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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung einer Strömungseigenschaft fluider Medien, also von Flüssigkeiten und/oder Gasen, bekannt. Bei den Strömungseigenschaften kann es sich dabei um grundsätzlich beliebige physikalisch und/oder chemisch messbare Eigenschaften handeln, welche eine Strömung des fluiden Mediums qualifizieren oder quantifizieren. 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 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, mit einer Sensormembran als Messoberfläche oder Sensorbereich, welche 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. 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. Heißfilmluftmassenmesser sind üblicherweise als Steckfühler ausgestaltet, welcher fest oder austauschbar in ein Strömungsrohr einbringbar ist. Beispielsweise kann es sich bei diesem Strömungsrohr um einen Ansaugtrakt einer Kraftmaschine handeln.
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Dabei durchströmt ein Teilstrom des Mediums wenigstens einen in dem Heißfilmluftmassenmesser vorgesehen 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 eingetretenen Teilstroms des Mediums aufweist, wobei der gekrümmte Abschnitt im weiteren Verlauf in einen Abschnitt übergeht, in welchem der Sensorchip angeordnet ist. Der zuletzt genannte Abschnitt stellt den eigentlichen Messkanal dar, in dem der Sensorchip angeordnet ist.
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Bei herkömmlichen Heißfilmluftmassenmessern der beschriebenen Art ragt in der Regel ein Sensorträger mit dem darauf angebrachten 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 (beispielsweise mit einem Schaltungsträger, insbesondere einer Leiterplatte) aufgeklebt sein kann, eine Einheit bilden. Beispielsweise kann der Sensorträger als angespritztes Kunststoffteil eines Elektronikmoduls ausgestaltet sein. Der Sensorchip und die Ansteuer- und Auswerteschaltung können beispielsweise durch Bondverbindungen miteinander verbunden werden. Das derart entstandene Elektronikmodul kann beispielsweise in ein Sensorgehäuse eingeklebt werden und der gesamte Steckfühler kann mit Deckeln verschlossen werden.
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Derartige Heißfilmluftmassenmesser müssen in der Praxis einer Vielzahl von Anforderungen genügen. Neben dem Ziel, einen Druckabfall an dem Heißfilmluftmassenmesser insgesamt durch geeignete strömungstechnische Ausgestaltungen zu verringern, besteht eine der hauptsächlichen Herausforderungen darin, die Signalqualität sowie die Robustheit der Vorrichtungen gegenüber Kontamination durch Öl- und Wassertröpfchen sowie Ruß-, Staub- und sonstige Festkörperpartikel weiter zu verbessern. Diese Signalqualität bezieht sich beispielsweise auf einen Massenstrom des Mediums durch den zu dem Sensorchip führenden Messkanal sowie gegebenenfalls auf die Verminderung einer Signaldrift und die Verbesserung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses. Die Signaldrift bezieht sich dabei auf die Abweichung beispielsweise des Massenstroms des Mediums im Sinne einer Veränderung der Kennlinien-Beziehung zwischen dem tatsächlich auftretenden Massenstrom und dem im Rahmen der Kalibrierung bei der Fertigung ermittelten auszugebenden Signal. Bei der Ermittlung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses werden die in schneller zeitlicher Folge ausgegebenen Sensorsignale betrachtet, wohingegen sich die Kennlinien- oder Signaldrift auf eine Veränderung des Mittelwertes bezieht.
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Trotz der zahlreichen Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Vermeidung der Verschmutzung des Sensorelements durch beispielsweise Staubpartikel beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. So werden auf den Sensorchip auftreffende Partikel, die eine elektrische Ladung tragen, nur unzureichend vom Sensorchip abgehalten.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird daher ein Sensor zur Bestimmung wenigstens eines Parameters eines durch einen Kanal strömenden fluiden Mediums vorgeschlagen, welcher die Nachteile bekannter Verfahren und Strategien zumindest weitgehend vermeiden kann und bei dem eine verbesserte Funktion dadurch gewährleistet werden kann, dass der Sensor robuster gegenüber Verschmutzung bei gleichzeitig günstigerer Herstellbarkeit als bisherige Sensoren ist.
