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Die Erfindung betrifft einen Luftmassenmesser mit einem in mikroelektromechanischer Bauweise ausgebildetem Sensorelement.
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Luftmassenmesser werden beispielsweise in Kraftfahrzeugen zur Ermittlung der von einer Brennkraftmaschine angesaugten Luftmasse verwendet. Auf der Basis einer möglichst zuverlässigen Information über eine angesaugte Luftmasse kann eine Verbrennung durch eine elektronische Steuerung der Brennkraftmaschine dahingehend optimiert werden, dass eine genau 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 A1 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-Luftmassenmesser ausgebildet. Der Luftmassenmesser umfasst ein in einem Messkanal angeordnetes Sensorelement, eine in einem Gehäuse angeordnete Elektronik zur Auswertung und/oder Erfassung der Messwerte des Sensorelementes, 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 kompakte, als Einsteckelement ausgebildete, Vorrichtung gebildet wird.
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Ein gemäß der Lehre der
WO 03/089884 A1 ausgebildeter Luftmassenmesser, der als Heißfilmanemometer ausgebildet ist, hat sich prinzipiell bewährt.
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Bei der Entwicklung moderner Luftmassenmesser, die auf der Grundlage von Sensorelementen arbeiten, die als mikroelek- tromechanische Systeme (MEMS) ausgebildet sind, hat sich herausgestellt, dass die Messergebnisse der Sensorelemente besonders von Verschmutzungen nachteilig beeinflusst werden. Durch Verschmutzungen, die zum Beispiel von Öltröpfchen im Luftmassenstrom hervorgerufen werden, entsteht im Sensorelement über die Zeit eine Signaldrift, die zu falschen Messwerten für den Luftmassenstrom führen kann. Als mikroelektromechanische Systeme ausgebildete Sensorelemente besitzen jedoch eine Vielzahl von Vorteilen, auf die nicht verzichtet werden soll, und daher ist es eine Aufgabe der Erfindung, die Verfälschung der Messergebnisse durch die Verschmutzung des Sensorelementes zu beseitigen oder zumindest in engen Grenzen zu halten.
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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 wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die erste Breite des ersten Temperatursensorelements größer ist als die zweite Breite des zweiten Temperatursensorelementes. Diese hat den Vorteil, dass sich Verschmutzungen kaum im Randbereich des weniger Breiten zweiten Temperatursensorelements ablagern.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist die zweite Länge des zweiten Temperatursensorelementes größer als die erste Länge des ersten Temperatursensorelementes. Diese Weiterbildung ermöglicht die Anpassung der Flächen der Temperatursensorelemente aneinander, wodurch die Signalqualität des Luftmassenmessers entscheidend verbessert werden kann.
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Hierzu ist es vorteilhaft, wenn die erste Breite des ersten Temperatursensorelementes mindestens 10 % größer ist als die zweite Breite des zweiten Temperatursensorelementes und die zweite Länge des zweiten Temperatursensorelementes mindestens 10 % größer ist als die erste Länge des ersten Temperatursensorelementes.
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In Rahmen einer Ausgestaltung der Erfindung ist erste Breite des ersten Temperatursensorelementes mindestens 30 % größer als die zweite Breite des zweiten Temperatursensorelementes und die zweite Länge des zweiten Temperatursensorelementes ist mindestens 30 % größer als die erste Länge des ersten Temperatursensorelementes.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung ist die erste Breite des ersten Temperatursensorelementes mindestens 50 % größer ist als die zweite Breite des zweiten Temperatursensorelementes und die zweite Länge des zweiten Temperatursensorelementes ist mindestens 50 % größer als die erste Länge des ersten Temperatursensorelementes.
