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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von bekannten Sensoranordnungen zur Bestimmung
wenigstens eines Parameters eines in einer Leitung strömenden
fluiden Mediums. Derartige Vorrichtungen werden beispielsweise eingesetzt,
um Ansaugluftmassen einer Brennkraftmaschine zu messen. Insbesondere
werden derartige Vorrichtungen in Form von Heißfilmluftmassenmessern
eingesetzt. Es sind jedoch auch andere Arten von Vorrichtungen zur
Bestimmung anderer oder weiterer Parameter denkbar, beispielsweise Temperaturfühler,
Geschwindigkeitsmesser, Dichtemesser oder ähnliche Messvorrichtungen,
sowie andere Messprinzipien als das genannte Heißfilmluftmassenmesserprinzip
oder andere Arten fluider Medien.
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Heißfilmluftmassenmesser
sind beispielsweise in
DE
102 53 970 A1 beschrieben. Dort wird eine Vorrichtung offenbart,
welche ein Teil umfasst, welches mit einer vorbestimmten Ausrichtung
in Bezug auf eine Hauptströmungsrichtung in eine vom strömenden
Medium durchströmte Leitung einbringbar ist. Dabei durchströmt
ein Teilstrom des Mediums wenigstens einen in dem Teil vorgesehenen
Messkanal, in welchem ein Messelement angeordnet ist. Zwischen Einlass
und Messelement weist der Messkanal einen gekrümmten Abschnitt
zur Umlenkung des durch den Einlass in den Messkanal eingetretenen
Teilstroms des Mediums auf, wobei der gekrümmte Abschnitt
im weiteren Verlauf in einen Abschnitt übergeht, in welchem
das Messelement angeordnet ist. Dabei ist im Messkanal ein Mittel
vorgesehen, welches die Strömung leitet und einer Ablösung der
Strömung des Medienteilstroms von den Kanalwänden
des Messkanals entgegenwirkt. Weiterhin ist der Eingangsbereich
im Bereich der Öffnung, welche der Hauptströmungsrichtung
entgegenweist, mit schrägen oder gekrümmten Flächen
versehen, welche so gestaltet sind, dass in den Eingangsbereich einströmendes
Medium von dem Teil des Messkanals, welcher zum Messelement führt,
weggelenkt wird. Dies bewirkt, dass im Medium enthaltene Flüssigkeits-
oder Festkörperteilchen aufgrund ihrer Massenträgheit
nicht zum Messelement gelangen und dieses verschmutzen können.
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Vorrichtungen,
wie beispielsweise die in der
DE 102 53 970 A1 gezeigte Vorrichtung, müssen
in der Praxis einer Vielzahl von Anforderungen und Randbedingungen
genügen. Diese Randbedingungen sind aus der Literatur weitgehend
bekannt und beispielsweise in
DE 102 53 970 A1 beschrieben. Neben dem Ziel,
einen Druckabfall an den Vorrichtungen insgesamt durch geeignete
strömungstechnische Ausgestaltung zu verringern, besteht
eine Herausforderung darin, die Signalqualität derartiger
Vorrichtungen weiter zu verbessern. Diese Signalqualität bezieht
sich insbesondere auf den Signalhub, welcher beispielsweise durch
einen Durchsatz des Mediums durch den zum Sensorelement führenden
Messkanal bestimmt wird, sowie gegebenenfalls auf die Verminderung
von Signaldrift und der Verbesserung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses.
Die beispielsweise in
DE
102 53 970 A1 beschriebene Ausgestaltung der Einlassöffnung
durch Flüssigkeits- und Staubpartikel abweisende Fläche
dient insbesondere dem genannten Zweck der Verringerung der Signaldrift.
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Bei üblichen
Sensoranordnungen der beschriebenen Art ragt in der Regel ein Sensorträger mit
einem darauf aufgebrachten oder eingebrachten Sensorchip in den
Messkanal hinein. Beispielsweise kann der Sensorchip in den Sensorträger
eingeklebt oder auf diesen aufgeklebt sein. Der Sensorträger kann
beispielsweise mit einem Bodenblech aus Metall, auf welchem auch
eine Elektronik eine Ansteuer- und Auswerteschaltung in Form einer
Leiterplatte aufgeklebt sein kann, eine Einheit. Beispielsweise kann
der Sensorträger als angespritztes Kunststoffteil eines
Elektronikmoduls ausgestaltet sein. Der Sensorchip und die Ansteuer-
und Auswerteelektronik können beispielsweise durch Bond-Verbindungen miteinander
verbunden werden. Das derart entstandene Elektronikmodul kann beispielsweise
in ein Sensorgehäuse eingeklebt werden, und der gesamte Steckfühler
kann mit Deckeln verschlossen werden. Ein Beispiel einer derartigen
Anordnung ist in
DE
103 45 584 A1 oder in
EP 0 720 723 B1 beschrieben.
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Eine
weitere Herausforderung bei diesen bekannten Sensoranordnungen besteht
darin, dass die beschriebene Konstruktion vergleichsweise aufwendig
ist. Insbesondere die Herstellung des beschriebenen Elektronikmoduls
mit dem Sensorträger ist vergleichsweise komplex und erfordert
zahlreiche Herstellungsschritte, welche die Herstellungskosten und den
Aufwand der Herstellung in die Höhe treiben können.
Zwar sind aus dem Stand der Technik, wie beispielsweise aus
US 4,776,214 , auch Anordnungen bekannt,
bei welchen Sensoren unmittelbar auf einer Leiterplatte angeordnet
sind, was den Aufbau des Elektronikmoduls vereinfachen kann. Die
Art und Auswahl der Sensoren sowie die Materialauswahl für diese
Sensoren ist hierdurch jedoch erheblich eingeschränkt.
Zudem sind derartige Konstruktionen, wie beispielsweise die in
US 4,776,214 beschriebene Konstruktion,
nicht für den Einsatz in einfachen, in ein Strömungsrohr
einbringbaren Steckfühlern geeignet, sondern erfordern
stets einen Austausch eines gesamten Abschnitts des Strömungsrohrs
durch ein Sensorsegment.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
wird daher eine Sensoranordnung zur Bestimmung wenigstens eines
Parameters eines strömenden fluiden Mediums vorgeschlagen,
welche die oben beschriebenen Nachteile bekannter Sensoranordnungen
zumindest weitgehend vermeidet und welche insbesondere einen kostengünstigen
und dennoch zuverlässigen Steckfühler umfassen
kann.
