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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung wenigstens einer Strömungseigenschaft fluider Medien, also von Flüssigkeiten und/oder Gasen, bekannt. Bei den Strömungseigenschaften als möglichem Parameter kann es sich dabei grundsätzlich um beliebige physikalische und/oder chemische messbare Eigenschaften, welche eine Strömung eines fluiden Mediums qualifizieren oder quantifizieren, handeln. Insbesondere kann es sich dabei um eine Strömungsgeschwindigkeit und/oder einen Massenstrom und/oder einen Volumenstrom handeln.
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Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere und ohne Beschränkung weiterer möglicher Ausgestaltungen beschrieben unter Bezugnahme auf so genannte Heißfilmluftmassenmesser, wie sie beispielsweise in Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, Seiten 146–148, beschrieben sind. Derartige Heißfilmluftmassenmesser basieren in der Regel auf einem Sensorchip, insbesondere einem Siliziumsensorchip, beispielsweise mit einer Sensormembran, mit einer Messoberfläche oder einem Sensorbereich, welche(r) von dem strömenden fluiden Medium überströmbar ist. Der Sensorchip umfasst in der Regel mindestens ein Heizelement sowie mindestens zwei Temperaturfühler, welche beispielsweise auf der Messoberfläche des Sensorchips angeordnet sind, wobei ein Temperaturfühler stromaufwärts des Heizelements und der andere Temperaturfühler stromabwärts Heizelements gelagert ist. Aus einer Asymmetrie des von den Temperaturfühlern erfassten Temperaturprofils, welches durch die Strömung des fluiden Mediums beeinflusst wird, kann auf einen Massenstrom und/oder Volumenstrom des fluiden Mediums geschlossen werden.
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Heißfilmluftmassenmesser sind üblicherweise als Steckfühler ausgestaltet, welcher fest oder austauschbar in einem Strömungsrohr einbringbar ist. Beispielsweise kann es sich bei diesem Strömungsrohr um einen Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine handeln. Dabei durchströmt ein Teilstrom des Mediums wenigstens einen in dem Heißfilmluftmassenmesser vorgesehenen Hauptkanal. Zwischen dem Einlass und dem Auslass des Hauptkanals ist ein Bypasskanal ausgebildet. Insbesondere ist der Bypasskanal derart ausgebildet, dass er einen gekrümmten Abschnitt zur Umlenkung des durch den Einlass des Hauptkanals eintretenden Teilstroms des Mediums aufweist, wobei der gekrümmte Abschnitt im weiteren Verlauf in einen Abschnitt übergeht, in welchem der Sensorchip an geordnet ist. Der zuletzt genannte Abschnitt stellt den eigentlichen Messkanal dar, in dem der Sensorchip angeordnet ist. Dabei ist in dem Bypasskanal ein Mittel vorgesehen, welches die Strömung leitet und einer Ablösung der Strömung des Medienteilstroms von den Kanalwänden des Messkanals entgegenwirkt. Weiterhin kann der Einlassbereich des Hauptkanals im Bereich seiner Öffnung, welche der Hauptströmungsrichtung entgegenweist, mit schrägen oder gekrümmten Flächen versehen sein, welche so gestaltet sind, dass in den Einlassbereich einströmendes Medium von dem Teil des Hauptkanals, welcher zu dem Sensorchip führt, weggelenkt wird. Dies bewirkt, dass im Medium enthaltene Flüssigkeits- oder Festkörperteilchen aufgrund ihrer Masse nicht zu dem Sensorchip gelangen und diesen verschmutzen können.
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Die
WO 2005/031280 A2 offenbart einen Heißfilmluftmassenmesser mit einem Gehäuse. Ein Schaltungsträger ist in einem Elektronikraum des Gehäuses angeordnet und mit elektrischen Zuleitungen verbunden.
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Trotz der zahlreichen Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung wenigstens eines Parameters eines durch einen Kanal strömenden fluiden Mediums beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial.