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Bei einer Weiterbildung ist das Produkt aus der ersten Breite und der ersten Länge des ersten Temperatursensorelementes gleich dem Produkt aus der zweiten Breite und der zweiten Länge des zweiten Temperatursensorelementes. Hierdurch kann eine möglichst gleichmäßige Signalstärke des ersten Temperatursensorelementes und des zweiten Temperatursensorelementes erreicht werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend unter Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit Bezugnahme auf die Figuren in den Zeichnungen angegeben. Über die verschiedenen Figuren hinweg werden nachfolgend gleiche Begriffe und Bezugszeichen für gleiche Bauelemente verwendet. Dabei zeigt:
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1 einen Luftmassenmesser,
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2 ein als mikroelektromechanisches System (MEMS) ausgebildetes Sensorelement,
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3 ein als mikroelektromechanisches System (MEMS) ausgebildetes Sensorelement, das in einem Hilfsrohr des Luftmassenmessers angeordnet ist,
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4 eine Situation, bei der der Luftmassenstrom durch die Einlassöffnung in das Hilfsrohr des Luftmassenmessers einströmt,
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5 das als mikroelektromechanisches System (MEMS) ausgebildete Sensorelement in einem Luftmassenmesser, der als Einsteckfinger in einem Ansaugrohr integriert ist,
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6 das Sensorelement mit dem ersten Temperatursensorelement und dem zweiten Temperatursensorelement,
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7 das Sensorelement eines Luftmassenmessers mit Thermopiles,
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8 das aus den vorhergehenden Figuren bekannte Sensorelement,
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9 eine unsymmetrische Ausbildung des ersten Temperatursensorelementes und des zweiten Temperatursensorelementes.
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1 zeigt einen Massenstromsensor der hier als Luftmassenmesser 2 ausgebildet ist. Der Luftmassenmesser 2 ist in diesem Beispiel als Einsteckfinger gezeigt, der in ein Ansaugrohr 1 eingesteckt wird und mit dem Ansaugrohr 1 fest verbunden ist. Das Ansaugrohr 1 führt einen Massenstrom, der hier ein Luftmassenstrom 10 ist, hin zu den Zylindern einer Brennkraftmaschine. Zur effizienten Verbrennung des Treibstoffes in den Zylindern einer Brennkraftmaschine ist es notwendig, eine genaue Information über die zur Verfügung stehende Luftmasse zu erhalten. Anhand der zur Verfügung stehenden Luftmasse kann auf den verfügbaren Sauerstoff geschlossen werden, der zur Verbrennung des in die Zylinder eingespritzten Kraftstoffes notwendig ist. Darüber hinaus zeigt der Luftmassenmesser 2 in 1 ein erstes Temperatursensorelement 7 und ein zweites Temperatursensorelement 8. Das erste Temperatursensorelement 7 und das zweite Temperatursensorelement 8 sind an unterschiedlichen Orten angeordnet. Die Temperatursensorelemente 7, 8 werden in der Regel aus Widerständen oder Thermopiles gebildet, die entsprechend der am jeweiligen Temperatursensorelement herrschenden Temperatur unterschiedliche Widerstandswerte annehmen. Zwischen dem ersten Temperatursensorelement 7 und dem zweiten Temperatursensorelement 8 ist ein Heizelement 12 ausgebildet. Der Teil des Luftmassenstromes 10, der durch die Einlassöffnung 4 in das Gehäuse 3 des Luftmassenmessers 2 eintritt, überströmt zunächst das erste Temperatursensorelement 7 und dann das Heizelement 12, wonach der Luftmassenstrom 10 das zweite Temperatursensorelement 8 erreicht und entlang des Hilfsrohres 5 zur Auslassöffnung 6 des Luftmassenmessers 2 geleitet wird. Der Luftmassenstrom 10 erreicht das erste Temperatursensorelement 7 mit einer bestimmten Temperatur. Diese Temperatur wird vom ersten Temperatursensorelement 7 als Absoluttemperatur erfasst. Danach überstreicht der Luftmassenstrom 10 das Heizelement 12, wobei der Luftmassenstrom 10 je nach vorbeiströmender Masse mehr oder weniger aufgeheizt wird. Wenn der aufgeheizte Luftmassenstrom 10 das zweite Temperatursensorelement 8 erreicht, wird die nun vorliegende Temperatur des Luftmassenstroms 10 mit dem zweiten Temperatursensorelement 8 als Absoluttemperatur bestimmt. Aus der Differenz der vom ersten Temperatursensorelement 7 gemessenen Absoluttemperatur und der vom zweiten Temperatursensorelement 8 gemessenen Absoluttemperatur kann die vorbeigeströmte Luftmasse bestimmt werden. Dazu kann der Luftmassenmesser 2 selber eine Auswerteelektronik 13 enthalten, die die Messsignale des ersten Temperatursensorelementes 7 und des zweiten Temperatursensorelementes 8 auswertet. Die so gewonnene Information über den Luftmassenstrom 10 wird an eine hier nicht dargestellte Motorsteuerung weitergeleitet.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die Erfindung beispielhaft anhand eines Luftmassenmessers beschrieben wird, was jedoch keine Einschränkung der Erfindung auf die Messung von Luftmassenströmen bedeutet. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können auch andere Massenströme vorteilhaft erfasst und vermessen werden. Es ist zum Beispiel denkbar mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung den Massenstrom von Kohlenwasserstoffverbindung in einer Spülleitung eines Kohlenwasserstofftanks zu messen.