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Die
Sensoranordnung kann grundsätzlich zur Bestimmung einer
Vielzahl physikalischer und/oder chemischer Parameter des strömenden
fluiden Mediums ausgestaltet sein. Im Folgenden wird die Erfindung
am Beispiel der Messung eines Luftmassenstroms beschrieben. Es sind
jedoch, alternativ oder zusätzlich, auch andere Parameter
messbar und/oder die Sensoranordnung ist auf andere Arten von fluiden
Medien anwendbar. Insbesondere lässt sich die Sensoranordnung
zur Messung von Ansaugluftmassen einer Brennkraftmaschine einsetzen,
insbesondere im Automobilbereich.
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Die
Sensoranordnung weist einen in das fluide Medium einbringbaren Steckfühler
auf. Dieser Steckfühler kann beispielsweise als lang gestreckter Messfinger
ausgestaltet sein. Der Steckfühler kann beispielsweise
durch eine Öffnung eines Strömungsrohrs, durch
welche das fluide Medium strömt, in das fluide Medium eingesteckt
werden. Der Steckfühler kann darüber hinaus Verbindungselemente
umfassen, welche die Position des Steckfühlers relativ
zu dem Strömungsrohr fixieren. Der Steckfühler
kann beispielsweise eine Steckfühlerachse aufweisen, welche
senkrecht zur Rohrachse des Strömungsrohrs orientiert ist.
Weiterhin kann der Steckfühler auch Bestandteil des Strömungsrohrs
sein, wozu dieser Steckfühler beispielsweise austauschbar
oder fest in einem Strömungsrohrsegment des Strömungsrohrs
integriert sein kann. Das Strömungsrohrsegment, welches
Bestandteil der Sensoranordnung sein kann, kann zu diesem Zweck
entsprechende Aufnahmen für den Steckfühler umfassen.
Auch andere Ausgestaltungen sind möglich.
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Wie
aus dem Stand der Technik bekannt, weist der Steckfühler
vorzugsweise ein Bypass-Teil auf. In dem Steckfühler ist
eine von dem Medium durchströmbare Kanalstruktur mit mindestens
einem Kanal aufgenommen. Dieser Kanal, welcher insgesamt auch als
Bypass bezeichnet wird, kann dabei vergleichsweise komplex ausgestaltet
sein. So kann dieser Kanal beispielsweise einen Hauptströmungskanal
aufweisen, von welchem mindestens ein Messkanal abzweigt. Verschiedene
Ausführungsbeispiele einer derartigen Kanalstruktur werden
unten beschrieben. Durch den Kanal kann eine für die Strömung
des fluiden Mediums repräsentative Luftmasse strömen.
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Weiterhin
weist der Steckfühler einen Sensorchip zur Bestimmung des
Parameters des fluiden Mediums auf. Dieser Sensorchip kann beispielsweise
gemäß den oben beschriebenen Heißfilmluftmassenmesser-Sensorchips
ausgestaltet sein. Insbesondere kann dieser Sensorchip als Halbleiter-Sensorchip
ausgestaltet sein, beispielsweise in Silizium-Technologie. Auch
andere Arten von Halbleitertechnologien sind jedoch einsetzbar.
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Der
Sensorchip kann beispielsweise mindestens eine Sensoroberfläche
umfassen, welche von dem fluiden Medium in dem Kanal überströmt
wird. Auf dieser Sensoroberfläche, d. h. unmittelbar auf dieser
angeordnet oder durch lediglich eine oder wenige Schutzschichten
von der Oberfläche getrennt, können entsprechende
Messelemente auf dem Sensorchip angeordnet sein, beispielsweise
ein oder mehrere Heizelemente, ein oder mehrere Temperaturfühler
oder ähnliche Sensorelemente. Die Sensoroberfläche
kann vorzugsweise in einem Bereich des Sensorchips ausgebildet sein,
welcher eine geringe thermische Masse aufweist. Beispielsweise kann dementsprechend
die Sensoroberfläche auf einer Membran des Sensorchips
angeordnet sein oder kann in einem hochporösen Bereich
des Sensorchips angeordnet sein.
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Weiterhin
umfasst der Steckfühler eine Ansteuer- und Auswerteschaltung.
Diese Ansteuer- und Auswerteschaltung ist eingerichtet, um die Funktionalität
des Sensorchips zu gewährleisten. Dementsprechend umfasst
diese Ansteuer- und Auswerteschaltung zumindest einen Teil einer
Ansteuerung des Sensorchips und zumindest einen Teil einer Auswertung
der von dem Sensorchip bereitgestellten Messsignale. Weitere Komponenten
einer Ansteuerung und/oder Auswertung können auch außerhalb dieser
Ansteuer- und Auswerteschaltung vorgesehen sein. Die Ansteuer- und
Auswerteschaltung kann insbesondere mindestens eine aktive und/oder
passive Komponente zur Ansteuerung und/oder Auswertung des Sensorchips
umfassen. Weiterhin kann die Ansteuer- und Auswerteschaltung Leiterbahnen,
Anschlusskontakte, Energieversorgungen, Filter oder ähnliches
umfassen.
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Die
Ansteuer- und Auswerteschaltung ist auf einer Leiterplatte angeordnet.
Unter einer Leiterplatte ist dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung
ein elektronischer Schaltungsträger zu verstehen, welcher
beispielsweise eine im Wesentlichen ebene, plattenförmige
Gestalt aufweist und welcher für sich genommen isolierende
Eigenschaften aufweist. Beispielsweise können übliche
Leiterplattenmaterialien, wie z. B. Epoxydharze, insbesondere Glasfaser- und/oder
Kohlefaser verstärkte Epoxydharze, Keramiken, Kunststoffe
oder ähnliche Materialien verwendet werden, beispielsweise
derartige Materialien, wie sie üblicherweise für
Leiterplatten eingesetzt werden. Insbesondere kann die Leiterplatte
als gedruckte Leiterplatte (Printed Circuit Board, PCB) ausgestaltet sein.
