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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Luftmassenmesser mit mindestens
einem Sensorelement, das an einer Oberfläche ein elektrisches
Heizelement aufweist, das auf Basis einer durch das Sensorelement
gemessenen Temperatur und einer an die vorbeiströmenden
Luft abgegebene Heizleistung zur Bestimmung einer vorbeiströmenden
Luftmasse ausgebildet ist.
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Ein
derartiger Luftmassenmesser wird beispielsweise in Kraftfahrzeugen
zur Ermittlung der von einer Verbrennungskraftmaschine angesaugten
Luft verwendet. Auf Basis einer möglichst zuverlässigen Information über
eine angesaugte Luftmasse kann eine Verbrennung durch eine Motorsteuerung
dahingehend optimiert werden, dass eine auf die Luftmasse abgestimmte
Kraftstoffmenge den jeweiligen Brennräumen zugeführt
wird. Im Ergebnis wird dadurch eine bessere Energieausnutzung bei
verringertem Schadstoffausstoß erzielt.
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Aus
der
DE 44 07 209 ist
ein Luftmassenmesser bekannt, der in einen Ansaugkanal zur Bestimmung
einer Luftmasse eingesteckt wird, wobei ein definierter Anteil der
Gesamtströmung den Luftmassensensor durchströmt.
Hierzu ist dieser als Einsteckkanal-Luftmassenmessvorrichtung ausgebildet und
umfasst einen in einem Messkanal angeordneten Sensor, eine in einem
Gehäuse angeordnete Elektronik für diesen Sensor,
sowie einen Auslasskanal jenseits des Sensorelements. Für
eine platzsparende Anordnung werden die genannten Kanäle
bzw. Luftführungswege U-, S- oder C-förmig ausgebildet, so
dass eine insgesamt kompakt als Einsteckelement bauende Vorrichtung
gebildet wird.
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Eine
gemäße der Lehre der
WO 03/089884 A1 ausgebildete
Luftmassenmessvorrichtung unter Verwendung eines als Heißfilmanemometer
ausgebildeten Sensors hat sich prinzipiell bewährt. Es
hat sich jedoch bei Sensoren der genannten Art herausgestellt, dass
sie in bestimmten Anwendungsfällen wenigstens vorübergehend
unzuverlässige Ergebnisse liefern können, versagen
oder aufgrund eines Komplettausfalls ausgetauscht werden müssen.
Als Ursachen für derartige temporäre Fehlfunktionen oder
gar Sensorausfälle wird die Tatsache angesehen, dass sich
in angesaugter Luft neben Salzen, Schmutz- und/oder Russpartikeln
auch Wasser in Tropfenform befinden kann. Im Laufe eines Einsatzes
können sich damit an der Oberfläche eines Sensorelements
nicht nur Schmutzpartikel unter Veränderung des Wärmeübergangs
und einer entsprechenden Sensordrift anlagern, es können
auch Wassertropfen den Heißfilmsensor mit der Folge benetzen,
dass der Sensor unter starkem Anstieg eines Ausgangssignals einen
Wassertropfen bis zu dessen Verdampfung und einer entsprechenden
Beseitigung der Störung erhitzen muss. Dieser Signalanstieg
verfälscht das Ausgangssignal. Ferner können auch
in um den eigentlichen Sensor herum angeordneten Bereichen offen
liegende Metallteile durch Wasser überbrückt werden,
wodurch das Signal ebenfalls gestört wurde.
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Nicht
zuletzt muss darauf hingewiesen werden, dass Wasser über
einen längeren Zeitraum hinweg auch korrosiv wirkt. Zum
Schutz der sensornah untergebrachten Elektronik ist daher regelmäßig
eine Abdeckung mit Silgel als Korrosionsschutz vorgesehen. Ein derartiger
Korrosionsschutz kann jedoch bei zu starken Erschütterungen,
insbesondere von Beschleunigungen mit mehr als 30-facher Erdbeschleunigung,
zu einer Zerstörung von leitenden Kontakten führen,
die im Bereich der Elektronik regelmäßig in Form
von Bonddrähten ausgeführt sind.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Luftmassensensor der
eingangs genannten Art zu schaffen, der eine verbesserte Zuverlässigkeit
und Langlebigkeit aufweist.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs
gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand
der abhängigen Ansprüche.
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Erfindungsgemäß ist
das Sensorelement eines Luftmassenmessers mit einer Parylene HT-Beschichtung überzogen.
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Parylene
ist als inertes, hydrophobes, optisch transparentes, biokompatibles,
polymeres Beschichtungsmaterial mit einem weiten industriellen Anwendungsspektrum
bekannt. Eine Beschichtung mit diesem Material wird unter Vakuum
durch Kondensation aus einer Gasphase heraus als porenfreier und
transparenter Polymerfilm auf ein Substrat konturkonform aufgetragen.
