberfläche des Substrats 2 hinweg, auf welchem der Trägerfilm 3 ausgeformt ist, ausgeformt und dann wird der Platinfilm einer Musterbildung unterworfen durch Verfahren wie beispielsweise einem Photoeinschreiben, Feuchtätzen, Trockenätzen oder Ähnlichem, wodurch der Wärmewiderstand 4, der Fluidtemperaturmesswiderstand 5 und die Leitungsmuster 6a bis 6d ausgeformt werden.
Weiterhin wird ein Siliziumnitritfilm von 1 μm Dicke über die gesamte Oberfläche des Substrats 2 hinweg durch ein Verfahren wie beispielsweise Sputtering, CVD oder Ähnliches ausgeformt, wodurch der Schutzfilm 7 geformt wird. Danach wird der Schutzfilm 7, der über den Endabschnitten der Leitungsmuster 6a bis 6d angeordnet ist, durch ein Verfahren wie Photoeinschreiben, Feuchtätzen, Trockenätzen oder Ähnliches entfernt, wodurch die Elektroden 6a bis 6d geformt werden.
Dann wird ein Lack über die gesamte Rückseite des Substrats 2 als ein rückseitiger Schutzfilm 11 aufgebracht und Ätzlöcher werden unter Verwendung beispielsweise von Photoeinschreiben geformt. Danach wird beispielsweise ein Alkaliätzen angewandt und ein Teil des Substrats 2 wird von der Rückseite zum Trägerfilm 3 hin entfernt, um die Membrane 10a und 10b zu formen.
Beispiele von Ätzflüssigkeiten (Ätzen) die hierin verwenden werden können umfassen KOH, TMAH (Tetramethylammoniumhydroxid) und NaOH. Zusätzlich wird die Membran 10a so geformt, dass sie eine Größe von 1,5 mm in Länge und 2 mm in ihrer Breite aufweist. Die Membran 10b wird so geformt, dass sie eine Größe von 0,5 mm in der Länge und 0,7 mm in der Breite aufweist. Andererseits werden der Wärmewiderstand 4 und der Fluidtemperaturmesswiderstand 5 so geformt, dass deren Zentren mit denen der Membranen 10a und 10b zusammenfallen, so dass sie in der Größe von 0,8 mm in der Länge und 1 mm in der Breite sind.
Also ist gemäß der Erfindung die Membran 10b so konstruiert, dass sie kleiner als die Membran 10a ist und weiterhin ist die Membran 10b so geformt, dass sie innerhalb des Fluidtemperaturmesswiderstandes 5 angeordnet und kleiner ist als der Fluidtemperaturmesswiderstand 5 ist. Auf diese Weise ist die obere Oberfläche der Kavität 9b so konstruiert, dass sie innerhalb des Abschnitts angeordnet ist, in dem der Fluidtemperaturmesswiderstand 5 angeordnet ist.
Nun wird die Konstruktion eines thermosensiblen Durchflusssensors 12 unter Verwendung eines Durchflussdetektorelements 1, welches so wie oben beschrieben hergestellt ist, unter Bezugnahme auf die 3 und 4 beschrieben werden. 3 ist eine Vorderansicht, die den thermosensiblen Durchflusssensor 12 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt. 4 ist eine seitliche Schnittansicht entlang der Linie B-B in 3.
In den Zeichnungen umfasst der thermosensible Durchflusssensor 12 eine Detektorröhrenpassage 13 und eine Hauptpassage 14, die eine Passage für das zu messende Fluid ist. Diese Detektorröhrenpassage 13 und die Hauptpassage 14 sind koaxial zueinander angeordnet. Weiterhin ist der thermosensible Durchflusssensor 12 aus einem Gehäuse 16 ausgeformt, in dem eine Steuerungsschaltkreisplatine 15, ein Verbinder 17, welcher eine elektrische Energie dem thermosensiblen Durchflusssensor 12 zuführt und die Ausgänge aufnimmt, und ein Durchflussdetektorelement 1, welches in der Detektorröhrenpassage 13 angeordnet ist, vorgesehen sind.