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Ein erfindungsgemäßer Sensor zur Bestimmung wenigstens eines Parameters eines durch einen Kanal strömenden fluiden Mediums, insbesondere eines Ansaugluftmassenstroms einer Kraftmaschine, weist ein Sensorgehäuse, insbesondere einen in ein Strömungsrohr eingebrachten oder einbringbaren Steckfühler, in dem der Messkanal ausgebildet ist, und mindestens einen in dem Messkanal angeordneten Sensorchip zur Bestimmung des Parameters des fluiden Mediums auf. Das Sensorgehäuse weist mehrere Kanalwände auf, die den Messkanal begrenzen. Der Sensorchip ist auf einem Sensorträger angeordnet. Zumindest im Bereich des Sensorträgers weisen mindestens eine erste Kanalwand der mehreren Kanalwände und eine zweite Kanalwand der mehreren Kanalwände, die sich von der ersten Kanalwand unterscheidet, oder der Sensorträger zumindest teilweise magnetische Eigenschaften auf. Zumindest die erste Kanalwand und die zweite Kanalwand oder der Sensorträger sind zumindest teilweise aus gefülltem Kunststoff und einem multipolaren magnetischen Material in Form von in den Kunststoff eingebetteten Partikeln als multipolares System hergestellt.
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Der Hauptkanal oder auch der Messkanal bzw. Bypasskanal des Sensors, wie beispielsweise des Heißfilmluftmassenmessers, kann zumindest in Teilen, also lokal begrenzten Bereichen, die die erste Kanalwand und die zweite Kanalwand oder den Chipträger einschließen können, in einer multipolaren Struktur dargestellt sein. D.h. das Sensorgehäuse kann aus einem Polymer-Compound mit magnetischem Füllstoff in entsprechender Herstellweise als multipolare Komponente ausgeführt sein.
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Der Teil der Kanalwände sowie des Sensorträgers, der magnetische Eigenschaften trägt, definiert einen Bereich, welcher Einfluss auf die mögliche Anlagerung von Verschmutzungen im o.g. Sinne haben kann. Zumindest in diesem Bereich weist mindestens eine erste Kanalwand zumindest teilweise magnetische Eigenschaften auf. Es ist möglich, dass die erste Kanalwand auch außerhalb des Nahbereichs des Sensorträgers zumindest teilweise magnetische Eigenschaften aufweist. Zusätzlich weist eine zweite Kanalwand, die sich von der ersten Kanalwand unterscheidet, oder der Sensorträger selbst zumindest teilweise magnetische Eigenschaften auf. Die magnetischen Eigenschaften werden dabei von multipolaren kunststoffgebundenen Dauermagneten bewirkt, d.h. Kunststoffe, die mit bestimmtem Anteil an magnetischen bzw. magnetisierbaren, mikroskopisch kleinen Partikeln gefüllt sind und somit eine multipolare Struktur ermöglichen, die bereits im Spritzgussverfahren eingeprägt werden kann. Bei der Herstellung von kunststoffgebundenen Magneten hat man ähnliche Gestaltungsmöglichkeiten mit enormen Formgebungsvielfalt wie bei der Herstellung von technischen Kunststoffteilen, die keine magnetischen Eigenschaften aufweisen. Man gewinnt also an Funktionalität ohne Einbußen in der Herstellung und Verarbeitbarkeit hinnehmen zu müssen. Eine zusätzliche Anlegung eines Magnetfelds in axialer, radialer, diametraler oder multipolarer Richtungen bringt wesentliche Vorteile bei der Auslegung der Erzeugnisse. Es können somit Sensoren gefertigt werden, die gegenüber Verschmutzung robuster sind als bisherige, gleichzeitig sind aber die strengen Kostenvorgaben einer Großserienproduktion erfüllt.
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Unter einer Kanalwand ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich jedes Bauteil zu verstehen das die Kanalstruktur und insbesondere den Messkanal begrenzt. Die Kanalwand kann Teil des Sensorgehäuses und/oder Teil eines Messkanaldeckels, der zum Verschließen der Kanalstruktur in dem Sensorgehäuse ausgebildet ist, sein. Die Kanalwand kann auch Teil des Ansaugtrakts sein - im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist hierbei der Abschnitt zwischen Luftfiltermedium und Sensorgehäuse relevant.
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Unter magnetischen Eigenschaften ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Eigenschaft zu verstehen, die sich als Kraftwirkung zwischen Magneten, magnetisierten bzw. magnetisierbaren Gegenständen und bewegten elektrischen Ladungen äußert. Die Vermittlung dieser Kraft erfolgt über ein Magnetfeld, das von diesen Gegenständen erzeugt wird. Unter zumindest teilweise magnetischen Eigenschaften ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verstehen, dass nicht das vollständige Bauteil magnetische Eigenschaften aufweisen muss, sondern nur ein Teil davon. Unter multipolaren Eigenschaften ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verstehen, dass lokal abgegrenzte Bereiche des Bauteils mit magnetischen Eigenschaften, die in verschiedene Vorzugsrichtungen orientiert sind, als hybrides System existieren und somit lokal begrenzte magnetische Flussdichten aufweisen können.