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2 zeigt ein Sensorelement 15 für einen Luftmassenmesser 1. Das Sensorelement 15 ist in als mikroelektromechanisches System (MEMS) auf einem einzigen Silizium-Chip ausgebildet. Das Sensorelement 15 arbeitet nach dem Differenztemperaturverfahren, womit die Masse der vorbeiströmenden Luftmenge 10 bestimmt wird. Hierzu sind auf einer dünnen Membran 17 ein erstes Temperatursensorelement 7 und ein zweites Temperatursensorelement 8 ausgebildet. Das erste und das zweite Temperatursensorelement 7, 8 befinden sich an unterschiedlichen Orten auf der Oberfläche 16 der Membran 17. Zwischen dem ersten Temperatursensorelement 7 und dem zweiten Temperatursensorelement 8 ist ein Heizelement 12 angeordnet. Auf dem als mikroelektromechanisches System aufgebauten Sensorelement 15 ist zudem eine Auswerteelektronik 13 integriert, die die Messsignale der Temperatursensorelemente 7, 8 sofort auswerten und in ein Signal, das proportional zum Luftmassenstrom 10 ist, umwandeln kann. Die Auswerteelektronik 13 kann jedoch ebenso gut in einem nachgeschalteten elektronischen Gerät integriert sein. Die Informationen über den Luftmassenstrom 10 werden dann über Anschlusspads 19 und Anschlussdrähte 18 an eine hier nicht dargestellte nachfolgende elektronische Motorsteuerung weitergeleitet.
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In 3 wird ein als mikroelektromechanisches System (MEMS) ausgebildetes Sensorelement 15 für einen Luftmassenmesser 2 gezeigt, das auf einem einzigen Substrat ausgebildet ist, wobei das Substrat in einem Hilfsrohr 5 des Luftmassenmessers 2 angeordnet ist. In 3 strömt durch die Einlassöffnung 4 kein Luftmassenstrom 10, was zum Beispiel bei ausgestellter Brennkraftmaschine der Fall sein wird. Dieser Zustand wird auch als Nullmassenstrom bezeichnet. Wenn das Heizelement 12 auf dem Sensorelement 15 mit elektrischer Energie versorgt wird, entsteht um das Heizelement 12 die hier dargestellte symmetrische Temperaturverteilung 20. Damit misst das erste Temperatursensorelement 7 und das zweite Temperatursensorelement 8 die gleiche Absoluttemperatur und nach der Differenzbildung der Temperaturmesssignale der Temperatursensorelemente 7, 8 wird von der Auswerteelektronik 13 erkannt, dass kein Luftmassenstrom 10 im Hilfsrohr 5 des Luftmassenmessers 2 vorliegt. Diese ideale Gleichheit der Temperaturmesssignale bei einem Nullmassenstrom kann jedoch zum Beispiel durch Verunreinigungen auf dem Sensorelement 15 gestört werden.