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Die
Leiterplatte umfasst einen in den Kanal hineinragenden Sensorträgerbereich.
Dieser Sensorträgerbereich kann insbesondere als Fortsatz
der Leiterplatte ausgestaltet sein und soll einstückig
mit der restlichen Leiterplatte ausgebildet sein. Damit unterscheidet
sich der Sensorträgerbereich von üblichen Sensorträgern,
welche, wie aus dem oben beschriebenen Stand der Technik bekannt,
beispielsweise als angespritzte Kunststoffbauteile an einem separaten
Bodenblech ausgebildet sind, auf welchen dann in einem zusätzlichen
Schritt die eigentliche Leiterplatte der Ansteuer- und Auswerteschaltung aufgeklebt
ist. Somit lassen sich gemäß der vorliegenden
Erfindung die Leiterplatte und der Sensorträger einstückig
ausbilden. Der Sensorträgerbereich kann insbesondere aus
demselben Leiterplattenmaterial hergestellt sein, aus welchem auch
die übrige Leiterplatte hergestellt ist.
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Dennoch
ist der Sensorchip vorzugsweise nach wie vor als von der Leiterplatte
getrennter Sensorchip ausgebildet. Dies bietet, im Gegensatz beispielsweise
zu der in
US 4,776,214 gezeigten
Anordnung, den Vorteil, dass der Sensorchip nach üblichen mikromechanischen
oder mikroelektronischen Methoden herstellbar ist, beispielsweise
in Halbleitertechnologie. Das Material des Sensorchips ist also nicht
notwendigerweise auf die ansonsten in der Leiterplatte verwendeten
Materialien beschränkt. So lassen sich insbesondere Halbleitermaterialien
einsetzen, welche im Bereich der Sensoroberfläche gezielt
mit bestimmten thermischen Eigenschaften ausgestattet sind, beispielsweise,
wie oben beschrieben, in Form dünner Membranen und/oder
in Form von porösen Bereichen mit geringer thermischer
Masse.
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Der
Sensorchip ist dabei auf dem Sensorträgerbereich aufgenommen.
Beispielsweise kann der Sensorchip auf einer Oberfläche
des Sensorträgerbereichs aufgesetzt sein. Alternativ oder
zusätzlich kann der Sensorchip jedoch auch in einer Vertiefung des
Sensorträgerbereichs aufgenommen sein, insbesondere derart,
dass eine Oberfläche des Sensorchips, insbesondere eine
Sensoroberfläche, mit einer Oberfläche des Sensorträgerbereichs
eine gemeinsame, bündige Oberfläche ausbildet.
Auf diese Weise lassen sich beispielsweise Wirbelbildungen am Übergang
zwischen Sensorträgerbereich und Sensoroberfläche
vermeiden. Zudem erleichtert diese bündige Aufnahme in
einer Vertiefung eine elektrische Kontaktierung des Sensorchips.
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Insgesamt
lassen sich mittels der beschriebenen Erfindung Sensoranordnungen
bereitstellen, welche sich in einem stark vereinfachten Fertigungsprozess
herstellen lassen. Die Fertigungskosten dieser Sensoranordnungen
lassen sich dadurch erheblich senken. Das Bodenblech aus Metall
kann, wie auch ein separater Sensorträger, beispielsweise
aus Kunststoff, entfallen. Sowohl die mechanische Trägerfunktion
des Bodenblechs als auch die Funktion des Sensorträgers
können von der Leiterplatte, die auch die Ansteuer- und
Auswerteelektronik trägt, ersetzt werden.
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Der
Steckfühler kann insbesondere ein Gehäuse mit
einem von der Kanalstruktur getrennten Elektronikraum aufweisen.
Die Leiterplatte kann dann im Wesentlichen in dem Elektronikraum
angeordnet sein, wie zuvor das Elektronikmodul. Der Sensorträgerbereich
kann aus dem Elektronikraum heraus in den Kanal der Kanalstruktur
hineinragen, beispielsweise in Form des oben genannten Fortsatzes.
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Der
Elektronikraum kann gegenüber der Kanalstruktur durch mindestens
ein Dichtelement abgedichtet sein. Beispielsweise kann dieses Dichtelement
eine Dichtlippe aufweisen, welche auf dem Sensorträgerbereich
aufliegen kann. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn der Sensorchip
vollständig auf der dem Kanal zuweisenden Seite der Dichtlippe angeordnet
ist, im Gegensatz zu herkömmlichen Abdichtungen, welche üblicherweise
auf dem Sensorchip selbst erfolgen. Hierdurch lässt sich
beispielsweise eine Gefahr einer mechanischen Beschädigung
des Sensorchips durch die Dichtlippe vermindern. Der Sensorchip
kann vergleichsweise klein ausgestaltet werden und vollständig
in dem Kanal angeordnet sein.
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Die
Leiterplatte kann mindestens eine Anschlussbahn mit mindestens einem
Anschlusskontakt zur Verbindung des Sensorchips mit der Ansteuer-
und Auswerteschaltung aufweisen. Dieser Anschlusskontakt kann mit
dem Sensorchip durch mindestens eine elektrische Verbindung verbunden
sein, beispielsweise durch Drahtbonding. Dabei ist es besonders
bevorzugt, wenn diese elektrische Verbindung durch mindestens eine
Abdeckung, insbesondere durch mindestens eine Kunststoffabdeckung und/oder
durch mindestens eine Klebstoffabdeckung, geschützt ist.
Auf diese Weise können beispielsweise aggressive Komponenten
des fluiden Mediums die elektrische Verbindung nicht negativ beeinträchtigen.
Die Abdeckung kann beispielsweise als so genannter Glob Top ausgestaltet
sein, bei welchem ein Klebstofftropfen und/oder Epoxydharztropfen
auf die elektrische Verbindung, beispielsweise die Bonddrähte,
aufgebracht ist. Auch die Abdeckung kann vollständig auf
der dem Kanal zuweisenden Seite der Dichtlippe angeordnet sein.