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Die erste Kanalwand und die zweite Kanalwand oder der Sensorträger können ausgebildet sein zum Ausbilden von mindestens einem ersten Magnetfeld, das eine erste Orientierung aufweist, und einem zweiten Magnetfeld, das eine zweite Orientierung aufweist, die sich von der ersten Orientierung unterscheidet.
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Die erste Orientierung ist dabei insbesondere senkrecht zu einer Hauptströmungsrichtung des fluiden Mediums in dem Messkanal sowie senkrecht zur Ebene des Sensorbereichs zumindest im Bereich des Sensorträgers ausgebildet sein. Enthalten beispielsweise die Kanalwände die multipolaren Dauermagnete magnetische Anteile, die in einer entsprechenden Orientierung im Herstellungsprozess ausgerichtet wurden, so bilden sie ein erstes Magnetfeld mit der angegebenen Orientierung aus, unabhängig davon wie die Geometrie des Bauteils in diesem Teilbereich ausgestaltet ist.
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Unter der Hauptströmungsrichtung ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ohne weitere Angabe die lokale Strömungsrichtung des fluiden Mediums am Ort des Sensors zu verstehen, wobei beispielsweise lokale Unregelmäßigkeiten, wie z. B. Turbulenzen unberücksichtigt bleiben 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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Der Sensorträger kann eine Oberseite aufweisen. Der Sensorchip kann in die Oberseite eingelassen sein. Insbesondere kann der Sensorchip derart in die Oberseite eingelassen sein, dass der Sensorchip fluchtend mit der Oberseite abschließt. Die erste Kanalwand und die zweite Kanalwand oder der Sensorträger können zum Ausbilden des ersten Magnetfelds beispielsweise senkrecht zu der Oberseite zumindest im Bereich des Sensorträgers ausgebildet sein.
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Die erste Kanalwand und die zweite Kanalwand der mehreren Kanalwände können zumindest teilweise magnetische Eigenschaften aufweisen, wobei die zweite Kanalwand dem Sensorchip abgewandt sein kann.
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Die Ausführung der magnetischen Teilabschnitte eines Bauteils kann sehr vielfältig sein, was den Vorteil der Methode offenbart: Es kann ein quasihomogenes Magnetfeld ausgebildet sein, es können aber auch abschnittsweise gegenpolige Magnetfeldausrichtungen eingestellt werden, die sich an den Kanalwänden orientieren indem sie orthogonal dazu verlaufen oder punktuelle Magnetflussdichtespitzen, deren Ausrichtung nicht an die Bauteilgeometrie wie beispielsweise die Kanalgeometrie gebunden ist, sondern beliebig - soweit fertigungstechnisch realisierbar - im Raum orientiert sein kann, und die somit in optimaler Weise die funktionalen Anforderungen an das Bauteil im o.g. Sinne beeinflusst.
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Die magnetischen Eigenschaften können dadurch realisiert sein, dass die erste Kanalwand und die zweite Kanalwand oder der Sensorträger zumindest teilweise aus dem multipolaren Kunststoff hergestellt sind.
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Das erste Magnetfeld und das zweite Magnetfeld können in einem regelmäßigen Muster durch die erste Kanalwand und die zweite Kanalwand oder den Sensorträger ausgebildet sein. Beispielsweise werden das erste Magnetfeld und das zweite Magnetfeld mit Orientierungen vorgesehen, die an ein Schachbrettmuster erinnern. Dadurch lassen sich elektrisch geladenen Teilchen besonders gut gezielt ablenken. Alternativ kann ein unregelmäßiges Muster vorgesehen werden.
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Denkbar ist beispielsweise eine Realisierung, bei der die erste Orientierung und die zweite Orientierung von dem Sensorbereich weg weisen. Dadurch wird besonders zuverlässig verhindert, dass elektrisch geladene Teilchen auf den Sensorbereich gelangen.
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Die erste Kanalwand und die zweite Kanalwand oder der Sensorträger können zum Ausbilden von mehr als zwei Magnetfeldern mit jeweils unterschiedlichen Orientierungen ausgebildet sein, wie beispielsweise drei, vier, fünf oder mehr Orientierungen. Somit können gezielt viele Bereiche geschaffen werden, wohin elektrisch geladenen Teilchen abgelenkt werden.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann der Sensorträger ganz oder teilweise als Schaltungsträger, insbesondere als Leiterplatte, ausgestaltet sein oder Teil eines Schaltungsträgers, insbesondere einer Leiterplatte, sein. Beispielsweise kann der Schaltungsträger, insbesondere die Leiterplatte, einen Fortsatz aufweisen, welcher den Sensorträger bildet und welcher in den Kanal, beispielsweise den Messkanal eines Heißfilmluftmassenmessers, hineinragt. Der übrige Teil des Schaltungsträgers, insbesondere der Leiterplatte, kann beispielsweise in einem Elektronikraum, in einem Gehäuse des Sensors 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 Ähnliches, 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 miterfasst 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 Sensoranordnung stark vereinfachen und es lässt sich beispielsweise auf ein Bodenblech und einen separaten Sensorträger verzichten. Bodenblech und Sensorträger können durch eine einzige Leiterplatte ersetzt werden, auf welcher beispielsweise auch eine Ansteuer- und Auswerteschaltung der Sensoranordnung ganz oder teilweise angeordnet sein kann. Diese Ansteuer- und Auswerteschaltung der Sensoranordnung 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 Sensoranordnung erheblich vermindern und der Bauraumbedarf für das Elektronikmodul stark verringern.