Weiterhin stehen die Elektroden 8a bis 8d des Durchflussdetektorelements 1 und der Steuerungsschaltkreisplatine 15 in elektrischer Verbindung über die Leitungsdrähte 18. Das Durchflussdetektorelement 1 ist in der Detektorröhrenpassage 13 so angeordnet, dass die Oberfläche des plattenähnlichen Substrats 12 parallel zu einer Flussrichtung C des Fluids liegt, genauso wie die Oberfläche des plattenähnlichen Substrats 2 dem Fluid ausgesetzt ist.
5 ist ein Schaltkreisdiagramm, das einen Steuerungsschaltkreis des thermosensiblen Durchflusssensors 12 zeigt und ein Steuerschaltkreis 19 formt einen Brückenschaltkreis 20 umfassend den Fluidtemperaturmesswiderstand 5 und den Wärmewiderstand 4 aus. Weiterhin ist der Steuerschaltkreis 19 aus festen Widerständen R1, R2 und R3, einem Operationsverstärker OP1, einem Transistor TR1 und einer Energiequelle 21 konstruiert. Teile des Steuerschaltkreises außer dem Fluidtemperaturmesswiderstand 5 und dem Wärmewiderstand 4 sind an der Steuerschaltkreisplatine 15 montiert.
Zusätzlich ist der Steuerschaltkreis 19 so angeordnet, dass er den Wärmewiderstand 4 auf einem konstanten Wert hält, der höher als eine Umgebungstemperatur ist, die von dem Fühltemperaturmesswiderstand 5 detektiert werden soll. Beispielsweise ist die Temperatur des Wärmewiderstands 5 so gesteuert, dass sie bei einer Temperatur höher als 200°C über einer Umgebungstemperatur gehalten wird, die durch den Fluidtemperaturmesswiderstand 5 detektiert wird.
Andererseits ist die Temperatur, die durch den Fluidtemperaturmesswiderstand 5 detektiert wird im Wesentlichen gleich zur Umgebungstemperatur (der Temperatur des Fluids, das über den Fluidtemperaturmesswiderstand 5 hinweg fließt). Der Fluidtemperaturmesswiderstand 5 wird zum Unterdrücken von Effekten der Fluidtemperatur bezüglich des gemessenen Signals verwendet. Also werden die elektrischen Potentiale beim P1 Punkt und P2 Punkt in dem Steuerschaltkreis 19 mittels des Operationsverstärkers OP1 so gesteuert, dass sie im Wesentlichen gleich sind. Selbst wenn die Temperatur des Fluids variiert wird, wird die Modifikation mittels des Fluidtemperaturmesswiderstandes 5 durchgeführt, so dass der Wärmewiderstand 4 nur durch die Fließgeschwindigkeit alleine beeinflusst wird.
Weiterhin wird in dem Steuerschaltkreis 19 ein Heizstrom IH des Wärmewiderstandes 4 gesteuert. Wenn die Fließgeschwindigkeit des Fluids höher wird, wird der Wärmetransfer von dem Wärmewiderstand 4 zum Fluid größer. Daher wird, um die durchschnittliche Temperatur des Wärmewiderstandes 4 auf einen vorbestimmten Wert zu halten, ein Heizstrom IH vergrößert. Durch das Detektieren dieses Heizstromes IH als eine Spannung Vout an beiden Anschlüssen über dem Widerstand R2 kann die Fließgeschwindigkeit oder der Volumenstrom, der in einer Passage fließt, die einen vorbestimmten Passagenquerschnitt aufweist, detektiert werden.
Wenn ein Widerstandswert des Wärmewiderstands 4 RH ist, eine mittlere Temperatur des Wärmewiderstandes 4 TH, eine gemessene Fluidtemperatur TA und ein Durchflussstrom der durch eine Passage die einen vorbestimmten Querschnitt Q aufweist, dann gilt der folgende Ausdruck (1). IH² × RH = (a + b × Qⁿ) × (TH – TA) (1) wobei: a, b und n Konstanten sind, die abhängig von Aspekten des Durchflussdetektionselements 1 bestimmt werden müssen.