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Offenbarung der Erfindung
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Heißfilmluftmassenmesser der oben beschriebenen Art müssen in der Praxis einer Vielzahl von Anforderungen und Randbedingungen genügen. Das Sensorgehäuse ist der Grundträger, der alle anderen Bauteile des Heißfilmluftmassenmessers aufnimmt. Das Sensorgehäuse ist üblicherweise aus einem Kunststoffmaterial hergestellt. Um die Verbindung zwischen einem Stecker in einem Fahrzeug und den Elektronikkomponenten im Inneren des Sensorgehäuses des Heißfilmluftmassenmessers zu erreichen, werden je nach Steckerschnittstelle verschiedene Leiterkämme bzw. Leiterbahnen in das Sensorgehäuse integriert. Diese Integration geschieht durch das Einlegen des Leiterkamms in ein Gießwerkzeug. Durch das Einspritzen der Kunststoffmasse wird der Leiterkamm in bestimmten Bereichen vollständig und in anderen Bereichen der Kontaktierung nicht vollständig in die Kunststoffmasse eingebettet. Der Leiterkamm besteht aus einem Werkstoff mit von dem Kunststoff abweichenden Eigenschaften, wie beispielsweise dem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der Wärmeleitfähigkeit usw., wobei die beiden Werkstoffe keine chemische Verbindung eingehen. Dadurch ist ein minimaler Luftspalt zwischen dem Leiterkamm und dem Kunststoff möglich. Dies bedeutet, dass der Leiterkamm im Steckerbereich und im Inneren des Sensorgehäuses vom Kunststoff nicht luftdicht umgossen ist. Die Elektronik wird üblicherweise über Bonddrähte mit dem Leiterkamm verbunden. Um die Korrosion an den Leiterkammoberflächen, an den Elektronikkomponenten sowie an den Kontaktstellen der Leiterplatten zu vermeiden, wird dieser Bereich auf eine bestimmte Füllhöhe mit einem Schutz- oder Dichtgel gefüllt. Das Gel besitzt eine niedrige Viskosität. Nach Vergelen wird die Gelmasse über einen definierten Temperaturanstieg ausgehärtet. Das Gel bleibt aber selbst elastisch. Der so aufgebaute Steckfühler wird im Fahrzeug üblicherweise luftdicht in dem Ansaugrohr befestigt. Bei der Montage des Steckers mit dem Kabelbaum wird eine gewisse Luftmenge in dem Steckerbereich vom Sensorgehäuse eingeschlossen und durch die Montagebewegung bzw. das Aufstecken des Steckers von dem Kabelbaum komprimiert. Dieser Staudruck kann über die Steckerdichtung nur langsam oder kaum entweichen. Die Umspritzung des Leiterkamms im Sensorgehäuse kann eine Stelle sein, wo sich der gestaute Luftdruck ausgleichen kann. So kann die aufgestaute Luft aus dem Steckerbereich in den Elektronikraum vom Sensorgehäuse gelangen. Diese Luftmenge tritt entsprechend der Umspritzung bzw. dem Leiterkammverlauf an den Stellen der elektronischen Anbindung im Sensorgehäuse aus. Die durch Anschließen des Steckers an dem Steckerbereich angestaute Luft gelangt entlang des Leiterkamms in den Elektronikraum des Heißfilmluftmassenmessers und tritt somit an den Bondstellen aus. Dies führt zu einer Blasenbildung im Gel, wobei die Blasen unter anderem an den Bondverbindungen gebildet werden können. Durch die späteren Temperaturänderungen während des Betriebs werden die Luftblasen mit zunehmender Temperatur größer und mit abnehmender Temperatur kleiner. Dieses Ausdehnen und Zusammenziehen der Luftblasen führt zu Belastungen an den Bonddrähten, beispielsweise in Form von Zugbelastungen und/oder Biegebelastungen und/oder Scherbelastungen. Diese Belastungen können an den Bondverbindungen so stark werden, dass die Luftblasen die Bondverbindungen zerstören, wodurch kein Luftmassensignal mehr an die Motorsteuerung weitergeleitet wird und der Sensor ausfällt. Mit zunehmender Temperatur vermindert sich außerdem die Viskosität des Gels und die Luftblasen werden größer und können sich durch das Laufen des Motors, das Vibrationen erzeugen kann, in Abhängigkeit von der Viskosität des Gels in dem kompletten Gelvolumen bewegen. Auch diese Art der Bewegung der Luftblasen kann zu Belastungen an den Bondverbindungen führen, so dass auch hierbei die Bondverbindungen zerstört werden können.
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Es wir daher eine Sensorvorrichtung zur Bestimmung wenigstens eines Parameters eines durch einen Kanal strömenden fluiden Mediums vorgeschlagen, welche die Nachteile bekannter Verfahren und Strategien zumindest weitgehend vermeiden kann und die die Möglichkeit bietet, eine Entlüftung in Bereichen innerhalb des Elektronikraums vorzusehen, die für die elektrischen Zuleitungen unkritisch oder unschädlich sind.
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Die Sensorvorrichtung zur Bestimmung wenigstens eines Parameters eines durch einen Kanal strömenden fluiden Mediums, insbesondere einer Ansaugluftmasse einer Brennkraftmaschine, weist ein Gehäuse auf. Das Gehäuse weist einen Elektronikraum auf. In dem Elektronikraum ist mindestens ein Schaltungsträger angeordnet. Mindestens eine Wand des Elektronikraums wird von mindestens einer mit dem Schaltungsträger verbundenen elektrischen Zuleitung des Schaltungsträgers durchdrungen. Die Sensorvorrichtung weist zusätzlich zu der elektrischen Zuleitung weiterhin mindestens eine auf. Die Entlüftungsbahn durchdringt ebenfalls die Wand und ist eingerichtet, um eine Belüftung und Entlüftung des Elektronikraums zu ermöglichen.