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Der Sensor kann insbesondere mindestens ein Gehäuse aufweisen, wobei der Kanal in dem Gehäuse ausgebildet ist. Beispielsweise kann der Kanal einen Hauptkanal und einen Bypasskanal bzw. Messkanal umfassen, wobei der Sensorträger und der Sensorchip beispielsweise in dem Bypass- bzw. Messkanal angeordnet sein können. Weiterhin kann das Gehäuse 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 Multilayer-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 z. B. Kleben, miteinander verbunden sein.
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In diesem Fall, in welchem eine Multilayer-Technik verwendet wird mit mehreren Sensorschichten des Sensorträgers, kann die Anströmkante durch eine 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 rund-, 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 Grad 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, einen oder mehrere Leiterbahnen und/oder Kontaktpads aufweisen, welche mit entsprechenden Kontakten auf dem Sensorchip beispielsweise durch ein Bondverfahren oder über Lötkontakte 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.
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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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Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung von magnetischen oder magnetisierbaren Materialien mit multipolaren Eigenschaften, wie beispielsweise multipolare Kunststoffkomponenten. Das mit dem Sensor zu vermessende Fluid, wie beispielsweise Luft, ist oftmals mit Partikeln verunreinigt. Diese Partikel sind in der Regel elektrisch geladen. In einem Magnetfeld erfahren diese Partikel eine Lorentz-Kraft und werden quer zur Bewegungsrichtung und zu den Magnetfeldlinien abgelenkt. Im Strömungsbereich des Sensorchips angeordnete magnetisch aktive Bereiche können so gestaltet werden, dass unmittelbar oberhalb und unterhalb des Sensorchips oder auch in der Ebene des Sensorchips selbst, also im Sensorträger, magnetische Substanzen eingebracht sind, die so ausgerichtet sind, dass sich mehr als ein Magnetfeld quer zur Hauptströmungsrichtung des über den Sensorchip strömenden fluiden Mediums ergibt. Außerdem könnten an jeder anderen Stelle des Messkanals ein oder mehrere Bereiche magnetisch aktiviert werden, um eine Umlenkung der eintreffenden Partikel zu bewirken und damit einen Abscheideeffekt zu realisieren, der das Sensorelement partikelfrei lässt. Durch Zugabe von derartigen multipolaren Partikeln in den Kunststoff ist dies realisierbar. Eine spezielle Kontaktierung dieser Bereiche ist nicht erforderlich. Die einströmenden Partikel werden quer abgelenkt und damit aus dem Sensierbereich befördert, der somit frei von Fremdstoffen, zumindest aber von geladenen Partikeln, entsprechend seiner Kennlinien-Beziehung durchströmende Luftmassen messen kann. Hiermit ist also eine wesentliche Steigerung der Robustheit des Sensors zu erwarten.
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Figurenliste
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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:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines Sensors,
- 2 eine vergrößerte Ansicht eines Elektronikmoduls des Sensors,
- 3 eine Querschnittsansicht eines Sensors gemäß einer ersten Ausführungsform,
- 4 eine Querschnittsansicht eines Sensors gemäß einer zweiten Ausführungsform,
- 5 eine Querschnittsansicht eines Sensors gemäß einer dritten Ausführungsform und
- 6 eine Draufsicht einer Kanalstruktur eines Sensors gemäß einer vierten Ausführungsform.