Die Konstante a ist ein Koeffizient korrespondierend zum Betrag der Wärme unabhängig von der Durchflussrate und deren größter Teil ist ein Wärmeleitungsverlust beim Transfer vom Wärmewiderstand 4 zum plattenähnlichen Substrat 2. Die Konstante b ist ein Koeffizient korrespondierend zu einem forcierten Konvektionswärmetransfer. Die Konstante n ist ein Wert, der abhängig von dem Durchflusszustand in der Umgebung des Wärmewiderstands 4 bestimmt werden muss, und dieser Wert ist ungefähr 0,5.
Wie aus dem Ausdruck (1) verstanden werden wird, gibt es keine Beziehung zwischen dem Wärmebetrag korrespondierend zu der Konstante a und dem Volumenstrom.
In der obigen Beschreibung ist das direkte Wärmesteuerungssystem, in dem ein Wärmewiderstand 4 und ein Fluidtemperaturmesswiderstand 5 einen Brückenschaltkreis 20 ausformen, beschrieben. Jedoch ist das indirekte Wärmesteuersystem in dem ein Temperaturmesswiderstand in der Nähe des Wärmewiderstandes 4 angeordnet ist und dieser Temperaturmesswiderstand und der Fluidtemperaturmesswiderstand einen Brückenschaltkreis ausformen, ebenso von der oben genannten Theorie umfasst.
Unter der Annahme des Montierens des oben genannten thermosensiblen Durchflusssensors in einem Fahrzeug, um eine Motorsteuerung herzustellen, ist in einem Fall, in dem ein Gaspedal vollständig durchgedrückt wird um einen schnellen Start aus einem Zustand durchzuführen, in dem ein Leerlaufzustand so gelassen wird wie er ist, und dann die Temperatur in einem Motorraum hinreichend angehoben wird, wird nachfolgend beschrieben.
Bei dem thermosensiblen Durchflusssensor 12, der in einem Motorraum montiert werden soll, liegt im Leerlaufbetriebszustand der Motorraum bei einer hohen Temperatur und daher ist ein Fluid, das durch den thermosensiblen Durchflusssensor 12 hindurchfließt, und der Elementhalteabschnitt des thermosensiblen Durchflusssensors 12 auf einer hohen Temperatur. Wenn ein schneller Start und eine starke Beschleunigung in solch einem Zustand durchgeführt wird, wird, obwohl der Motorraum immer noch bei einer hohen Temperatur ist, ein Fluid durch den thermosensiblen Durchflusssensor 12 hindurchfließen und der Elementhalteabschnitt wird gekühlt werden.
6 ist ein Diagramm, welches die Veränderung des Volumenstromes in dem oben genannten Fall über die Zeit zeigt. In der 6 zeigt eine vertikale Skala den Volumenstrom und eine horizontale Skala die Zeit an. Ein Bereich E zeigt einen Leerlaufzustand an und ein Bereich F zeigt einen Zustand starker Beschleunigung an. Weiterhin zeigt ein Punkt G den Volumenstrom in dem Fall an, in dem ein Gaspedal vollständig geöffnet ist, und ein Punkt H zeigt den Volumenstrom in dem Leerlaufbetriebszustand an. 7 ist ein Diagramm welches die Veränderung über der Zeit der Einlasslufttemperatur, der Temperatur eines Fluidtemperaturmesswiderstandes und der Temperatur eines Elementhalteabschnitts in einem thermosensiblen Fluidsensor zeigt, in welchem ein Wärmewiderstand und ein Fluidtemperaturmesswiderstand auf einem Substrat ausgeformt sind, sowie die Kavitäten der gleichen Größe individuell unter dem Wärmewiderstand und dem Fluidtemperaturmesswiderstand geformt sind. In 7 zeigt eine vertikale Skala die Temperatur und eine horizontale Skala die Zeit an. Ein Punkt J bezeichnet eine hohe Temperatur und ein Punkt K bezeichnet eine normale Temperatur. Weiterhin bezeichnet eine durchgezogene Linie L eine Einlasslufttemperatur, eine gestrichelte Linie M bezeichnet die Temperatur des Fluidtemperaturmesswiderstandes und eine zweigepunktete Kettenlinie N bezeichnet die Temperatur des Elementhalteabschnitts.