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Wird
die Leiterplatte auch als Sensorträger verwendet, wie von
der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, so besteht eine Herausforderung
darin, die Strömung des fluiden Mediums möglichst
störungsfrei über das Sensorelement zu leiten,
um eine gute Signalqualität und Signalreproduzierbarkeit
zu gewährleisten. Aus dem Stand der Technik, in welchem
separate, beispielsweise an ein Bodenblech angespritzte Kunststoff-Sensorträger
verwendet werden, ist es daher bekannt, den Sensorträger
mit einer abgerundeten Anströmkante auszugestalten. Beispiele
derartiger abgerundeter Anströmkanten sind aus
DE 103 45 584 A1 oder
aus
EP 0 720 723 B1 bekannt.
Die in der
DE 103
45 584 A1 beschriebene Spritzgießtechnik oder
die in
EP 0 720 723
B1 dargestellte Stanz-Biege-Technik lässt sich
jedoch auf die bevorzugte einstückige Ausgestaltung des
Sensorträgerbereichs mit der Leiterplatte nicht direkt übertragen.
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Dementsprechend
wird vorgeschlagen, dass der Sensorträgerbereich der Leiterplatte
eine dem strömenden fluiden Medium entgegenweisende Anströmkante
aufweist, welche quer zur Strömungsrichtung angeordnet
sein kann. Dabei kann die Anströmkante mit der lokalen
Strömungsrichtung grundsätzlich einen beliebigen
Winkel größer Null Grad bilden, vorzugsweise einen
Winkel größer als 20 Grad und in der Regel von
ca. 30–80°. Um eine gute Signalqualität
zu gewährleisten, wird vorgeschlagen, diese Anströmkante
mit mindestens einem Strömungsführungselement
auszugestalten. Dieses Strömungsführungselement
soll eingerichtet sein, um eine Strömungsablösung
der Strömung des strömenden fluiden Mediums über
der Sensoroberfläche des Sensorchips zumindest weitgehend
zu verhindern. Auf der entgegengesetzten Seite des Sensorträgerbereichs,
also auf der von der Sensoroberfläche wegweisenden Oberfläche,
können hingegen Strömungsablösungen auftreten,
da diese dort einen vergleichsweise geringen Einfluss auf die Signalqualität haben.
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Das
Strömungsführungselement kann dabei auf verschiedene
Weisen ausgestaltet sein. Insbesondere kann ein Fachmann auf dem
Gebiet der Strömungsmechanik, sobald Details über
die Art des strömenden fluiden Mediums und/oder dessen
Strömungsgeschwindigkeit bekannt sind, beispielsweise durch
geeignete Strömungssimulationen, eine geeignete Ausgestaltung
des Strömungsführungselements vornehmen.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn das Strömungsführungselement
eines oder mehrere der folgenden Elemente aufweist. So kann eine
abgerundete Anströmkante vorgesehen sein, beispielsweise eine
Anströmkante ähnlich der in dem Stand der Technik
bekannten Anströmkanten. Diese Anströmkante kann
beispielsweise symmetrisch zu einer Symmetrieebene des Sensorträgerbereichs
ausgestaltet sein. Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn eine
asymmetrische Ausgestaltung hinsichtlich dieser Symmetrieebene erfolgt.
Diese asymmetrische Ausgestaltung kann beispielsweise derart erfolgen, dass
eine zusätzliche Beschleunigung der Strömung auf
der Seite der Sensoroberfläche auftritt. Zu diesem Zweck
kann beispielsweise eine Vorderkante der abgerundeten Anströmkante
auf einer der Sensoroberfläche gegenüberliegenden
Seite der Symmetrieebene angeordnet sein, also näher bei
der der Sensoroberfläche gegenüberliegenden Seite
des Sensorträgerbereichs. Ausführungsbeispiele
einer derartigen Anordnung werden unten näher erläutert. Alternativ
oder zusätzlich kann das Strömungsführungselement
auch eine Keilform aufweisen, mit einer der Strömung des
fluiden Mediums entgegenweisenden Keilspitze. Insbesondere kann
dies eine Keilform sein, bei welcher eine erste Keilfläche
mit einer Oberfläche des Sensorträgerbereichs
und der Sensoroberfläche eine bündige Fläche
bildet, so dass von der Anströmkante bis hinweg über
die Sensoroberfläche im Wesentlichen eine einzige ebene
Fläche entsteht. Eine zweite Keilfläche hingegen
kann unter einem Keilwinkel von weniger als 90° zur ersten
Keilfläche verlaufen, beispielsweise unter einem Keilwinkel
von 20° bis 60°.
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Wie
oben dargestellt, kann der Sensorträgerbereich insbesondere
als Fortsatz der Leiterplatte ausgestaltet sein. Unter einem Fortsatz
ist dabei ein geometrisches Element zu verstehen, welches aus einer
ansonsten im Wesentlichen geschlossenen Fläche herausragt.
Beispielsweise kann die Leiterplatte einen im Wesentlichen rechteckig
ausgestalteten Hauptteil aufweisen, wobei jedoch Abweichungen von
der Rechteckform möglich sind. Beispielsweise können
die Kanten auch unter einem Winkel von 30° bis 80° verlaufen,
beispielsweise unter einem Winkel von 45°. Aus diesem Hauptteil
kann der Fortsatz herausragen, welcher ebenfalls beispielsweise im
Wesentlichen rechteckig ausgestaltet sein kann. Auch hier sind wiederum
leichte Abweichungen von der Rechteckform tolerierbar, beispielsweise
indem eine Vorderkante, welche am weitesten in den Kanal hineinragt,
leicht abgeschrägt oder abgerundet ist, beispielsweise
um einem Verlauf des Kanals in diesem Bereich angepasst zu werden.
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Dabei
ist es insgesamt besonders bevorzugt, wenn der Fortsatz asymmetrisch
auf der Leiterplatte angeordnet ist. Dieser asymmetrische Zuschnitt
der Leiterplatte bietet verschiedene Vorteile. Zum einen lässt
sich hierdurch eine Platz sparende Anordnung mehrerer Leiterplatten
auf einem Nutzen bei der Herstellung gewährleisten, im
Gegensatz zu einer nicht-versetzten, symmetrischen Anordnung. Auf
diese Weise lassen sich beispielsweise lange, gerade Sägekanten
ermöglichen. Insbesondere kann der Fortsatz dementsprechend
eine mit einer Hauptkante der Leiterplatte bündig verlaufende
Kante aufweisen, beispielsweise eine Seitenkante der Leiterplatte.