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Ausführliche Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Sensoranordnung 10 zur Bestimmung eines Parameters eines fluiden Mediums. Die Sensoranordnung 10 ist als Heißfilmluftmassenmesser ausgestaltet und umfasst ein als Steckfühler ausgebildetes Sensorgehäuse 12, welches beispielsweise in ein Strömungsrohr, insbesondere einen Ansaugtrakt einer Kraftmaschine, eingesteckt werden kann. Bei einer solchen Kraftmaschine kann es sich insbesondere um einen Verbrennungsmotor oder eine Brennstoffzelle bzw. ein Brennstoffzellensystem, bei dem die durch die Brennstoffzelle oder Brennstoffzellen erzeugte elektrische Energie einen Motor oder dergleichen antreibt, handeln. Das Sensorgehäuse 12 weist einen Gehäusekörper 14, einen Messkanaldeckel 16, einen Elektronikraum 18 sowie einen Elektronikraumdeckel 20 zum Verschließen des Elektronikraums 18 auf. In dem Gehäusekörper 16 ist eine Kanalstruktur 22 ausgebildet. Die Kanalstruktur 22 weist einen Hauptkanal 24 auf, welcher in einem Hauptstromauslass 26 beispielsweise auf der Unterseite 30 bezogen auf die Darstellung in 1 des Sensorgehäuses 12 mündet, sowie einen von dem Hauptkanal 24 abzweigenden Bypass- bzw. Messkanal 30, welcher in einen Bypass- oder Messkanalauslass 32 mündet, der separat oder aber integriert ausgeführt sein kann. Durch die Kanalstruktur 22 kann über eine Einlassöffnung 34, die im eingesetzten Zustand einer Hauptströmungsrichtung 36 des fluiden Mediums am Ort des Sensorgehäuses 12 entgegenweist, eine repräsentative Menge des fluiden Mediums strömen.
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2 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Elektronikmoduls 38 der Sensoranordnung 10. In einem eingesetzten Zustand des Elektronikmoduls 38 ragt ein Sensorträger 40 in den Messkanal 30. In diesen Sensorträger 40 ist ein Sensorchip 42 derart eingelassen, dass eine als Sensorbereich 44 des Sensorchips 42 ausgebildete mikromechanische Sensormembran von dem fluiden Medium überströmbar ist. Der Sensorträger 40 ist mit dem Sensorchip 42 Bestandteil des Elektronikmoduls 38. Das Elektronikmodul 38 weist weiter ein gebogenes Bodenblech 46 sowie eine darauf angebrachte, beispielsweise aufgeklebte Leiterplatte 48 mit einer Ansteuer- und Auswerteschaltung 50 auf. Der Sensorchip 42 ist mit der Ansteuer- und Auswerteschaltung 50 über elektrische Verbindungen 52, welche hier als Drahtbonding ausgestaltet sind, elektrisch verbunden. Das derart entstandene Elektronikmodul 38 wird in den Elektronikraum 18 des Gehäusekörpers 14 - seinerseits fester Bestandteil des Sensorgehäuses 12 - eingebracht, beispielsweise eingeklebt. Dabei ragt der Sensorträger 40 in die Kanalstruktur 22 hinein. Anschließend wird der Elektronikraum 18 von dem Elektronikraumdeckel 20 verschlossen.
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Wie in 1 gezeigt, weist das Sensorgehäuse 12 mehrere Kanalwände 54, 56, 58, 60 auf, die den Messkanal 30 begrenzen. So weist das Sensorgehäuse 12 eine erste Kanalwand 54, die beispielsweise ein Teil oder Abschnitt des Messkanaldeckels 16 ist, eine zweite Kanalwand 56, die beispielsweise ein Teil oder Abschnitt eines Bodens des Sensorgehäuses 12 ist, eine dritte Kanalwand 58 und eine vierte Kanalwand 60, die den Messkanal 30 seitlich begrenzen, auf.
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3 zeigt eine Querschnittsansicht des Sensors 10 gemäß einer ersten Ausführungsform. Der Sensorträger 40 weist eine Oberseite 62, eine Unterseite 64, eine Anströmkante 66 und eine Abströmkante 68 auf. Die Anströmkante 66 weist einer Hauptströmungsrichtung 70 des fluiden Mediums in dem Messkanal 30 entgegen oder zu. Der Sensorchip 42 ist in die Oberseite 62 eingelassen. Die erste Kanalwand 54 ist dem Sensorchip 42 zugewandt. Mit anderen Worten liegt die erste Kanalwand 54 dem Sensorchip 42 bzw. der Oberseite 62 des Sensorträgers 40 gegenüber. Die zweite Kanalwand 56 ist dem Sensorchip 42 abgewandt. Mit anderen Worten ist die zweite Kanalwand 56 der Unterseite 64 zugewandt bzw. liegt dieser gegenüber.