Also ist in diesem Fall eine Membran, welche unter einem Fluidtemperaturmesswiderstand angeordnet ist, so festgelegt, dass sie größer als der Fluidtemperaturmesswiderstand ist. Wie in 7 gezeigt gibt es, während die Temperatur des Fluidtemperaturmesswiderstandes der Veränderung der Einlasslufttemperatur folgt, Verzögerungen der Temperatur eines Elementhalteabschnitts bezüglich der Veränderung der Einlasslufttemperatur.
Der Grund ist wie folgt. Da der Fluidtemperaturmesswiderstand 5 auf der Membran 10b ausgeformt ist, welche als ein Teil mit einer niedrigen Wärmekapazität funktioniert, ist deren Wärmekapazität gering, wird der Fluidtemperaturmesswiderstand gekühlt und dessen Temperatur wird der Einlasslufttemperatur folgen. Auf der anderen Seite, da der Elementhalteabschnitt aus dem Substrat 2 in Teilen zum Zusammensetzen des Substrates 2 konstruiert ist, wird dessen Wärmekapazität größer und daher kann die Temperatur des Elementhalteabschnitts der Veränderung der Einlasslufttemperatur nicht folgen.
Eine Ausgangsspannung Vout des thermosensiblen Durchflusssensors 12 wird bestimmt, abhängig von dem Wärmetransferbetrag von dem Wärmewiderstand 4 zum Fluid und dem Wärmeleitbetrag von dem Wärmewiderstand 4 zu dem Elementhalteabschnitt. Der Wärmetransferbetrag von dem Wärmewiderstand 4 zum Fluid ist proportional zu der Temperaturdifferenz zwischen dem Wärmewiderstand 4 und dem Fluid. Der Wärmeleitbetrag von dem Wärmewiderstand 4 zu dem Elementhalteabschnitt ist proportional zu der Temperaturdifferenz zwischen dem Wärmewiderstand 4 und dem Elementhalteabschnitt.
In dem Fall, in dem eine Zeitverschiebung zwischen der Veränderung der Temperatur des Fluidtemperaturmesswiderstandes 5 und der Veränderung der Temperatur des Elementhalteabschnitts auftritt, gibt es einen Fluiddetektionsfehler. Genauer, wenn die Veränderung der Temperatur des Elementhalteabschnitts Verzögerung bezüglich der Veränderung der Fluidtemperatur aufweist, ist die Temperaturdifferenz zwischen dem Wärmewiderstand 4 und dem Elementhalteabschnitt kleiner, werden die Werte einer Konstante a in dem Ausdruck (1) verändert und der Wärmeleitungsbetrag des Wärmewiderstands 4 zu dem Elementhalteabschnitt wird verkleinert, ein Ausgang Vout wird geringer und dann wird ein Flussdetektionsfehler auftreten.
In solch einem Fall kann es eine Idee sein, die folgende Konstruktion zu gestalten, in der, weil in einem Durchflussdetektorelement welches in 8 gezeigt ist, eine Membran 10b unter dem Fluidtemperaturmesswiderstand 5 so geformt und festgelegt ist, dass sie größer als der Fluidtemperaturmesswiderstand 5 ist, wobei die Wärmekapazität des Fluidtemperaturmesswiderstandes 5 kleiner gemacht wird, wobei die Leitungsmuster 6a und 6d, die auf dem Substrat 2 einer größeren Wärmekapazität geformt sind, enger gemacht werden, wodurch die Widerstandswerte der Leitungsmuster 6a und 6d größer gemacht werden.
Daher wird der Betrag der Wärmeerzeugung an den Leitungsmustern 6a und 6d größer werden, so dass die thermische Antwort an dem Fluidtemperaturmesswiderstand 5 und den Leitungsmustern 6a und 6d im Vergleich mit dem Fall der 7 langsam gemacht werden kann. Daher kann die Zeitverschiebung zwischen der thermischen Antwort des Fluidtemperaturmesswiderstandes 5 und der thermischen Antwort des Elementhalteabschnitts eliminiert werden.