Aufgrund der gasförmigen Abscheidung erreicht und beschichtet
Parylene auch Bereiche und Strukturen, welche mit flüssigkeitsbasierten
Verfahren nicht erreichbar sind, wie beispielsweise scharfe Ränder
und Spitzen oder enge tiefe Spalten. In einem Arbeitsgang können
Beschichtungsdicken von 0,1 μm bis 50 μm aufgebracht
werden, wobei als Substratmaterialien beispielsweise Metall, Glas,
Papier, Lack, Kunststoff, Keramik, Ferrit und Silikone, Mikroporen-
und pinholefrei ab einer Schichtdicke von etwa 0,2 μm beschichtet
werden können. Zudem erfolgt eine derartige Beschichtung ohne
jede Temperaturbelastung eines Substrates, da sie unter Raumtemperatur
im Vakuum durchgeführt wird.
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Diese
Beschichtung bietet einen sehr guten Korrosionsschutz bei absolut
gleichförmiger Schichtausbildung, die jedoch nur bis 220°C
in den bekannten Parylene-Zusammensetzungen temperaturbeständig
ist. Bei einer Ansaugluft mit Temperaturen im Bereich von 125°C
bis 130°C und einer durch einen auch als Heißfilmanemometer
bezeichnetes Sensorelement zu bewirkenden Übertemperatur
von 150°C wird mit Heiztemperaturen von 250°C
bis etwa 280°C die bisherige Grenze einer Temperaturbeständigkeit bekannter
Zusammensetzungen einer Parylene-Beschichtung deutlich überschritten.
Mit einem entsprechenden Sicherheitszuschlag muss eine Beschichtung
eine ausreichende Temperaturbeständigkeit bis circa 350°C
aufweisen. Bei sonst gleichen Verarbeitungsbedingungen und Eigenschaften
weist erst die neuartige Parylene HT-Beschichtung, wie sie von der Firma
SCS Special Coating Systems angeboten wird, diese Eigenschaften
auf.
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Ein
erfindungsgemäßes Sensorelement weist durch seine
Außenummantelung mit einer Parylene HT-Beschichtung eine
geschlossene Oberfläche auf, die hydrophob ist und auch
als sehr dünne Schicht eine herabgesetzte Oberflächenrauhigkeit aufweist.
Damit ist ein derartiges Sensorelement hinsichtlich seiner Neigung
zur Ablagerung und Anlagung von Schmutzpartikeln verbessert. Das
Sensorelement bietet jedoch auch Wassertropfen gegenüber
eine deutlich verschlechterte Anhaftungsfläche. Anstelle
der sonst zu beobachtenden und ein Ausgangssignal verfälschenden
Verdampfung ist also zumindest teilweise mit einem Fortreißen
von Wassertropfen durch den Luftstrom zu rechnen. Ferner sind nun
elektrisch leitende metallische Bereiche elektrisch so weit ausreichend
isoliert, dass angelagerte Wassertropfen keine Kurzschlüsse
mehr verursachen können und auch in sonstiger Hinsicht
nicht weiter korrosiv einwirken können.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend unter Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels mit Bezugnahme auf die Abbildungen
der Zeichnung angegeben. In der Zeichnung zeigen in schematisierter
Darstellung:
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1:
einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen
Luftmassenmesser bestehend aus einem Rohrstück mit eingesetztem
Sensorgehäuse;
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2:
eine perspektivische Darstellung des Heißfilmanemometers
aus 1 bei geöffnetem Gehäuse;
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3a:
einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäß aufgebautes
und beschichtetes Sensorelement mit benachbarter elektronischer
Beschaltung und umgebenden Gehäuse und
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3b:
einen Längsschnitt einer bekannten Sensoranordnung in einer
Einbaulage in dreidimensionaler Darstellung.
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Über
die verschiedenen Abbildungen hinweg werden nachfolgend gleiche
Begriffe und Bezugszeichen für gleiche Bauelemente verwendet
werden.
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1 zeigt
einen Längsschnitt durch einen Luftmassenmesser bestehend
aus einem Rohrstück
1 mit einem darin eingesetzten
und fixierten Sensor
2 gemäß der Lehre
der
DE 101 35 819
A1 in einem Gehäuse
3 gemäß der
WO 03/089884 A1 .
Dieses Rohrstück
1 kann z. B. als Ansaugrohr in
einem Personenkraftwagen im Motorraum die Luft von einem hier nicht
dargestellten Luftfilter und/oder Ladeluftkühler zu einer
ebenfalls nicht weiter dargestellten Brennkraftmaschine führen.