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Zumindest im Bereich des Sensorträgers 40 weisen mindestens die erste Kanalwand 54 und die zweite Kanalwand 56 zumindest teilweise magnetische Eigenschaften auf. Im Bereich des Sensorträgers 40 ist dahingehend zu verstehen, dass die erste Kanalwand 54 und die zweite Kanalwand 56 zumindest in demjenigen Bereich magnetische Eigenschaften aufweisen, der sich parallel zu einer Abmessung des Sensorträgers 40 von der Anströmkante 66 bis zu der Abströmkante 68 in der Hauptströmungsrichtung 70 des fluiden Mediums in dem Messkanal 30 gesehen erstreckt. Es versteht sich, dass die erste Kanalwand 54 und die zweite Kanalwand 56 auch über diesen Bereich des Sensorträgers 40 hinausgehend magnetische Eigenschaften aufweisen können, wie beispielsweise in einem Bereich von 1 mm bis 50 mm stromaufwärts der Anströmkante 66 bezüglich der Hauptströmungsrichtung 70 des fluiden Mediums in dem Messkanal 30 und/oder in einem Bereich von 1 mm bis 50 mm stromabwärts der Abströmkante 68 bezüglich der Hauptströmungsrichtung 70 des fluiden Mediums in dem Messkanal 30. Dies kann dadurch realisiert sein, dass die erste Kanalwand 56 und die zweite Kanalwand 56 zumindest teilweise aus einem magnetischen Material hergestellt sind. Die erste Kanalwand 54 und die zweite Kanalwand 56 sind beispielsweise zumindest teilweise aus Kunststoff und einem multipolaren magnetischen Material in Form von Partikeln, die in den Kunststoff eingebettet sind, hergestellt sind. Die Partikel weisen einen mittleren Durchmesser d50 von 0,1 µm bis 100 µm und bevorzugt 1,0 µm bis 10 µm auf.
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Die erste Kanalwand 54 und die zweite Kanalwand 56 sind dadurch zum Ausbilden eines geeigneten ersten Magnetfels 72 mit einer ersten Orientierung senkrecht zu der Hauptströmungsrichtung 70 des fluiden Mediums in dem Messkanal 30 zumindest im Bereich des Sensorträgers 40 ausgebildet. Genauer sind die erste Kanalwand 54 und die zweite Kanalwand 56 zum Ausbilden eines geeigneten ersten Magnetfels 72 mit einer ersten Orientierung senkrecht zu der Oberseite 62 zumindest im Bereich des Sensorträgers 40 ausgebildet. Weiterhin sind die erste Kanalwand 54 und die zweite Kanalwand 56 zum Ausbilden eines zweiten Magnetfelds 74 mit einer zweiten Orientierung, die sich von der ersten Orientierung unterscheidet, ausgebildet. Beispielsweise weist das zweite Magnetfeld eine zweite Orientierung senkrecht zur ersten Orientierung bzw. zur Zeichenebene der 3 auf. Elektrisch geladene Partikel, die sich in der Hauptströmungsrichtung 70 bewegen, erfahren in dem ersten Magnetfeld 72 und dem zweiten Magnetfeld 74 eine Lorentz-Kraft und werden senkrecht zur Hauptströmungsrichtung 70 und zu den Magnetfeldlinien des ersten Magnetfelds 72 sowie des zweiten Magnetfelds 74 abgelenkt. Die Lorentz-Kraft wirkt bezüglich der Ansicht der 3 senkrecht zur Schnittebene, d.h. in die Zeicheneben hinein oder heraus, sowie parallel zur Zeichenebene. Dadurch werden elektrisch geladene Partikel von dem Sensorbereich 44 weg abgelenkt, und zwar je nach resultierender Ladung in die Zeichenebene hinein oder heraus, bzw. nach oben oder unten. Somit weisen die erste Orientierung und die zweite Orientierung von dem Sensorbereich 44 weg. Es wird explizit betont, dass das erste Magnetfeld 72 und das zweite Magnetfeld 74 in einem regelmäßigen oder unregelmäßigen Muster durch die erste Kanalwand 54 und die zweite Kanalwand 56 ausgebildet sein können. Weiterhin können die erste Kanalwand 54 und die zweite Kanalwand 56 zum Ausbilden von mehr als zwei Magnetfeldern mit jeweils unterschiedlichen Orientierungen ausgebildet seien.
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4 zeigt eine Querschnittsansicht des Sensors 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu der ersten Ausführungsform beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei dem Sensor 10 der zweiten Ausführungsform weist anstelle der zweiten Kanalwand 58 der Sensorträger 40 selbst zumindest teilweise magnetische Eigenschaften auf. Dies kann dadurch realisiert sein, dass die erste Kanalwand 54 und der Sensorträger 40 zumindest teilweise aus einem magnetischen Material hergestellt sind. Die erste Kanalwand 54 und der Sensorträger 40 sind beispielsweise zumindest teilweise aus Kunststoff und einem multipolaren magnetischen Material in Form von Partikeln, die in den Kunststoff eingebettet sind, hergestellt sind. Die Partikel weisen einen mittleren Durchmesser d50 von 0,1 µm bis 100 µm und bevorzugt 1,0 µm bis 10 µm auf.