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Die von der elektrischen Zuleitung durchdrungene Wand kann einen Steckerbereich der Sensorvorrichtung von dem Elektronikraum trennen. Über den Steckerbereich ist eine elektrische Kontaktierung der Sensorvorrichtung mittels mindestens eines Steckers möglich. Mittels der Entlüftungsbahn ist ein Gasaustausch zwischen dem Steckerbereich und dem Elektronikraum durch die von der elektrischen Zuleitung durchdrungene Wand ermöglicht. Beim Verbinden des Steckerbereichs mit dem Stecker ist Luft aus dem Steckerbereich durch die von der elektrischen Zuleitung durchdrungene Wand an der Entlüftungsbahn entlang in den Elektronikraum verdrängbar. Die Entlüftungsbahn kann mindestens eine weitere elektrische Zuleitung umfassen. Die weitere elektrische Zuleitung ist nicht mit dem Schaltungsträger verbunden. Die Entlüftungsbahn kann weniger weit in den Elektronikraum hinein ragen als die mit dem Schaltungsträger verbundene elektrische Zuleitung. Der Elektronikraum kann zumindest teilweise mit einem Dichtgel gefüllt sein.
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Das Dichtgel kann den Schaltungsträger und die elektrische Zuleitung bedecken oder umgeben. Die Entlüftungsbahn kann parallel zu der elektrischen Zuleitung verlaufen. Die Entlüftungsbahn kann von der mit dem Schaltungsträger verbundenen elektrischen Zuleitung durch mindestens eine Barriere, insbesondere mindestens einen Wandabschnitt, in dem Elektronikraum getrennt angeordnet sein. Die Barriere kann sich im Wesentlichen parallel zu der mit dem Schaltungsträger verbundenen elektrischen Zuleitung und und/oder der Entlüftungsbahn in den Elektronikraum hinein erstrecken. Der Elektronikraum kann von einem Deckel verschließbar sein. Der Deckel kann beispielsweise in einem verschlossenen Zustand auf den Wänden des Elektronikraums aufliegen. Die Barriere kann derart ausgebildet sein, dass in einem verschlossenen Zustand ein Spalt zwischen dem Deckel und der Barriere gebildet ist. Die elektrische Zuleitung kann mit dem Schaltungsträger mittels mindestens einer elektrischen Verbindung innerhalb des Elektronikraums verbunden sein. Das Dichtgel kann derart in den Elektronikraum eingebracht sein, dass die Barriere das Dichtgel in dem Elektronikraum überragt und eine Ausbreitung des Dichtgels verhindert. Der Deckel kann mindestens eine Entlüftungsöffnung aufweisen. Luft, die durch die von der elektrischen Zuleitung und der Entlüftungsbahn durchdrungene Wand in den Elektronikraum gelangt, kann zu der Entlüftungsöffnung gelangen, insbesondere durch den Spalt. Beispielsweise kann die Luft weiterhin durch das Dichtgel in dem Elektronikraum und den optionalen Spalt zu der optionalen Entlüftungsöffnung verdrängbar sein. In den Wänden kann eine Nut ausgebildet sein und der Deckel kann einen vorstehenden Rand aufweisen, der derart ausgebildet ist, dass er in einem verschlossenen Zustand in die Nut eingreift. Die Sensorvorrichtung kann einen in ein Strömungsrohr einbringbaren Steckfühler umfassen und der Elektronikraum kann in dem Steckfühler angeordnet sein. Der Kanal kann in dem Gehäuse an den Elektronikraum angrenzen. Das Elektronikmodul kann einen Sensorträger und einen Sensorchip umfassen, wobei der Sensorträger in den Kanal hinein ragt und der Sensorchip derart in den Sensorträger eingelassen ist, dass der Sensorchip von dem fluiden Medium überströmbar ist.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist unter einer elektrischen Zuleitung ein Gegenstand oder System zum Transport elektrischer Ladung zu verstehen. Die elektrische Zuleitung ist Teil eines elektrischen Stromkreises oder Stromnetzes. Ist dieser Stromkreis geschlossen und hat er eine Stromquelle, dann fließt durch die Zuleitung, und durch alle anderen Komponenten, ein elektrischer Strom. Hierfür muss das Material elektrisch leitfähig sein, wie dies bei Metallen, die als Leiterwerkstoff für elektrische Zuleitungen verwendet werden, der Fall ist. Elektrische Zuleitungen können aus elektrischen Leitern, in der Regel in Form von Drähten oder Litzen oder Leiterbahnen aus Kupfer oder Aluminium bestehen. Elektrische Zuleitungen können außer der Übertragung elektrischer Energie auch der Signalübertragung dienen.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist unter einem Dichtgel jede Art von Gel zu verstehen, das nach einem etwaigen Aushärtungsvorgang seine elastischen Eigenschaften behält, wie beispielsweise Silikongel. Unter einem Gel ist ein feindisperses System aus mindestens einer festen und einer flüssigen oder gasförmigen Phase zu verstehen. Die feste Phase bildet dabei ein schwammartiges, dreidimensionales Netzwerk, dessen Poren durch die Flüssigkeit oder auch ein Gas ausgefüllt sind.