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Aus
dem Ansaugrohr 1 wird ein Teil der angesaugten Luft durch
das in das Ansaugrohr 1 hineinragende Gehäuse 3 abgezweigt
und durch eine Einlassöffnung 4 in den Luftmassenmesser 2 geführt. Die
Luft strömt dann in dem Gehäuse 3 von
der Einlassöffnung 4 über ein Hilfsrohr 5 zu
einer Auslassöffnung 6. Dabei strömt
die Luft an einem Sensorelement 7 und einem Sensorelement 8 vorbei.
Derartige Sensorelemente 7, 8 sind als temperaturabhängige Widerstände
ausgebildet, die in der Regel in Form einer Wheatstone'schen Brücke
miteinander verschaltet sind. Mit Sensorelement 7 wird
die Temperatur der einströmenden Luftmasse bestimmt. Die
vorbeiströmende Luft kühlt das beheizte Sensorelement 8 ab, wobei
ein Messsignal erzeugt wird, das repräsentativ für
den Luftmassenstrom ist, der an den Sensorelementen 7, 8 vorbeiströmt.
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Der
Luftmassenmesser 2 weist zudem in dem Gehäuse 3 Ausnehmungen
auf, in denen unter anderem auch eine hier nur angedeutete Elektronik 9 integriert
ist. Unter Schaffung sehr kurzer Signalwege wird den Sensorausgangssignalen
mittels der Auswerteelektronik 9 des Massenstrommessers
ein entsprechender Massenstromwert unter Berücksichtigung
der Tatsache zugeordnet, dass von dem in der mit dem Pfeil 10 dargestellten
Hauptströmungsrichtung strömenden Luftmassenstrom
nur ein Teilstrom innerhalb des Sensorgehäuses 3 ausgewertet
wird. Die Zuordnung der Sensorsignale zu den Massenstromwerten erfolgt über
eine Kennlinie und kann analog oder digital erfolgen.
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In
einer Vorrichtung 1 gemäß 1 findet also
ein Luftmassensensor auf der Grundlage eines Heißfilmanemometers
Einsatz. Ein hier verwendetes Heißfilmanemometer 2 ist
in perspektivischer Darstellung bei geöffnetem Gehäuse 3 in 2 wiedergegeben.
Es besteht aus zwei Sensoren 7, 8 und dazugehöriger
Elektronikschaltung 9 für den Temperaturfühler 7 und
den mit Heizleistung versorgten Sensor 8. Ein Schichtaufbau
eines in Form eines Wafers gefertigten und nachfolgend vereinzelten
Sensors 7, 8 umfasst ein dünnes Trägermaterial
aus ca. 150 μm dickem Glas, auf dem eine temperaturabhängige
Widerstandsschicht auf einer Molybdän-Basis mit einer Mächtigkeit
von etwa 0,8 bis 1 μm aufgetragen ist. Diese Widerstandsschicht
wird durch eine nur ca. 350 nm starke Passivierungsschicht überdeckt,
die eine durch Oxidationsprozesse hervorgerufene Widerstandsdrift
verhindert. Da sich in der Ansaugluft jedoch neben Sauerstoff auch
Schmutzpartikel, Salze und Feuchtigkeit selbst in Tropfenform befinden, muss
auf den vorstehend beschriebenen Schichtaufbau eine weitere Schicht
zum Schutz vor Feuchtigkeit und Verschmutzung, die zu Kurzschlüssen
an der Widerstandsschicht führen können, aufgetragen
werden. Als Schutz wird derzeit eine ca. 5 μm starke Polyimid-Schutzschicht
aufgetragen. Der Sensor ist derzeit also mit zwei Deckschichten
aufgebaut, da die erste Deckschicht prozesstechnisch bedingt sehr kleine
Löcher aufweist, sog. Pinhols. Um die darunterliegende
Widerstandsschicht vor Kurzschlüssen durch Feuchtigkeit
und Schmutz zu schützen, wird die zweite Schutzschicht
benötigt.