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Die erste Kanalwand 54 und der Sensorträger 40 sind dadurch zum Ausbilden eines geeigneten ersten Magnetfeldes 72 mit einer ersten Orientierung senkrecht zu der Hauptströmungsrichtung 70 des fluiden Mediums in dem Messkanal 30 zumindest im Bereich des Sensorträgers 40 angeordnet. Genauer sind die erste Kanalwand 54 und der Sensorträger 40 zum Ausbilden eines geeigneten ersten Magnetfeldes 72 mit einer ersten Orientierung senkrecht zu der Oberseite 62 zumindest im Bereich des Sensorträgers 40 angeordnet. Weiterhin sind die erste Kanalwand 54 und der Sensorträger 40 zum Ausbilden eines zweiten Magnetfelds 74 mit einer zweiten Orientierung, die sich von der ersten Orientierung unterscheidet, ausgebildet. Beispielsweise weist das zweite Magnetfeld eine zweite Orientierung senkrecht zur ersten Orientierung bzw. zur Zeichenebene der 4 auf. Elektrisch geladene Partikel, die sich in der Hauptströmungsrichtung 70 bewegen, erfahren in dem ersten Magnetfeld 72 und dem zweiten Magnetfeld 74 eine Lorentz-Kraft und werden senkrecht zur Hauptströmungsrichtung 70 und zu den Magnetfeldlinien des ersten Magnetfelds 72 sowie des zweiten Magnetfelds 74 abgelenkt. Die Lorentz-Kraft wirkt bezüglich der Ansicht der 4 senkrecht zur Schnittebene, d.h. in die Zeicheneben hinein oder heraus, sowie parallel zur Zeichenebene. Dadurch werden elektrisch geladene Partikel von dem Sensorbereich 44 weg abgelenkt, und zwar je nach resultierender Ladung in die Zeichenebene hinein oder heraus, bzw. nach oben oder unten. Somit weisen die erste Orientierung und die zweite Orientierung von dem Sensorbereich 44 weg. Es wird explizit betont, dass das erste Magnetfeld 72 und das zweite Magnetfeld 74 in einem regelmäßigen oder unregelmäßigen Muster durch die erste Kanalwand 54 und die zweite Kanalwand 56 ausgebildet sein können. Weiterhin können die erste Kanalwand 54 und die zweite Kanalwand 56 zum Ausbilden von mehr als zwei Magnetfeldern mit jeweils unterschiedlichen Orientierungen ausgebildet seien.
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5 zeigt eine Querschnittsansicht des Sensors 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu der zweiten Ausführungsform beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei dem Sensor 10 der dritten Ausführungsform weisen die erste Kanalwand 54 und der Sensorträger 40 selbst zumindest teilweise magnetische Eigenschaften auf. Dies kann dadurch realisiert sein, dass die erste Kanalwand 54 und der Sensorträger 40 zumindest teilweise aus einem magnetischen Material hergestellt sind. Die erste Kanalwand 54 und der Sensorträger 40 sind beispielsweise zumindest teilweise aus Kunststoff und einem multipolaren magnetischen Material in Form von Partikeln, die in den Kunststoff eingebettet sind, hergestellt. Die Partikel weisen einen mittleren Durchmesser d50 von 0,1 µm bis 100 µm und bevorzugt 1,0 µm bis 10 µm auf.
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Das multipolare Material ist dabei in der ersten Kanalwand 54 und dem Sensorträger 40 in einem regelmäßigen alternierenden Muster eingebettet. Das Muster weist die Form eines Schachbretts auf. Die erste Kanalwand 54 und der Sensorträger 40 sind dadurch zum Ausbilden eines geeigneten ersten Magnetfeldes 72 mit einer ersten Orientierung senkrecht zu der Hauptströmungsrichtung 70 des fluiden Mediums in dem Messkanal 30 zumindest im Bereich des Sensorträgers 40 angeordnet. Genauer sind die erste Kanalwand 54 und der Sensorträger 40 zum Ausbilden eines geeigneten ersten Magnetfeldes 72 mit einer ersten Orientierung senkrecht zu der Oberseite 62 zumindest im Bereich des Sensorträgers 40 angeordnet. Weiterhin sind die erste Kanalwand 54 und der Sensorträger 40 zum Ausbilden eines zweiten Magnetfelds 74 mit einer zweiten Orientierung, die sich von der ersten Orientierung unterscheidet, ausgebildet. Beispielsweise weist das zweite Magnetfeld 74 eine zweite Orientierung senkrecht zur ersten Orientierung bzw. zur Zeichenebene der 5 auf. Das erste Magnetfeld und das zweite Magnetfeld 74 sind dabei sowohl in der ersten Kanalwand 54 als auch in dem Sensorträger 40 als alternierende Abschnitte vorgesehen.