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Unter der Hauptströmungsrichtung ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung die lokale Strömungsrichtung des fluiden Mediums am Ort des Sensors bzw. der Sensoranordnung zu verstehen, wobei beispielsweise lokale Unregelmäßigkeiten wie z. B. Turbulenzen unberücksichtigt belieben können. Insbesondere kann unter der Hauptströmungsrichtung somit die lokale gemittelte Transportrichtung des strömenden fluiden Mediums am Ort der Sensoranordnung verstanden werden. Dabei bezieht sich die gemittelte Transportrichtung auf eine Transportrichtung, in der das fluide Medium im zeitlichen Mittel überwiegend strömt.
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Unter „im Wesentlichen“ ist Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Abweichung von maximal 15°, bevorzugt maximal 10° und noch bevorzugter maximal 5°, von der angegebenen Bezugsrichtung zu verstehen.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann der Sensorträger ganz oder teilweise als Schaltungsträger, insbesondere als Leiterplatte, ausgestaltet sein oder Teil des Schaltungsträgers sein. Beispielsweise kann die Leiterplatte einen Fortsatz aufweisen, welcher den Sensorträger bildet und welcher in den Kanal, beispielsweise den Messkanal eines Heißfilmluftmassenmessers, hineinragt. Der übrige Teil der Leiterplatte kann beispielsweise in einem Elektronikraum, in einem Gehäuse der Sensorvorrichtung oder eines Steckfühlers der Sensorvorrichtung untergebracht sein.
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Unter einer Leiterplatte ist dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein im Wesentlichen plattenförmiges Element zu verstehen, welches auch als Träger elektronischer Strukturen, wie beispielsweise Leiterbahnen, Anschlusskontakte oder Ähnlichem, genutzt werden kann und vorzugsweise auch eine oder mehrere derartiger Strukturen aufweist. Grundsätzlich kommen dabei auch zumindest leichte Abweichungen von der Plattenform in Betracht und sollen begrifflich mit erfasst sein. Die Leiterplatte kann beispielsweise aus einem Kunststoffmaterial und/oder einem Keramikmaterial hergestellt sein, beispielsweise einem Epoxidharz, insbesondere einem faserverstärkten Epoxidharz. Insbesondere kann die Leiterplatte beispielsweise als Leiterplatte mit Leiterbahnen, insbesondere aufgedruckten Leiterbahnen (printed circuit board, PCB), ausgestaltet sein.
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Auf diese Weise lässt sich das Elektronikmodul der Sensorvorrichtung stark vereinfachen und es lässt sich beispielsweise auf ein Bodenblech oder einen separaten Sensorträger verzichten. Bodenblech und Sensorträger können durch eine einzige Leiterplatte ersetzt werden, auf welcher beispielsweise auch eine Ansteuer- und Auswerteschaltung der Sensorvorrichtung ganz oder teilweise angeordnet sein kann. Diese Ansteuer- und Auswerteschaltung der Sensorvorrichtung dient der Ansteuerung des mindestens einen Sensorchips und/oder der Auswertung der von diesem Sensorchip generierten Signale. Auf diese Weise lässt sich, durch Zusammenfassung der genannten Elemente, der Herstellaufwand der Sensorvorrichtung erheblich vermindern und der Bauraumbedarf für das Elektronikmodul wird stark verringert.
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Die Sensorvorrichtung kann insbesondere mindestens ein Sensorgehäuse aufweisen, wobei der Kanal in dem Sensorgehäuse ausgebildet ist. Beispielsweise kann der Kanal einen Hauptkanal und einen Bypasskanal bzw. Messkanal umfassen, wobei der Sensorträger und der Sensorchip in dem Bypass- bzw. Messkanal angeordnet sein können. Weiterhin kann das Sensorgehäuse einen von dem Bypasskanal getrennten Elektronikraum aufweisen, wobei das Elektronikmodul oder die Leiterplatte im Wesentlichen in dem Elektronikraum aufgenommen ist. Der Sensorträger kann dann als ein in den Kanal hineinragender Fortsatz der Leiterplatte ausgebildet sein. Diese Anordnung ist technisch vergleichsweise einfach zu realisieren, im Gegensatz zu den aufwändigen Elektronikmodulen, welche aus dem Stand der Technik bekannt sind.
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Insbesondere in dem Fall, in welchem eine Leiterplatte als Sensorträger verwendet wird, jedoch auch in anderen Fällen und/oder unter Verwendung anderer Medien als Sensorträger, kann der Sensorträger zumindest teilweise als mehrschichtiger Sensorträger ausgestaltet sein. So kann der Sensorträger in einer so genannten Multilager-Technik ausgestaltet sein und zwei oder mehrere miteinander verbundene Trägerschichten aufweisen. Beispielsweise können diese Trägerschichten wiederum aus einem Metall, einem Kunststoff oder einem Keramikmaterial oder einem Verbundmaterial hergestellt sein und durch Verbindungstechniken, wie beispielsweise Kleben, miteinander verbunden sein.