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4 zeigt eine Situation, bei der ein Luftmassenstrom 10 durch die Einlassöffnung 4 in das Hilfsrohr 5 des Luftmassenmessers 2 einströmt. Die Temperaturverteilung 20 um das Heizelement 12 wird nun deutlich sichtbar in Richtung des zweiten Temperatursensorelementes 8 verschoben. Damit misst das zweite Temperatursensorelement 8 eine deutlich höhere Temperatur als das erste Temperatursensorelement 7. Durch die Feststellung der Differenztemperatur der beiden Temperatursensorelemente 7, 8 in der Auswerteelektronik 13 lässt sich nun der Luftmassenstrom 10 bestimmen. Jedoch wären die Einflüsse von Verschmutzungen auf dem Sensorelement nach wie vor wirksam und sie würden die Messergebnisse überlagern. Die Summe der Temperaturen reagiert ebenfalls auf den Massenstrom 10. Darüber hinaus reagiert jedoch die Summe der Temperaturen auch auf die thermischen Eigenschaften der Luftmasse, wie zum Beispiel die Wärmekapazität und/oder die thermische Leitfähigkeit des vorbeiströmenden Luftmassenstromes 10. Erhöht sich zum Beispiel bei gleichem Luftmassenstrom 10 die thermische Leitfähigkeit der Luftmasse, so kühlt das System ab und die Summe der Temperaturen wird deutlich geringer. Die Differenztemperatur des ersten Temperatursensorelementes 7 und des zweiten Temperatursensorelementes 8 bleibt jedoch in erster Näherung unverändert. Somit kann durch das Summensignal des ersten Temperatursensorelementes 7 und des zweiten Temperatursensorelementes 8 eine Änderung der thermischen Eigenschaften, wie zum Beispiel der Wärmekapazität, oder der thermischen Leitfähigkeit der Luftmasse gemessen werden. Verrechnet man nun das Differenztemperatursignal mit dem Summentemperatursignal, kann auf die veränderte thermische Leitfähigkeit und/oder die veränderte Wärmekapazität der vorbeiströmenden Luftmasse geschlossen werden.
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5 zeigt das Sensorelement 15 des Luftmassenmessers, das als mikroelektromechanisches System (MEMS) ausgebildet ist, in einem Luftmassenmesser 2, der als Einsteckfinger in einem Ansaugrohr 1 integriert ist. Der Luftmassenstrom 10 erreicht auch hier die Einlassöffnung 4 und tritt in das Hilfsrohr 5 ein. Auf der Oberfläche 16 der Membran 17 sind das erste Temperatursensorelement 7 und das zweite Temperatursensorelement 8 zu erkennen. Zwischen dem ersten Temperatursensorelement 7 und dem zweiten Temperatursensorelement 8 ist das Heizelement 12 angeordnet. Der Luftmassenstrom 10 erreicht zunächst das erste Temperatursensorelement 7, überströmt dann das Heizelement 12, um danach das zweite Temperatursensorelement 8 zu erreichen.
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In 5 ist zu erkennen, dass der Luftmassenstrom 10 auch Verschmutzungen 9 beinhaltet. Mit dem Luftmassenstrom 10 werden zum Beispiel Wassertröpfchen 26, Öltröpfchen 11 und/oder Staubteilchen 14 hin zum Luftmassenmesser 2 transportiert. Die Verschmutzungen 9 gelangen durch die Einlassöffnung 4 des Luftmassenmessers 2 bis zum Sensorelement 15. Wenn sich die Verschmutzungen 9 im Bereich des ersten Temperatursensorelementes 7 und des zweite Temperatursensorelementes 8 ablagern, kann es mit der Zeit zu einer massiven Verfälschung des Messwertes für den Luftmassenstrom 10 kommen. Da sich diese Verfälschung durch die Akkumulation der Verschmutzung auf dem Sensorelement 15 über einem langen Zeitraum immer weiter aufbaut, spricht man in diesem Zusammenhang auch von einer Singaldrift des Luftmassenmessers 2. Dieser Signaldrift ist unerwünscht und sie sollte unterdrückt und/oder kompensiert werden.