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Elektrisch geladene Partikel, die sich in der Hauptströmungsrichtung 70 bewegen, erfahren in dem ersten Magnetfeld 72 und dem zweiten Magnetfeld 74 eine Lorentz-Kraft und werden senkrecht zur Hauptströmungsrichtung 70 und zu den Magnetfeldlinien des ersten Magnetfelds 72 sowie des zweiten Magnetfelds 74 abgelenkt. Die Trajektorie des somit abgelenkten Partikels wird einem komplexen Pfad folgen, weil das Magnetfeld im Bereich des Sensorelementes durch die schachbrettartige Anordnung des multipolaren Systems extrem inhomogen ist. Es wird explizit betont, dass das erste Magnetfeld 72 und das zweite Magnetfeld 74 in einem unregelmäßigen Muster durch die erste Kanalwand 54 und/oder die zweite Kanalwand 56 und/oder den Sensorträger 40 ausgebildet sein können. Weiterhin können die erste Kanalwand 54 und/oder die zweite Kanalwand 56 und/oder der Sensorträger 40 zum Ausbilden von mehr als zwei Magnetfeldern mit jeweils unterschiedlichen Orientierungen ausgebildet seien.
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6 zeigt eine Draufsicht einer Kanalstruktur 22 eines Sensors 10 gemäß einer vierten Ausführungsform. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu der zweiten Ausführungsform beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Eingezeichnet sind auch Vektoren, die Richtungen der Strömung ermittelt durch eine Simulation repräsentieren. Aus Gründen der Übersichtlichkeit, sind die unterschiedlichen Geschwindigkeiten der Strömung in den jeweiligen Bereichen der Kanalstruktur nicht dargestellt. Die Verteilung der Geschwindigkeiten der Strömung innerhalb der Kanalstruktur 22 ist dem Fachmann auf dem Gebiet der sogenannten Heißfilmluftmassenmesser allerdings bekannt. Wie in 6 zu erkennen ist, bildet sich beim Durchströmen der Kanalstruktur 22 bezüglich der Hauptströmungsrichtung 70 des fluiden Mediums in dem Messkanal 30 stromaufwärts der Anströmkante 66 des Sensorträgers 40 ein Totwassergebiet 76, d.h. ein Gebiet, in dem die Strömungsgeschwindigkeit 0 m/s ist. Bei dem Sensor 10 der vierten Ausführungsform weisen nun die erste Kanalwand 54 und die zweite Kanalwand 56 zusätzlich zu dem Bereich des Sensorträgers 40 magnetische Eigenschaften auf. Dies kann dadurch realisiert sein, dass die erste Kanalwand 56 und die zweite Kanalwand 56 zumindest teilweise aus einem magnetischen Material hergestellt sind. Die erste Kanalwand 54 und die zweite Kanalwand 56 sind beispielsweise zumindest teilweise aus Kunststoff und einem multipolaren magnetischen Material in Form von Partikeln, die in den Kunststoff eingebettet sind, hergestellt sind. Dadurch kann ein oder mehrere zusätzliche Magnetfelder in den Bereich des Totwassergebiets 76 gelegt werden. Mögliche Positionen für das erste Magnetfeld 72 und das zweite Magnetfeld sind beispielhaft in 6 eingezeichnet.
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Es wird explizit betont, dass der Sensor gemäß den zuvor beschriebenen Ausführungsformen Teil eines Luftströmungssystems sein kann, das weiterhin einen Ansaugtrakt einer Kraftmaschine umfasst. Dabei können weitere strömungsführende Teile des Sensorgehäuses 12 bzw. Steckfühlers wie beispielsweise die mehreren Kanalwände 54, 56, 58, 60, die den Messkanal 30 begrenzen zumindest teilweise magnetische Eigenschaften aufweisen. Dies ist dadurch realisierbar, dass die mehreren Kanalwände 54, 56, 58, 60, die den Messkanal 30 begrenzen, zumindest teilweise aus gefülltem Kunststoff und einem multipolaren magnetischen Material in Form von in den Kunststoff eingebetteten Partikeln als multipolares System hergestellt sind. Alternativ oder zusätzlich kann der Ansaugtrakt zumindest teilweise magnetische Eigenschaften aufweisen. Beispielsweise sind Teile des Ansaugtrakts, insbesondere ein Luftfilter oder Zylinderrohr des Ansaugtrakts, zumindest teilweise aus gefülltem Kunststoff und einem multipolaren magnetischen Material in Form von in den Kunststoff eingebetteten Partikeln als multipolares System hergestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005057574 A1 [0006]
- DE 102005057575 A1 [0007]
- DE 102015206708 A1 [0008]