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In dem Fall, in welchem eine Multilager-Technik mit mehreren Sensorschichten des Sensorträgers verwendet wird, kann die Anströmkante durch unterschiedliche Dimensionierung der Trägerschichten entgegen der Hauptströmungsrichtung des fluiden Mediums zumindest teilweise gestuft ausgeführt sein. Auf diese Weise lassen sich die Profile zumindest gestuft angenähert realisieren. Beispielsweise lassen sich auf diese Weise rechteckig geformte oder ‒ angenähert durch eine Stufenform ‒ zumindest näherungsweise runde, abgerundete oder keilförmig geformte Profile in einer Schnittebene senkrecht zur Erstreckungsebene des Sensorträgers ausbilden. Der Sensorchip kann auf bzw. in dem Sensorträger derart angeordnet sein, dass dieser senkrecht zur lokalen Hauptströmungsrichtung ausgerichtet ist. Beispielsweise kann der Sensorchip rechteckig ausgestaltet sein, wobei eine Seite dieses Rechtecks senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht, beispielsweise mit einer Ausrichtung, welche um nicht mehr als 10 ° von der Senkrechten abweicht, zur lokalen Hauptströmungsrichtung angeordnet ist.
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Der Sensorchip kann über mindestens eine elektrische Verbindung elektrisch kontaktiert werden. Beispielsweise kann der Sensorträger, insbesondere eine den Sensorträger bildende Leiterplatte oder ein Fortsatz dieser Leiterplatte, eine oder mehrere Leiterbahnen und/oder Kontaktpads aufweisen, welche mit entsprechenden Kontakten auf dem Sensorchip beispielsweise durch ein Bondingverfahren verbunden sind. In diesem Fall kann die elektrische Verbindung durch mindestens eine Abdeckung geschützt und von dem fluiden Medium getrennt werden. Diese Abdeckung kann insbesondere als so genannter Glob-Top ausgestaltet sein, beispielsweise als Kunststofftropfen und/oder Klebstofftropfen, welcher die elektrische Verbindung, beispielsweise die Bonddrähte, abdeckt. Auf diese Weise lassen sich insbesondere auch Beeinflussungen der Strömung durch die elektrische Verbindung vermindern, da der Glob-Top eine glatte Oberfläche aufweist. Ferner kann der Sensorchip mindestens einen Sensorbereich aufweisen. Dieser Sensorbereich kann beispielsweise eine Sensoroberfläche aus beispielsweise einem porösen, keramischen Material und/oder insbesondere eine Sensormembran sein. Die Sensormembran als Messoberfläche oder Sensorbereich kann von dem strömenden fluiden Medium überströmbar sein. Der Sensorchip umfasst beispielsweise mindestens ein Heizelement sowie mindestens zwei Temperaturfühler, welche beispielsweise auf der Messoberfläche des Sensorchips angeordnet sind, wobei ein Temperaturfühler stromaufwärts des Heizelements und der andere Temperaturfühler stromabwärts des Heizelements gelagert ist. Aus einer Asymmetrie des von den Temperaturfühlern erfassten Temperaturprofils, welches durch die Strömung des fluiden Mediums beeinflusst wird, kann auf einen Massenstrom und/oder Volumenstrom des fluiden Mediums geschlossen werden.
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Ferner kann die Sensoranordnung einen in den Kanal ragenden Temperaturfühler aufweisen. Beispielsweise kann der Temperaturfühler als elektrischer Widerstand, wie beispielsweise als NTC (negative temperature coefficient) ausgebildet sein, also als elektrischer Widerstand mit einem negativen Temperaturkoeffizienten, der zur Messung der Temperatur der Ansaugluft verwendet wird. Der Temperaturfühler kann beispielsweise Teil einer Regelschaltung sein, die gewährleistet, dass sich Änderungen der Temperatur der Ansaugluft nicht auf die Messgenauigkeit der Sensoranordnung auswirken.