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6 zeigt das Sensorelement 15 mit dem ersten Temperatursensorelement 7 und dem zweiten Temperatursensorelement 8 sowie dem zwischen den Temperatursensorelementen 7 und 8 angeordneten Heizelement 12. Mit dem Pfeil ist die Richtung des Luftmassestromes 10 dargestellt. Damit befindet sich in der Strömungsrichtung des Luftmassenstromes 10 das erste Temperatursensorelement 7 vor dem Heizelement 12 und das zweite Temperatursensorelement 8 hinter dem Heizelement 12. Sowohl das erste Temperatursensorelement 7 als auch das zweite Temperatursensorelement 8 setzen sich in diesem Beispiel als elektrische Reihenschaltungen aus einem Messwiderstand 22 und mindestens zwei Vergleichswiderständen 21 zusammen. Es ist zu erkennen, dass die Messwiderstände 22 im inneren Bereich der dünnen Membran angeordnet sind, und die Vergleichswiderstände 21 im Randbereich der Membran 17 angeordnet sind.
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Weiterhin zeigt die 6, dass Verschmutzungen 9, und hierbei vornehmlich Öltröpfchen 11, mit dem Massenstrom 10 zu dem Sensorelement 15 transportiert werden. Insbesondere die Öltröpfchen 11 lagern sich auf dem Sensorelement 15 ab. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Ablagerung der Öltröpfchen 11 auf dem Sensorelement 15 besonders stark im Bereich des zweiten Sensorelements 8 erfolgt, welches in Strömungsrichtung des Luftmassenstromes 10 dem Heizelement 12 nachgelagert ist. Diese unsymmetrische Ablagerung von Öltröpfchen 11 auf dem Sensorelement 15 führt zu einer Signaldrift, die letztlich zur Verfälschung der vom Sensorelement 15 erfassten Absoluttemperatur und damit zur Verfälschung des Messwertes für den Luftmassenstrom 10 führt. Darüber hinaus erfolgt die Ablagerung der Verschmutzungen bevorzugt im Randbereich der Membran 17. Die unsymmetrische Ablagerung der Öltröpfchen 11 hat physikalische Gründe, die ihren Ursprung insbesondere in der höheren Temperatur im Bereich des zweiten Sensorelementes 8 und im Temperaturgradienten im Randbereich der Membran 17 finden.
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7 zeigt das Sensorelement 15 eines Luftmassenmessers 2. Das erste Temperatursensorelement 7 und das zweite Temperatursensorelement 8 dieses Sensorelementes 15 sind als Thermopiles 23 ausgebildet. Thermopiles 23, die auch als Thermoelemente 23 bezeichnet werden, wandeln Wärme in elektrische Energie um. Thermoelemente 23 bestehen aus zwei unterschiedlichen Metallen, die an einem Ende miteinander verbunden sind. Eine Temperaturdifferenz erzeugt aufgrund des Wärmeflusses im Metall eine elektrische Spannung.
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Als Seebeck-Effekt wird das Auftreten einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen zwei Stellen unterschiedlicher Temperatur eines Leiters bezeichnet. Die Potentialdifferenz ist annähernd proportional zur Temperaturdifferenz und sie hängt vom Leitermaterial ab. Wenn die Enden eines einzigen Leiters zur Messung auf gleicher Temperatur liegen, heben sich die Potentialdifferenzen stets auf. Verbindet man jedoch zwei unterschiedliche Leitermaterialien miteinander, entsteht ein Thermoelement 23. Bei Messsystemen auf der Basis des Seebeck-Effektes werden in der Regel sehr viele einzelne Thermoelemente 23 in Reihe geschaltet.
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Bei der Auswahl von Materialpaaren zu Messzwecken sollte eine möglichst hohe erzeugte Thermospannung verbunden mit einer hohen Linearität zwischen Temperaturänderung und Spannungsänderung erreicht werden. Die in 7 gezeigten Thermopiles 23 bestehen aus einer Abfolge eines jeweils ersten Metalls 24, das an einer Verbindungsstelle 28 mit einem zweiten Metall 25 verbunden ist.