In solch einer Konstruktion sind jedoch die Widerstände der Leitungsmuster 6a und 6b offensichtlich groß, verglichen mit der Struktur, die in 1 gezeigt ist, wobei das Verhältnis der Widerstandswerte der Leitungsmuster 6a und 6d in einem Brückenschaltkreis der 5 groß werden, verglichen mit 1. Daher wird, wenn Wärme von der Außenseite zu den Leitungsmustern 6a und 6d transferiert wird, die Veränderüng der Widerstandswerte größer, was möglicherweise im Auftreten von einem Flussdetektionsfehler resultiert.
Also wird in dem Fall, in dem ein Unterschied zwischen der Temperatur des Fluids, das durch den thermosensiblen Durchflusssensor 12 hindurchfließt, und der Temperatur um den thermosensiblen Durchflusssensor 12 herum vorliegt, Wärme von der Seite des Verbinders 17 aus transferiert und daher werden die Leitungsmuster 6a und 6d, die in der Nähe der Elektroden 8a und 9d angeordnet sind, durch die Wärme um den Durchflusssensor 12 herum beeinträchtigt, so dass sie in ihrer Temperatur steigen oder in ihrer Temperatur fallen. Daher werden die Widerstandswerte an den Leitungsmustern 6a und 6d stark variiert, verglichen mit der Struktur die in 1 gezeigt ist, resultierend in dem Auftreten eines Durchflussdetektionsfehlers aufgrund des Unterschieds zwischen der Temperatur des Fluids und der Temperatur um den Durchflusssensor 12 herum.
Daher wird in dem Durchflussdetektorelement 1 gemäß der Erfindung, so wie sie in 1 gezeigt ist, eine Kavität 10b so ausgeformt, dass sie innerhalb des Fluidtemperaturmesswiderstands 5 angeordnet ist, wodurch sie hervorruft, dass die Wärmekapazität an dem Fluidtemperaturmesswiderstand 5 größer wird. 9 ist ein Diagramm, welches die Veränderung der Einlasslufttemperatur bei dem thermosensiblen Durchflusssensor 12, der Temperatur des Fluidtemperaturmesswiderstands 5 und der Temperatur an dem Elementhalteabschnitt über die Zeit hinweg zeigt. In 9 zeigt eine vertikale Skala die Temperatur und eine horizontale Skala zeigt die Zeit. Ein Punkt J deutet eine hohe Temperatur an und ein Punkt K deutet eine normale Temperatur an. Weiterhin deutet eine durchgezogene Linie L die Einlasslufttemperatur an, eine durchbrochene Linie M deutet die Temperatur des Fluidtemperaturmesswiderstands an, und eine Zweipunktkettenlinie N zeigt die Temperatur des Elementhalteabschnitts. Ein Bereich E deutet einen Leerlaufbetriebszustand an und ein Bereich F deutet einen starken Beschleunigungszustand an.
Wie in 9 gezeigt wird, da die Kavität 10b so konstruiert ist, dass sie kleiner als der Fluidtemperaturmesswiderstand 5 ist, tritt die Veränderung der Temperatur des Fluidtemperaturmesswiderstands 5 später auf als die Veränderung der Einlasslufttemperatur und koinzidiert weiterhin im Wesentlichen mit der Veränderung der Temperatur des Elementhalteabschnitts.
In dem Fall in dem die Veränderung der Temperatur des Fluidtemperaturmesswiderstands 5 mit der Veränderung der Temperatur des Elementhalteabschnitts koinzidiert, wie oben benannt, gibt es Verzögerungen der Veränderung der Temperaturen des Fluidtemperaturmesswiderstands 5 und des Elementhalteabschnitts bezüglich der Veränderung der Einlasslufttemperatur. Die Temperatur des Wärmewiderstandes 4 ist jedoch so gesteuert, dass sie jederzeit nur um einen vorbestimmten Wert höher als die Temperatur des Fluidtemperaturmesswiderstands 5 ist. Entsprechend, verglichen mit dem Fall der 7, ist im Fall der 9 die Temperatur des Wärmewiderstandes 4 hoch, so dass die Überlagerung der gleichen Temperatur des Fluids, des Betrages des Wärmetransfers von dem Wärmewiderstand 4 zum Fluid vergrößert ist und durch diese Vergrößerung des Betrags des Wärmetransfers an dem Wärmewiderstand 4 zum Fluid wird das Abnehmen des Betrags der Wärmeleitung von dem Wärmewiderstand 4 zu dem Elementhalteabschnitt aufgrund der thermischen Antwortverzögerungen des Elementhalteabschnitts ausgleichen, was in der Reduktion des Flussdetektionsfehlers resultiert.