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Da die Luft immer den Weg des geringsten Widerstandes sucht, wird eine Entlüftungsbahn vorgesehen, die eine zusätzliche Zuleitung beispielsweise in Form einer Leiterbahn bzw. Pins sein kann, und vor allem der Bereich um die zusätzliche Leiterbahn so ausgeführt, dass die Luft an dem zusätzlichen Pin entlang gezielt in den Elektronikraum dringt. Beispielsweise kann der zusätzliche Pin weniger im Kunststoff eingebettet sein und hat einen deutlich kürzeren Weg in den Elektronikraum. Mit der Einführung einer zusätzlichen Leiterbahn wird eine gezielte Entlüftung in den Elektronikraum bewirkt. Die dabei entstehende Luftblase wird durch eine zusätzliche Wand von den Bonddrähten ferngehalten. Durch den zusätzlichen Pin in diesem Bereich entstehen kaum Mehrkosten, da dieser Bereich oft, bedingt durch die Geometrien der elektrischen Zuleitungen des Schaltungsträgers, Abfallmaterial ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
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Es zeigen:
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1 eine perspektivische Darstellung einer Sensorvorrichtung in einer Explosionsansicht,
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2 eine vergrößerte Darstellung eines Bereichs zwischen den elektrischen Zuleitungen und dem Schaltungsträger,
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3 eine perspektivische Ansicht von elektrischen Zuleitungen und einer Entlüftungsbahn,
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4 eine perspektivische Ansicht eines Teils des Elektronikraums,
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5 eine weitere perspektivische Ansicht eines Teils des Elektronikraums, und
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6 eine vergrößerte Darstellung eines Teils des Elektronikraums.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine Sensorvorrichtung 10 zur Bestimmung eines Parameters eines durch einen Kanal strömenden fluiden Mediums. Die Sensorvorrichtung 10 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Heißfilmluftmassenmesser ausgestaltet und kann insbesondere eine Ansaugluftmasse einer Brennkraftmaschine erfassen. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Sensorvorrichtung 10 ein Steckerteil 12, welches beispielsweise in ein Strömungsrohr, insbesondere einen Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine, eingesteckt werden kann. In dem Steckerteil 12 ist eine Kanalstruktur 14 aufgenommen, durch die über eine Einlassöffnung bzw. einen Einlass 16, die bzw. der im eingesetzten Zustand einer Hauptströmungsrichtung des fluiden Mediums entgegenweist, eine repräsentative Menge des fluiden Mediums strömen kann. Die Kanalstruktur 14 weist einen Hauptkanal 18 auf, welcher in einen Hauptkanalauslass auf einer Unterseite des Steckerteils 12 bezogen auf die Darstellung der 1 mündet, sowie einen von dem Hauptkanal 18 abzweigenden Bypass- bzw. Messkanal 20, welcher in einen auf der Stirnseite 22 bezogen auf die Darstellung der 1 des Steckerteils 12 angeordneten Auslass 24 des Bypass- oder Messkanals 20 mündet. In den Messkanal 20 ragt ein Sensorträger 26 in Form eines Flügels. In diesen Sensorträger 26 ist ein Sensorchip 28 derart eingelassen, dass eine als Sensorbereich des Sensorchips 28 ausgebildete Sensormembran von dem fluiden Medium überströmt wird.
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Der Sensorträger 26 ist Bestandteil eines Elektronikmoduls 30. Das Elektronikmodul 30 weist ein gebogenes Bodenblech 32 als Sensorträger sowie einen darauf angebrachten, beispielsweise aufgeklebten Schaltungsträger 34, wie beispielsweise eine Leiterplatte, mit einer Ansteuer- und Auswerteschaltung 36 auf. Der Sensorträger 26 kann beispielsweise als Kunststoffteil an das Bodenblech 32 angespritzt sein. Der Sensorträger 26, welcher beispielsweise als Spritzgießbauteil an das Bodenblech 32 angespritzt ist oder mit dem Bodenblech 32 oder dem Schaltungsträger 34 integral ausgebildet sein kann, ist mit einer Anströmkante versehen, welche abgerundet ausgestaltet sein kann.
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Der Sensorchip 28 ist mit der Ansteuer- und Auswerteschaltung 36 über elektrische Verbindungen, beispielsweise Drahtbonding, elektrisch verbunden. Das derart entstandene Elektronikmodul 30 wird in einen Elektronikraum 38 eines Sensorgehäuses 40 des Steckerteils 12, in welchem auch die Kanalstruktur 14 ausgebildet ist, eingebracht, wie beispielsweise eingeklebt. Dies kann derart erfolgen, dass der Sensorträger 26 in die Kanalstruktur 14 hineinragt. Entsprechend grenzt die Kanalstruktur 14 an den Elektronikraum 38. Anschließend werden der Elektronikraum 38 und die Kanalstruktur 14 durch einen Elektronikraumdeckel 42 und einen weiteren Deckel 44 für die Kanalstruktur 14 verschlossen.
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Die Sensorvorrichtung 10 weist ferner einen Steckerbereich 46 auf, der an der der Kanalstruktur 14 gegenüberliegenden Seite des Elektronikraums 38 an den Elektronikraum 38 angrenzt. Der Steckerbereich 46 ist zum Verbinden mit einem nicht gezeigten Stecker von beispielsweise einem Steuergerät ausgebildet. In dem Steckerbereich 46 sind elektrische Zuleitungen 48 angeordnet, die von dem Stecker kontaktiert werden können und sich in den Elektronikraum 38 hinein erstrecken. Insbesondere ist der Steckerbereich 46 von dem Elektronikraum 38 durch eine Wand 50 getrennt, die von den elektrischen Zuleitungen 48 durchdrungen wird und in die eine Nut 52 eingearbeitet ist. In diese Nut 52 kann ein an dem Elektronikraumdeckel 42 ausgebildeter vorstehender Rand 54 zum Verschließen des Elektronikraums 38 eingreifen.