Verschiedene Ausführungsbeispiele derartiger Platz sparender
Anordnungen mit asymmetrischem Fortsatz werden unter näher
erläutert.
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Ein
weiterer Vorteil der asymmetrischen Anordnung des Fortsatzes besteht
darin, dass durch diese Ausgestaltung die Anströmstrecke,
welche das fluide Medium zurücklegen muss, um zum Sensorchip
zu gelangen, zusätzlich erhöht werden kann. So kann
der Fortsatz derart angeordnet sein, dass dieser, bei gleich bleibendem
Hauptteil der Leiterplatte, weiter stromabwärts im Kanal
angeordnet ist als bei einer symmetrischen Anordnung. Die Strecke
stromaufwärts des Sensorelements, welche beispielsweise
für eine Strömungsberuhigung zur Verfügung steht,
kann hierdurch erhöht werden. In dieser Strecke können
zusätzlich Elemente angeordnet sein, welche die Strömung
beschleunigen, wie beispielsweise Verengungen. Weiterhin lassen
sich in dieser Strecke stromaufwärts des Sensorelements
beispielsweise auch Leitflügel anordnen, welche den Turbulenzgrad
senken. Insgesamt lässt sich hierdurch die Signalqualität
verbessern, da, wenn das fluide Medium beim Sensorchip anlangt,
die Strömungsqualität auf diese Weise stark verbessert
sein kann.
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Unabhängig
von der symmetrischen oder asymmetrischen Ausgestaltung, jedoch
besonders bevorzugt in Verbindung mit einer asymmetrischen Ausgestaltung
der Leiterplatte, ist es dementsprechend bevorzugt, den Sensorchip
vergleichsweise weit stromabwärts im Kanal anzuordnen.
Dementsprechend kann der Steckfühler beispielsweise einen Einlass,
durch welchen das fluide Medium in den Kanal einströmen
kann, sowie einen Auslass, durch wel chen das fluide Medium aus dem
Kanal ausströmen kann, aufweisen. Das fluide Medium kann
zwischen Einlass und dem Sensorchip eine Anströmstrecke
zurücklegen und zwischen dem Sensorchip und dem Auslass
eine Abströmstrecke. Um den oben beschriebenen Effekt,
dass die Strömungsqualität am Ort des Sensorchips
verbessert wird, zu erzielen, ist es besonders bevorzugt, wenn die
Anströmstrecke mindestens genauso groß ist wie
die Abströmstrecke. Die Anströmstrecke kann beispielsweise
das 1- bis 2-fache der Abströmstrecke betragen, beispielsweise
das 1,5-fache. Dies kann insbesondere durch die asymmetrische Ausgestaltung
des Fortsatzes erreicht oder unterstützt werden. Unabhängig vom
exakten Verhältnis zwischen Anströmstrecke und
Abströmstrecke, welches grundsätzlich beliebig ausgestaltet
sein kann, ist es von Vorteil, wenn stromaufwärts des Sensorelements
eine ausreichend lange Anströmstrecke zur Verfügung
steht, um die erwähnten Beruhigungseffekte zu erzielen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert.
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Es
zeigen
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1 eine
perspektivische Darstellung einer bekannten Sensoranordnung;
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2 ein
Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Sensoranordnung;
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3A eine
schematische Darstellung einer Leiterplatte der Sensoranordnung
gemäß 2;
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3B ein
Beispiel einer Anordnung mehrerer Leiterplatten gemäß 3A im
Nutzen;
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4A ein
weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Sensoranordnung in schematischer Darstellung;
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4B ein
Ausführungsbeispiel der in 4A verwendeten
Leiterplatten im Nutzen;
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5 eine
schematische Schnittdarstellung durch einen Sensorträgerbereich
einer Leiterplatte;
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6A–6C Ausführungsbeispiele
einer erfindungsgemäßen Verbesserung einer Anströmkante
des Sensorträgerbereichs gemäß 5.
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In 1 ist
eine dem Stand der Technik entsprechende Sensoranordnung 110 zur
Bestimmung eines Parameters eines fluiden Mediums dargestellt. Die
Sensoranordnung 110 ist in diesem Ausführungsbeispiel
als Heißfilmluftmassenmesser ausgestaltet und umfasst einen
Steckfühler 112, welcher beispielsweise in ein
Strömungsrohr, insbesondere in einem Ansaugtrakt einer
Brennkraftmaschine, eingesteckt werden kann. In dem Steckfühler 112 ist
eine Kanalstruktur 114 aufgenommen, welche in 1 lediglich
teilweise erkennbar ist und durch welche über einen Einlass 116,
der im eingesetzten Zustand einer Hauptströmungsrichtung 118 des
fluiden Mediums entgegenweist, eine repräsentative Menge
des fluiden Mediums strömen kann.
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Die
Kanalstruktur 114 weist einen Hauptkanal 120 auf,
welcher in einem Hauptstromauslass 122 auf der Unterseite
des Steckfühlers 112 in 1 mündet.
Weiterhin weist die Kanalstruktur 114 einen von dem Hauptkanal 120 abzweigenden
Messkanal 124 auf, welcher in einem, ebenfalls auf der
Unterseite des Steckfühlers 112 angeordneten Messkanalauslass 126 mündet.
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In
den Messkanal 124 ragt ein Sensorträger 128 in
Form eines Flügels. In diesen Sensorträger 128 ist
ein Sensorchip 130 eingelassen, derart, dass eine Sensoroberfläche 132 von
dem fluiden Medium überströmt wird.
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Wie
in 1 erkennbar, ist der Sensorträger 128 mit
dem Sensorchip 130 Bestandteil eines Elektronikmoduls 134.
Dieses Elektronikmodul 134 weist ein gebogenes Bogenblech 136 als
Träger sowie eine darauf aufgebrachte, beispielsweise aufgeklebte,
Leiterplatte 138 mit einer Ansteuer- und Auswerteschaltung 140 auf.
Der Sensorträger 128 kann beispielsweise als Kunststoffbauteil
an das Bodenblech 136 angespritzt sein. Der Sensorchip 130 ist
mit der Ansteuer- und Auswerteschaltung über in 1 lediglich
angedeutete elektrische Verbindungen 142, beispielsweise
Draht-Bonding, elektrisch verbunden.