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Bei
einer Ansaugluft mit Temperaturen in einem Bereich von 125°C
bis 130°C und einer durch das als Heißfilmanemometer
ausgebildete Sensorelement 7 zu bewirkenden Übertemperatur
von 150°C wird mit Heiztemperaturen von insgesamt etwa 250°C
bis etwa 280°C eine Grenze einer Temperaturbeständigkeit
be kannter Beschichtungen überschritten. Mit einem entsprechenden
Sicherheitszuschlag muss eine Beschichtung an einer Oberfläche 15 eine ausreichende
Temperatur-Dauerbeständigkeit bis circa 300°C
aufweisen. Dünne Schichten sind für diese Art
Sensoren notwendig um die thermische Trägheit des Sensors
zu minimieren. An dieser Stelle wird nun eine Beschichtung mit Parylene
HT vorgesehen: Das Material Parylene HT ist hydrophob, wasserundurchlässig,
hochtemperaturfest bis ca. 350°C, und kann außerdem
in sehr dünnen Schichten von ≤ 2 μm aufgetragen
werden.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel wird der fertige Sensor 7, 8 in
bekannter Weise auf elektrisch leitende Kontakte 12, 13 der
Elektronik 9 aufgelötet. Im Betriebsfall liegen
an den beiden Kontakten 12, 13 unterschiedliche
elektrische Spannungen an. Durch eine in der Praxis beobachtete
Verschmutzung auf einem Sensor 7, 8 werden die
beiden elektrischen Potentiale sehr nahe an die Kontakte 12, 13 herangebracht.
Unter der Einwirkung von Feuchtigkeit korrodiert kann einer der
Kontakte 12, 13 oder aber das Sensormaterial korrodieren.
Dadurch kommt es zu einem Ausfall dieses Sensors 7, 8 und damit
des kompletten Gerätes noch vor Erreichen seiner Lebensdauer.
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Zu
den Sensoren 7, 8 gehört auch eine Auswerteelektronik 9,
auf der neben einer Messsignalaufbereitung und Auswertung auch eine
elektrische Versorgung der Sensoren 7, 8 durchgeführt
wird. Bei einem Serienprodukt befindet sich die Auswerteelektronik 9 auch
im Ansaugtrakt und wird so ebenfalls mit Ansaugluft beaufschlagt.
Daher muss auch die Auswerteelektronik 9 vor Feuchtigkeit
und aggressiven Gasen, wie z. B. Kfz-Abgasen, geschützt
werden. Derzeit wird die Auswerteelektronik 9 z. B. mit einem
Silgel dick überzogen und muss vor den nächsten
Arbeitsschritten ausgehärtet werden.
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Erfindungsgemäß werden
gemäß der Ausführungsform von 2 die
Sensoren 7, 8 und die Auswerteelektronik 9 als
Sensorträger im bereits gelöteten Zustand mit
Parylene HT beschichtet. Dadurch liegen nun keine der elektrisch
leitenden Kontakte 12, 13 mehr frei. Ein Korrodieren
der Anschlusskontakte 12, 13 und/oder eines Sensors 7, 8 wird
dadurch dauerhaft und zuverlässig vermieden. Damit wird
in einer letzten Ausführungsform auch die Elektronik mit
Parylene beschichtet. Dies geschieht in dem gleichen Arbeitsgang
zusammen mit der Beschichtung der Sensoren und Metallteile. Es ergibt sich
damit ein komplettes Modul aus Hilfskanal 5, Sensorik bzw.
Sensoren 7, 8 und zugehöriger Auswerteelektronik 9,
das zumindest an seiner Innenseite mit Parylene HT beschichtet ist.
Durch die Beschichtung des kompletten Moduls werden die Sensoren,
offene Metallteile und die Elektronik vor direktem Schadstoffkontakt
und Feuchtigkeit geschützt, die in 3a in
einer perspektivischen Schnittdarstellung gezeigt sind.
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Durch
die Wasser abweisende Wirkung der Beschichtung mit Parylene HT werden
Wassertropfen schneller von den Sensoren 7, 8,
Metallteilen und Kontakten 12, 13 und dem Hilfsrohr
bzw. Strömungskanal 5 abtransportiert. Zum Vergleich
mit einem kompletten Rohrstück 1 gemäß 3b weist
eine auf einen Bereich des Moduls nach 3a, der
in einer Einbaulage in den Rohrinnenraum hineinragt, beschränkte
Beschichtung eine vergleichsweise geringe Fläche auf. Der
gewählte Aufbau gibt also auch die Möglichkeit,
die Beschichtung mit Parylene HT auf die Bereiche zu beschränken,
die im realen Einsatz mit dem angedeuteten Luftstrom in Kontakt
treten.
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- 1
- Rohrstück
- 2
- Sensor
- 3
- Gehäuse
- 4
- Einlassöffnung
- 5
- Hilfsrohr
- 6
- Auslassöffnung
- 7
- Sensorelement
- 8
- Heizelement
- 9
- Elektronik
- 10
- Pfeil/Hauptflussrichtung
der Luftströmung
- 11
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- 12
- elektrisch
leitender Kontakt
- 13
- elektrisch
leitender Kontakt
- 14
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- 15
- Oberfläche
- 16
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 4407209 [0003]
- - WO 03/089884 A1 [0004, 0018]
- - DE 10135819 A1 [0018]