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Die elektrischen Zuleitungen 48 sind mit der Ansteuer- und Auswerteschaltung 36 über elektrische Verbindungen 56, wie beispielsweise Drahtbonding, verbunden, wie in 2 gezeigt ist. Wenn der Stecker in den Steckerbereich 46 eingesteckt wird, befindet sich in dem Steckerbereich 46 immer eine bestimmte Menge an Umgebungsluft. Diese Luftmenge wird beim Verbinden des Steckers mit dem Steckerbereich 46 insbesondere komprimiert, so dass der Druck der Luft im Vergleich zu einem Umgebungsbereich des Steckerteils 12 ansteigt. Dieser Überdruck kann über eine zwischen dem Stecker und dem Steckerbereich 46 vorgesehene Steckerdichtung nur langsam oder kaum entweichen. Da die elektrische Zuleitungen 48 von der Wand 50 nicht gasdicht umgeben oder bedeckt werden, entweicht oder entlüftet die in dem Steckerbereich 46 angesammelte Luft entlang der elektrischen Zuleitungen 48 in den Elektronikraum 38 bzw. wird in den Elektronikraum 38 verdrängt. Üblicherweise befindet sich in dem Elektronikraum 38 ein Gel 68. Durch dieses Gel 68 kann die Luft in Form von Luftblasen 58 entweichen. Dieses Entweichen kann beispielsweise an den elektrischen Verbindungen 56, wie beispielsweise dem Drahtbonding, geschehen, wie in 2 zu erkennen ist. Wie oben beschrieben können die Luftblasen zu Beschädigungen der elektrischen Verbindungen 56 führen. Entsprechend kann es zu einem Abbruch der Übertragung der elektrischen Signale der Ansteuer- und Auswerteschaltung 36 in dem Elektronikraum 38 zu dem Steckerbereich 46 und zu dem damit verbundenen Steuergerät und umgekehrt kommen. Im schlimmsten Fall kommt es daher zu einem Ausfall des Heißfilmluftmassenmessers.
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3 zeigt nun eine mögliche Ausgestaltung der Sensorvorrichtung 10 zum Vermeiden dieses Problems. Insbesondere zeigt 3 die elektrischen Zuleitungen 48, die als Leiterbahnen ausgebildet sein können. Bei der in 3 dargestellten Sensorvorrichtung 10 befindet sich neben den elektrischen Zuleitungen 48 eine Entlüftungsbahn 60, die eine weitere Zuleitung 62 umfasst. Die Entlüftungsbahn 60 verläuft im Wesentlichen parallel zu den in den Elektronikraum 38 hinein ragenden Zuleitungen 48. Ferner zeigt 3 einen möglichen Teil der Elektronik des Schaltungsträgers 34, wobei die elektrischen Verbindungen 56 nicht dargestellt sind.
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4 zeigt die Anordnung der elektrischen Zuleitungen 48 und der Entlüftungsbahn 60. Insbesondere zeigt 4, dass die Entlüftungsbahn 60 weniger weit in den Elektronikraum 38 hinein ragt als die elektrischen Zuleitungen 48. Die Entlüftungsbahn 60 wird nicht mit dem Schaltungsträger 34 verbunden.
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5 zeigt die elektrischen Zuleitungen 48 und ihre Verbindung mit dem Schaltungsträger 34 mittels der elektrischen Verbindungen 56. Ferner zeigt 5, dass die Entlüftungsbahn 60 die Wand 50 ebenfalls durchdringt und weniger weit in den Elektronikraum 38 hinein ragt als die elektrischen Zuleitungen 48. Die Entlüftungsbahn 60 ist eingerichtet, um eine Belüftung und Entlüftung des Elektronikraums 38 zu ermöglichen, wie nachstehend ausführlicher erläutert wird. Die Entlüftungsbahn 60 kann beispielsweise im Vergleich zu den elektrischen Zuleitungen 48 etwas dünner ausgeführt sein und/oder nicht im gleichen Ausmaß dicht von der Wand 50 bedeckt sein. Die Entlüftungsbahn 60 ist nicht mit dem Schaltungsträger 34 verbunden. Zwischen den elektrischen Zuleitungen 48 und der Entlüftungsbahn 60 kann optional eine Barriere 64 beispielsweise in Form eines Wandabschnitts 66 angeordnet sein. Die Barriere 64 kann sich beispielsweise im Wesentlichen parallel zu den elektrischen Zuleitungen 48 und/oder der Entlüftungsbahn 60 erstrecken und im Wesentlichen senkrecht zu der Wand 50 angeordnet sein. Die Entlüftungsbahn 60 ist durch die Barriere 64 getrennt von den elektrischen Zuleitungen 48 in dem Elektronikraum 38 angeordnet. Der Elektronikraum 38 kann zumindest teilweise mit einem Dichtgel 68 gefüllt sein. Beispielsweise kann das Dichtgel 68 zumindest den Schaltungsträger 34, die elektrischen Verbindungen 56 und die elektrischen Zuleitungen 48 bedecken. Das Dichtgel 68 schützt die elektronischen Bauteile vor Schmutz, Verunreinigungen und Korrosion. Insbesondere überragt die Barriere 64 das Dichtgel 68 und verhindert dessen Ausbreitung.