Unter Verwendung der Konstruktion, so wie sie oben beschrieben ist, kann eine Zeitverzögerung zwischen der thermischen Antwort des Fluidtemperaturmesswiderstands 5 und der thermischen Antwort des Elementhalteabschnitts eliminiert werden und daher kann trotz der Veränderung der Fluidtemperaturen eine Detektionsgenauigkeit der Volumenströme aufrecht erhalten werden.
Weiterhin sind, da die Leitungsmuster 6a und 6d, die in der Nähe der Elektroden 8a und 8d geformt sind und die durch die Wärme um den thermosensiblen Durchflusssensor 12 beeinflusst sind, größere Widerstandswerte haben, selbst wenn ein Unterschied zwischen der Temperatur des Fluids, welches durch den thermosensiblen Durchflusssensor 12 hindurchfließt, und der Temperatur um den thermosensiblen Durchflusssensor 12 herum vorliegt, die Anschlussmuster 6a und 6d mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht durch die Wärme um den thermosensiblen Durchflusssensor 12 herum beeinflusst. Weiterhin, selbst wenn der genannte Temperaturunterschied auftritt, kann die Detektionsgenauigkeit der Volumenströme aufrechterhalten werden.
Weiterhin ist es möglich, dadurch, dass das Volumen der Kavität 10b, das unter dem Fluidtemperaturmesswiderstand 5 geformt ist, dazu gebracht wird kleiner zu sein, zu verhindern, dass die Kavität 10b durch feste Partikel, beispielsweise Sand oder Staub der in dem Fluid beinhaltet ist, kollidiert. Zusätzlich kann die Kavität 10b hinreichend widerstandsfähig bezüglich Druckwellen aufgrund von Fehlzündungen (engl. back-fire) sein und daher ist es möglich einen hochzuverlässigen thermosensiblen Durchflusssensor 12 bereitzustellen.
Wie oben beschrieben kann gemäß der Erfindung das folgende Durchflussdetektorelement 1 bereitgestellt werden. Also ist es in diesem Durchflussdetektorelement 1 möglich, die Zeitverschiebung zwischen der Veränderung der Temperatur des Fluidtemperaturmesswiderstands 5 und der Veränderung der Temperaturen des Elementhalteabschnitts zu eliminieren ohne durch die Verdrahtung der Elektrodenseite, die auf dem Substrat 2 angeordnet ist, betroffen zu sein, während der Widerstandswert des Fluidtemperaturmesswiderstands 5 kontrolliert wird. Weiterhin wird, selbst wenn die Temperatur des Fluids geändert wird, die Detektionsgenauigkeit der Volumenströme nicht verschlechtert. Weiterhin kann, selbst wenn es einen Unterschied zwischen der Temperatur des Fluids und der Temperatur um den thermosensiblen Durchflusssensor 12 herum gibt, die Detektionsgenauigkeit der Volumenströme aufrechterhalten werden.
Zusätzlich kann der Kavitätsabschnitt kleiner gemacht werden, so dass die Festigkeit des Kavitätsabschnitts höher wird, was es möglich macht, ein hochzuverlässiges Durchflussdetektorelement bereitzustellen.
Während das vorliegend bevorzugte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben wurde, soll verstanden werden, dass diese Offenbarungen zum Zwecke der Illustration gemacht wurden und dass unterschiedliche Veränderungen und Modifikationen durchgeführt werden können, ohne vom Umfang der Erfindung so wie sie in den angefügten Ansprüchen genannt ist abzuweichen.