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Das
derart entstandene Elektronikmodul 134 wird in einen Elektronikraum 144 in
einem Gehäuse 146 des Steckerteils 112,
in welchem auch die Kanalstruktur 114 ausgebildet ist,
eingebracht, beispielsweise eingeklebt. Dies erfolgt derart, dass
der Sensorträger 128 dabei in die Kanalstruktur 114 hineinragt.
Anschließend werden der Elektronikraum 144 und
die Kanalstruktur 114 durch Deckel 148 verschlossen.
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In 2 ist
demgegenüber eine erfindungsgemäße Abwandlung
der Sensoranordnung 110 gemäß 1 dargestellt.
Dabei ist zunächst zu erkennen, dass die Kanalstruktur 114 des
Steckfühlers 112 der Sensoranordnung 110 im
Wesentlichen der Kanalstruktur 114 des Ausführungsbeispiels
gemäß 1 entspricht. Wiederum zweigt
von einem Hauptkanal 120 ein Messkanal 124 ab,
in welchem der Sensorchip 130 mit seiner Sensoroberfläche 132 angeordnet
ist. Die Strecke zwischen dem Einlass 116 und dem Sensorchip 130 wird
im Folgenden auch als Anströmstrecke 150 bezeichnet
und die Strecke zwischen Sensorchip 130 und Messkanalauslass 126 auch
als Abströmstrecke 152. In der Anströmstrecke 150 können
dabei, wie in 2 angedeutet, auch Strömungsführungselemente 154 vorgesehen
sein, welche in 2 symbolisch durch Leitflügel
angedeutet sind. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch möglich.
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In
dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 wird
das Elektronikmodul 134 gegenüber dem Ausführungsbeispiel
in 1 dadurch modifiziert, dass das Bodenblech 136,
die Leiterplatte 138 und der Sensorträger 128 zu
einem vorzugsweise einstückig ausgebildeten Element in
Form der Leiterplatte 138 zusammengefasst sind. Diese Leiterplatte 138 umfasst
einen Hauptteil 156, auf welchem die Ansteuer- und Auswerteschaltung 140 (in 2 lediglich
symbolisch angedeutet) aufgenommen ist. Diese Ansteuer- und Auswerteschaltung 140 kann
beispielsweise ein oder mehrere elektronische Bauelemente umfassen,
sowie Leiterbahnen, Anschlusskontakte, Energieversorgungen, Datenverarbeitungsgeräte
oder ähnliches.
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Weiterhin
umfasst die Leiterplatte 138 in dem in 2 dargestellten
Ausführungsbeispiel einen in den Messkanal 124 hineinragenden
Sensorträgerbereich 158, welcher als Fortsatz 160 der
Leiterplatte 138 ausgebildet ist. Dieser Sensorträgerbereich 158 ersetzt
den Sensorträger 128 der Ausführungsform gemäß 1.
In diesem Sensorträgerbereich 158 ist in der Leiterplatte 138 eine
Vertiefung ausgebildet, in welcher der Sensorchip 130 eingesetzt
ist. Der Fortsatz 160 der Leiterplatte 138 weist
dabei zumindest näherungsweise die Abmessungen des Sensorträgers 128 gemäß dem
Beispiel des Standes der Technik in 1 auf.
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Der
Sensorchip 130 ist über in 2 lediglich
angedeutete elektrische Verbindungen 142 mit der Ansteuer-
und Auswerteschaltung 140 verbunden. Diese elektrischen
Verbindungen 142 können über eine Abdeckung 162 abgedeckt
und damit gegenüber dem fluiden Medium geschützt
sein. Diese Abdeckung 162 kann beispielsweise einen Klebstofftropfen
umfassen, was üblicherweise als „Glob-Top-Abdeckung” bezeichnet
wird. Da die Leiterbahnen der Ansteuer- und Auswerteschaltung 140 auf
der Leiterplatte 138 angeordnet sind und da auch die Sensoroberfläche 132 des
Sensorchips 130 vorzugsweise im Wesentlichen bündig
mit der Oberfläche der Leitung 138 verläuft,
können die elektrischen Verbindungen 142 wesent lich
kürzer und wesentlich stabiler ausgestaltet sein als bei
dem aus mehreren Komponenten zusammengesetzten Elektronikmodul 134 gemäß dem
in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel.
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Der
Hauptteil 156 der Leiterplatte 138 ist in dem
in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel in dem Elektronikraum 144 des
Gehäuses 146 des Steckfühlers 112 aufgenommen.
Beispielsweise kann die Leiterplatte in diesem Bereich in das Gehäuse 146 eingeklebt
sein. Der Fortsatz 160 ragt durch einen Durchbruch 164 in
den Messkanal 124 hinein. Beispielsweise kann der Elektronikraum 144 in
einem Dichtbereich 166, welcher in 2 lediglich
symbolisch angedeutet ist, gegenüber dem Messkanal 124 abgedichtet
sein. In diesem Dichtbereich 166 kann beispielsweise eine
in den Figuren nicht dargestellte Dichtlippe eines der Deckel 148 auf
den Fortsatz 160 aufdrücken und so eine Dichtung
bereitstellen. Dabei sind der Sensorchip 130 und die elektrischen
Verbindungen 142 mit der Abdeckung 162 vorzugsweise vollständig
auf der dem Messkanal 124 zuweisenden Seite des Dichtbereichs 166 angeordnet.
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In 3A ist
die Leiterplatte 138 des Ausführungsbeispiels
gemäß 3 sowie die
Ansteuer- und Auswerteschaltung 140 schematisch dargestellt. Dabei
ist zu erkennen, dass der Hauptteil 156 der Leiterplatte 138 in
diesem Ausführungsbeispiel im Wesentlichen rechteckige
Abmessungen aufweist. Auch der Sensorträgerbereich 158 stellt
einen im Wesentlichen rechteckigen Fortsatz dar. Die elektrischen
Komponenten der Ansteuer- und Auswerteschaltung 140 sind
in 3A lediglich angedeutet. Leiterbahnen dieser Ansteuer-
und Auswerteschaltung 140 sind in 3A nicht
gezeigt. Es ist auch ein komplexerer Aufbau als der gezeigte einfache
Aufbau möglich, beispielsweise ein Aufbau, der Ansteuer-
und Auswerteschaltung in mehreren Schichtebenen der Leiterplatte 138.