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In 7 ist deutlich zu erkennen, dass im Bereich des zweiten Temperatursensorelementes 8, das aus Thermoelementen 23 aufgebaut ist, Verschmutzungen 9 vornehmlich in Form von Öltröpfchen 11 abgelagert sind. Diese Verschmutzungen 9 führen zu einer Verfälschung der von den Temperatursensorelementen 7 und 8 gemessenen Absolut-Temperatur. Die hieraus resultierende Signaldrift wurde schon in der Beschreibung der vorgenannten Figuren erwähnt.
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8 zeigt das aus den vorhergehenden Figuren bekannte Sensorelement 15. Das Sensorelement 15 ist in mikroelektromechanischer Bauweise ausgeführt und weist ein erstes Temperatursensorelement 7 und ein zweites Temperatursensorelement 8 auf. Zwischen dem ersten Temperatursensorelement 7 und dem zweiten Temperatursensorelement 8 ist das Heizelement 12 angeordnet. Das erste Temperatursensorelement 7, das zweite Temperatursensorelement 8 und das Heizelement 12 sind auf einer dünnen Membran 17 ausgebildet. Das erste Temperaturelement 7 weist eine erste Breite BT 1 und eine erste Länge LT 1 auf. Das zweite Temperatursensorelement 8 weist eine zweite Breite BT2 und eine zweite Länge LT 2 auf. In diesem Beispiel ist die erste Länge LT 1 des ersten Temperatursensorelementes 7 im Rahmen der Herstellungstoleranzen gleich der zweiten Länge LT2 des zweiten Temperatursensorselementes 8. Auch die erste Breite BT 1 des ersten Temperatursensorelementes 7 ist im Rahmen der Herstellungstoleranz gleich der zweiten Breiten BT2 des zweiten Temperatursensorelementes 8. Das erste Temperatursensorelement 7 und das zweite Temperatursensorelement 8 können als Messwiderstände 22 oder Thermo-Piles 23 ausgebildet sein. Die Anordnung des ersten Temperatursensorselementes 7 und des zweiten Temperatursensorelementes 8 auf der dünnen Membran 17 erfolgt axial symmetrisch, wobei das Heizelement 12 die Symmetrieachse für die beiden Temperatursensorelemente 7, 8 bildet.
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9 zeigt eine unsymmetrische Ausbildung des ersten Temperatursensorelementes 7 und des zweiten Temperatursensorelementes 8 im Bezug auf die von dem Heizelement 12 gebildete Symmetrieachse. Das in 9 gezeigte Temperatursensorelement 15 entspricht weitgehend dem in 8 gezeigten Temperatursensorelement 15, wobei jedoch die erste Breite BT 1 des ersten Temperatursensorelementes 7 wesentlich größer ist als die zweite Breite BT 2 des zweiten Temperatursensorelementes 8. Zudem ist in 9 die erste Länge LT 1 des ersten Temperatursensorelementes 7 wesentlich kleiner als die zweite Länge LT 2 des zweiten Temperatursensorelementes 8. Durch die unterschiedliche Dimensionierung der ersten Breite BT 1 und der zweiten Breite BT 2 sowie der ersten Länge LT 1 und der zweiten Länge LT 2 des ersten Temperatursensorelementes 7 und des zweiten Temperatursensorelementes 8 kann die verschmutzungsbedingte Signaldrift des Luftmassenmessers 2 wirkungsvoll unterdrückt werden, womit die Messergebnisse des Luftmassenmessers 2 über eine lange Zeit sehr stabil zur Verfügung stehen. Die Unterdrückung der Signaldrift beim unsymmetrisch ausgebildeten Sensorelement ist deshalb erfolgreich, weil sich aus thermodynamischen Gründen Verschmutzungen 9 und insbesondere Öltröpfchen 11 nicht im Randbereich des zweiten Temperatursensorelementes 8 anlagern können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4407209 A1 [0003]
- WO 03/089884 A1 [0004]