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Wie in 6 gezeigt ist, kann die Barriere 64 beispielsweise so ausgebildet werden, dass in einem verschlossenen Zustand ein Spalt zwischen dem Elektronikraumdeckel 42 und der Barriere 64 gebildet ist. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass die Barriere 64 bzw. der Wandabschnitt 66 niedriger als die Wand 50 ist. Der Elektronikraumdeckel 42 kann beispielsweise eine Entlüftungsöffnung aufweisen, zu der Luft aus dem Elektronikraum 38 gelangen kann, insbesondere durch den Spalt zwischen der Barriere 64 und dem Elektronikraumdeckel 42. Der Elektronikraumdeckel 42 kann in einem verschlossenen Zustand auf der Wand 50 aufliegen und den Elektronikraum 38 hermetisch abschließen. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass der vorstehende Rand 54 des Elektronikraumdeckels 42 in der Nut 52 verklebt wird. Durch die Entlüftungsöffnung in dem Elektronikraumdeckel 42 ist der Elektronikraum 38 in einen Umgebungsbereich des Steckerteils 12 entlüftbar.
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Nun wird die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 10 beschrieben. Wird nun ein Stecker in den Steckerbereich 46 hineingesteckt, so wird die darin enthaltene restliche Luft entlang der elektrischen Anschlussleitungen 48 aus dem Steckerbereich 46 in Richtung zu dem Elektronikraum 38 verdrängt. Die auf diese Weise aus dem Steckerbereich 46 in Richtung zu dem Elektronikraum 38 gedrückte Luft kann nun durch entlang der Entlüftungsbahn 60 die Wand 50 in den Elektronikraum 38 gelangen. Insbesondere kann die Luft die Wand 50 nicht entlang der elektrischen Zuleitungen 48 in den Elektronikraum 38 passieren. Daher werden keine Luftblasen 58 in dem Dichtgel 68 in einem Bereich der elektrischen Verbindungen 56 gebildet. Somit besteht keine Gefahr, dass die elektrischen Verbindungen 56 beschädigt werden. Stattdessen kann die Luft nur in den durch die Barriere 64 abgetrennten Bereich, in dem die Entlüftungsbahn 60 in den Elektronikraum 38 hinein ragt, gelangen. Von dort kann die Luft dann beispielsweise durch den Spalt zwischen der Barriere 64 und dem Elektronikraumdeckel 42 zu der Entlüftungsöffnung in dem Elektronikraumdeckel 42 gelangen. Aus dem Elektronikraum 38 insbesondere oberhalb der von dem Dichtgel 68 bedeckten elektrischen Zuleitungen 48, der elektrischen Verbindungen 56 und der Ansteuer- und Auswerteschaltung 36 kann die Luft durch die Entlüftungsöffnung in dem Elektronikraumdeckel 42 in einen Umgebungsbereich verdrängt werden, wie beispielsweise in das Strömungsrohr. Durch die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung gelangt keine Luft aus dem Steckerbereich 46 entlang der elektrischen Anschlussleitungen 48 durch die Wand 50 in den Elektronikraum 38 und in das dort angeordnete Dichtgel 68, sondern wird ausschließlich entlang der Entlüftungsbahn 60 verdrängt, da die Luft den Weg des geringsten Widerstands sucht. Diese besondere Art der Belüftung und Entlüftung kann beispielsweise dadurch verstärkt werden, wenn die Entlüftungsbahn 60 innerhalb des Elektronikraums 38 nicht mit Dichtgel 68 bedeckt ist, so dass die Luft noch leichter aus dem Steckerbereich 46 entlang der Entlüftungsbahn 60 entlüftet werden kann, ohne ein Dichtgel passieren zu müssen.
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Die elektrischen Zuleitungen 48 können zumindest in dem Steckerbereich 46 eine geeignete Oberflächenbeschichtung gegen Korrosion aufweisen. Falls die elektrischen Zuleitungen 48 in dem Steckerbereich 46 eine bestimmte Schutzbeschichtung haben, kann diese Beschichtung auch auf die Abschnitte der elektrischen Zuleitungen 48 in dem elektronikraum 38 erweitert werden. Falls die Oberflächenbeschichtung hohe Kosten verursachen sollte, dann wird der Elektronikraum 38 vollständig vergelt. Dabei wird die Luftblasenbildung in dem Bereich der Entlüftungsbahn 60 in Kauf genommen. Da die Entlüftungsbahn 60 aber von den elektrischen Zuleitungen 48 getrennt ist, sind diese Blasen für die elektronischen Bauteile in dem Elektronikraum 38, wie beispielsweise die elektrischen Verbindungen 56 und die Ansteuer- und Auswerteschaltung 36 nicht kritisch. Dadurch werden die Beschädigungen an den Kontaktdrähten bzw. Bonddrähten vermieden und die Lebensdauer der elektronischen Verbindung verlängert.
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Es wird explizit betont, dass alle in der Beschreibung und/oder in den Ansprüchen offenbarten Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung unabhängig von den Merkmalskombinationen in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen angesehen werden sollen. Es wird explizit festgehalten, dass alle Bereichsangaben oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Untergruppe von Einheiten zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung offenbaren, insbesondere auch als Grenze einer Bereichsangabe.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, Seiten 146–148 [0002]