Bevorzugt ist es jedoch, wenn die Leiterplatte 138 eine
monolithische, einstückige Leiterplatte ist. Die Leiterplatte
kann, wie in 3A ebenfalls angedeutet, Kontaktpads 168 umfassen,
welche beispielsweise mit einem in 1 lediglich
angedeuteten Steckerteil des Steckfühlers 112 verbunden
werden können, beispielsweise um die Sensoranordnung 110 mit
externer elektrischer Energie zu versorgen, um Signale des Steckfühlers 112 abzufragen
oder um den Steckfühler 112 auf sonstige Weise
anzusteuern oder auszulesen.
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Wie
in 3A zu erkennen ist, ist der Fortsatz 160 des
Sensorträgerbereichs 158 asymmetrisch am Hauptteil
der Leiterplatte 156 angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel
erfolgt die Asymmetrie derart, dass der Fortsatz 160 mit
dem Hauptteil 156 der Leiterplatte 138 beziehungsweise
mit einer Hauptkante 170 dieses Hauptteils 156 eine
bündig verlaufende Kante 172 aufweist.
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Wie
oben beschrieben, bietet diese asymmetrische Anordnung des Fortsatzes 160 eine
Reihe von Vorteilen. Ein erster Vorteil ist im Hinblick auf die 2 erkennbar.
Hieraus ist zu sehen, dass aufgrund der asymmetrischen Anordnung
des Fortsatzes 160 in dem Messkanal 124 die Anströmstrecke 150 in
diesem Ausführungsbeispiel länger ist als die Abströmstrecke 152.
Dies, gemeinsam mit gegebenenfalls zusätzlich vorhandenen
Strömungsführungselementen, kann dazu beitragen,
dass die Strömungsqualität am Ort des Sensorchips 130 im
Vergleich zu einer Anordnung am Anfang des Messkanals 124 verbessert
ist. Die Anströmstrecke 150 steht stromaufwärts
des Sensors 130 zur Strömungsberuhigung zur Verfügung.
Dadurch kann die Strömungsqualität verbessert
und der Turbulenzgrad im Bereich des Sensorchips 130 gesenkt
und allgemein die Signalqualität verbessert werden.
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Ein
weiterer Vorteil der asymmetrischen Anordnung des Fortsatzes 160 ist
in 3B erkennbar. Hier ist gezeigt, wie vier Leiterplatten 138 in
einem Nutzen 174 hergestellt werden können. Auch
eine größere Anzahl von Leiterplatten 138 innerhalb
eines Nutzens 174 ist jedoch selbstredend möglich.
Die Platz sparende Anordnung kann dadurch gewährleistet
werden, dass die Sensorträgerbereiche 158, beziehungsweise
Fortsätze 160 der Leiterplatten 138, wie
in 3B dargestellt, ineinander greifen. Aufgrund der
gerade verlaufenden Kante 172, entlang welcher mehrere
Leiterplatten 138 gleichzeitig gesägt werden können,
lässt sich also nicht nur ein geringer Verschnitt auf einer
Leiterplatte erzielen, sondern es lassen sich auch die Sägeprozesse
optimieren. Insgesamt stellt die asymmetrische Ausgestaltung gemäß dem
Ausführungsbeispiel in 3A somit
Möglichkeiten für eine ökonomische Herstellung der
Leiterplatten 138 bereit.
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In 4A ist
ein zu 2 alternatives Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Sensoranordnung mit einem Steckfühler 112 dargestellt.
Die Ausgestaltung des Steckfühlers 112 kann im
Wesentlichen der Ausgestaltung gemäß 2 entsprechen, so
dass weitgehend auf die Beschreibung dieser Figur verwiesen werden
kann.
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Wiederum
ist die Leiterplatte 138 mit ihrem Sensorträgerbereich 158,
welcher als Fortsatz in den Messkanal 124 hineinragt, als
einstückige, asymmetrische Leiterplatte ausgestaltet. Die
Anordnung des Fortsatzes 160 erfolgt wiederum derart, dass
dieser Fortsatz 160 randseitig am Hauptteil 156 der
Leiterplatte 138 angeordnet ist. Wiederum weist dieser Fortsatz 160 damit
eine mit einer Hauptkante 170 bündig verlaufende
Kante 172 auf, welche als gemeinsame Sägekante
genutzt werden kann.
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Im
Unterschied zur Ausgestaltung gemäß den 2 und 3A ist
die Leiterplatte 138 jedoch an ihrem dem Messkanal 124 zuweisenden
Ende mit schrägen Kanten 176, 178 versehen.
Dabei ist die schräge Kante 178 des Fortsatzes 160 im
Wesentlichen der Krümmung des Messkanals 124 in
dem Bereich, in welchen der Fortsatz 160 hineinragt, angepasst.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist diese Kante 178 als
gerade Kante ausgestaltet. Auch eine gekrümmte Kante, entsprechend
des gekrümmten Verlaufs des Messkanals 124, ist
jedoch beispielsweise möglich. Die schräge Kante 176 des
Hauptteils 156 folgt in ihrem Verlauf im Wesentlichen parallel der
schrägen Kante 178 des Fortsatzes 160.
Der Sensorchip 130 kann beispielsweise wie in 2 auf dem
Fortsatz 160 angeordnet sein, also beispielsweise parallel
zur Kante 172, oder kann, wie in 4A angedeutet,
beispielsweise auch senkrecht zur lokalen Strömungsrichtung
im Messkanal 124 angeordnet sein, was auch in einer nicht-parallelen
Anordnung zur Kante 172 resultieren kann.
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In 4B sind
die Vorteile der asymmetrischen Anordnung gemäß dem
Ausführungsbeispiel in 4A wiederum
analog zur 3B dargestellt. Wiederum ist
ein Nutzen 174 mit beispielsweise vier Leiterplatten 138 gezeigt.
Da vorzugsweise der Winkel der schrägen Kante 176 der
Hauptteile 156 der Leiterplatte 138 im Wesentlichen
dem schrägen Verlauf der Kante 178 des Fortsatzes 160 entspricht,
lassen sich diese schrägen Kanten 176, 178 beispielsweise
gemeinsam sägen. Wiederum ergibt sich, wie in 4B erkennbar,
ein einfaches Schnittbild mit geringem Verschnitt.
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Anhand
der 5 und 6A bis 6C soll
eine weitere mögliche Ausgestaltung der Erfindung erläutert
werden, welche auch in Kombination mit den oben beschriebenen Ausführungsformen
realisierbar ist.
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So
zeigt 5 einen Schnitt entlang der Schnittlinie A-A in
dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 durch
den Fortsatz 160. Dabei ist zu erkennen, wie der Sensorchip 130,
welcher beispielhaft als Sensorchip mit einer Messmembran 180 dargestellt
ist, in eine Vertiefung 182 in dem Sensorträgerbereich 158 der
Leiterplatte 138 eingesetzt ist. Die Vertiefung 182 ist
vorzugsweise derart bemessen, dass die Sensoroberfläche 132 des
Sensorchips 130 mit einer Oberfläche 200 des
Sensorträgerbereichs 158 eine bündige
Oberfläche bildet.
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Die
Richtung der lokalen Strömung des fluiden Mediums ist in 5 symbolisch
mit der Bezugsziffer 184 bezeichnet. Die Strömung
des fluiden Mediums kann durch eine geeignete Ausgestaltung des Gehäuses 146,
beispielsweise durch eine entsprechende Verengung des Messkanals 124 durch
geeignete Ausgestaltung des Deckels 148 und/oder eines Bodenteils 186,
beschleunigt werden. Die Strömung ist symbolisch mit den
Strömungslinien 188 bezeichnet.
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5 zeigt
die einfachste Ausführungsform der Erfindung, bei welcher
die Leiterplatte 138 einfach mit senkrechten Kanten gesägt,
geschnitten oder gefräst ist. Mit dieser Ausgestaltung
ergibt sich das in 5 dargestellte Strömungsbild.
Durch die Umströmung der Kanten bilden sich Ablösegebiete 190,
die sich gegenseitig beeinflussen, instabil sind und Störungen
verursachen. Die Folge sind ein hohes Signalrauschen, verschlechterte
Signalreproduzierbarkeit und gegebenenfalls Hystereseeffekte in der
Kennlinie.
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Günstiger
ist es daher, wie in den 6A bis 6C dargestellt,
eine Anströmkante 192 des Fortsatzes 160,
also die der lokalen Strömung 184 entgegenweisende
Seite des Fortsatzes 160, mit mindestens einem Strömungsführungselement 194 auszugestalten.
Dieses Strömungsführungselement 194 kann
beispielsweise durch eine Bearbeitung der Anströmkante 192 mittels
eines speziellen Profilfräsers und/oder durch eine entsprechende
profilierte Ausschneidung hergestellt werden. Die Kanten der Leiterplatte 138 außerhalb
des Sensorträgerbereichs 158 bzw. außerhalb
der Anströmkante 192 können dabei unbearbeitet
verbleiben.
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In 6A ist
ein erstes Ausführungsbeispiel eines Strömungsführungselements
an der Anströmkante 192 gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel
ist das Strömungsführungselement 194 als
Keil ausgestaltet, mit einer ersten Keilfläche 198 welche
bündig mit einer Oberfläche 200 des Sensorträgerbereichs 158 verläuft
und einer zweiten Keilfläche 202, welche unter
einem Keilwinkel < 90° zur
ersten Keilfläche 198 verläuft, beispielsweise
einem Winkel zwischen 20° und 60°. Wie in 6A durch
die Strömungslinien 188 angedeutet, lässt
sich auf diese Weise eine ablösefreie Strömung
oberhalb der Oberfläche 200 des Sensorträgerbereichs 158 und
somit oberhalb der Sensoroberfläche 132 erzielen.
Lediglich auf der gegenüberliegenden Oberfläche
des Sensorträgerbereichs 158 können sich
noch Ablösegebiete 190 ausbilden, welche jedoch
in diesem Bereich die Signalqualität nicht oder nur noch
unwesentlich beeinflussen. Der Keil 196 bildet also eine
abgeschrägte Anströmkante 192 in Form
der zweiten Keilfläche 202, welche die Signalqualität
günstig beeinflusst.
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In 6B ist
ein zweites Ausführungsbeispiel dargestellt, bei welchem
die Anströmkante 192 abgerundet ausgestaltet ist.
Beispielsweise kann diese abgerundete Anströmkante 192 als „Nase” mit
beispielsweise zumindest annähernd elliptischem Querschnitt
ausgestaltet werden. Auch auf diese Weise ist eine ablösefreie
Strömungsführung möglich, welche in diesem
Fall sogar auf beiden Seiten des Sensorträgerbereichs 158 zu
einer ablösegebietfreien Strömung führen
kann.
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In 6C ist
eine Abwandlung der abgerundeten Anströmkante 192 gemäß 6B dargestellt. Während
bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 6B die
Anströmkante 192 im Wesentlichen symmetrisch abgerundet
ist, ist die Anströmkante 192 in dem Ausführungsbeispiel
gemäß 6C leicht asymmetrisch
abgerundet. Dies bedeutet, dass das vorderste Ende dieser Anströmkante 192 in
dem vorliegenden Ausführungsbeispiel unterhalb einer Symmetrieebene 204,
beispielsweise einer Mittelebene des Sensorträgerbereichs 158,
liegt. Auf diese Weise kann eine zusätzliche Beschleunigung
der Strömung auf der Oberfläche 200 des
Sensorträgerbereichs 158 und auf der Sensoroberfläche 132 erfolgen.
Hierdurch lässt sich das Signalrauschen zusätzlich
verringern. Auch in dem in 6C gezeigten
Ausführungsbeispiel treten auf beiden Seiten des Sensorträgerbereichs 158 vorzugsweise
keine Ablösegebiete 190 auf.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10253970
A1 [0002, 0003, 0003, 0003]
- - DE 10345584 A1 [0004, 0021, 0021]
- - EP 0720723 B1 [0004, 0021, 0021]
- - US 4776214 [0005, 0005, 0015]