DE10306805B4

DE10306805B4 - Durchflussmengen-Messgerät

Info

Publication number: DE10306805B4
Application number: DE10306805A
Authority: DE
Inventors: Yasushi Kouno
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-02-19
Filing date: 2003-02-18
Publication date: 2013-10-31
Anticipated expiration: 2023-02-19
Also published as: US6840102B2; JP2003315130A; US20030182999A1; DE10306805A1; JP4608843B2

Abstract

Durchflussmengen-Messgerät, mit einem in einem Fluid-Durchflusskanal angeordneten Durchflussmengen-Messabschnitt (9a, 9b, 25, 26, 27, 28) zur Ermittlung einer die Durchflussmenge eines durch den Fluid-Durchflusskanal hindurch strömenden Fluids angebenden Information, einer Signalgeneratorschaltung (62, SG) zur Erzeugung eines Spannungssignals, das die Durchflussmenge auf der Basis der von dem Durchflussmengen-Messabschnitt (9a, 9b, 25, 26, 27, 28) ermittelten Information angibt, und einer Verstärkerschaltung (71, AC) zur Verstärkung des von der Signalgeneratorschaltung (62, SG) erzeugten Spannungssignals unter Verwendung eines Verstärkungsfaktors und einer Offsetspannung, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkerschaltung (71, AC) eine Verstärkungseinstellschaltung (71b, 72b) zur Einstellung des Verstärkungsfaktors und eine Offset-Einstellschaltung (71c, 72c, 72d) zur Einstellung der Offsetspannung aufweist, die Offset-Einstellschaltung (71c, 72c, 72d) die Offsetspannung als Summe einer in Abhängigkeit von der Fluidtemperatur variablen ersten Offsetspannung und einer in Bezug auf die Fluidtemperatur unveränderlichen zweiten Offsetspannung einstellt, und die Offset-Einstellschaltung (71c, 72c, 72d) derart ausgestaltet ist, dass ein Verhältnis der ersten Offsetspannung zu der zweiten Offsetspannung in Abhängigkeit von einem extern zugeführten Signal einstellbar ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Durchflussmengen-Messgerät zur Messung der Durchflussmenge eines Fluids, d. h., eines flüssigen oder gasförmigen Mediums.
Aus der JP 2000-193 505 A ist ein Durchflussmengen-Messgerät bekannt, das einen stromauf eines Heizwiderstands angeordneten temperaturempfindlichen Widerstand aufweist. Die Temperatur dieses temperaturempfindlichen Widerstands verändert sich in Abhängigkeit von der Durchflussmenge sowie der Strömungsrichtung eines Fluids und kann in Form des Widerstandswertes gemessen werden. Mit Hilfe dieses temperaturempfindlichen Widerstands kann somit sowohl die Durchflussmenge des Fluids als auch dessen Strömungsrichtung erfasst werden.
Bei diesem Verfahren ändert sich jedoch die Temperatur des temperaturempfindlichen Widerstands nur innerhalb eines kleinen Bereichs, sodass zur Verstärkung der Messspannung eine Vergrößerung des Amplitudenverhältnisses erforderlich ist. Andererseits ist eine Einstellung des Amplitudenverhältnisses auch zur Verringerung von Unterschieden oder Abweichungen in der Ausgangscharakteristik bei gefertigten Messgeräten erforderlich. Selbst bei einem sehr geringen Abgleich können hierbei jedoch beträchtliche Veränderungen des Ausgangssignals auftreten, sodass eine solche Einstellung des Ausgangssignals mit Schwierigkeiten verbunden ist.
Aus der JP H09-243 423 A ist ein weiteres Durchflussmengen-Messgerät bekannt, das einen stromauf eines Heizwiderstands angeordneten ersten temperaturempfindlichen Widerstand und einen zwischen dem ersten temperaturempfindlichen Widerstand und dem Heizwiderstand angeordneten zweiten temperaturempfindlichen Widerstand aufweist. Bei dieser Anordnung kann die Durchflussmenge eines Fluids auf der Basis der Differenz zwischen den Temperaturwerten des ersten temperaturempfindlichen Widerstands und des zweiten temperaturempfindlichen Widerstands ermittelt werden.
Bei diesem Verfahren ist jedoch ebenfalls die Verwendung eines großen Amplitudenverhältnisses erforderlich, sodass auch hier die vorstehend beschriebenen Nachteile gegeben sind.
Außerdem ist in Bezug auf die Einstellung des Amplitudenverhältnisses ein Laser-Abgleichverfahren bzw. Laser-Trimmverfahren bekannt, bei dem ein Widerstandswert abgeglichen (getrimmt) werden kann, indem ein Laserstrahl direkt auf eine auf einem Chip ausgebildete Widerstandsschicht gerichtet wird. Da hierbei jedoch die Verwendung eines aufwändigen Laser-Abgleichgerätes (Laser-Trimmgerätes) erforderlich ist, erhöhen sich entsprechend auch die Herstellungskosten des Produktes. Darüber hinaus muss der Laser-Abgleich durchgeführt werden, bevor eine Schutzschicht, Abdeckung oder dergleichen angebracht wird, d. h., bevor der Herstellungsvorgang des Produktes abgeschlossen ist. Auf diese Weise kann es zu Abweichungen der Ausgangscharakteristik während der Herstellungsvorgänge nach der Durchführung des Abgleichvorgangs kommen.
Außerdem ist ein elektrisches Abgleichverfahren bekannt, bei dem der Abgleich- oder Trimmvorgang auf elektrischem Wege erfolgt. Ein solches elektrisches Abgleichverfahren ist effektiv, wenn die Temperatur des Fluids konstant ist. Das Ausgangssignal kann sich jedoch in Abhängigkeit von Temperaturänderungen des Fluids verändern. Bei einem Luftdurchflussmengen-Messgerät zur Erfassung der Durchflussmenge von Ansaugluft der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs verändert sich z. B. die Temperatur des Fluids sehr häufig. In diesem Falle ist das elektrische Abgleichverfahren insofern nachteilig, als mit seiner Hilfe keine genaue Durchflussmengenmessung möglich ist.
Die Druckschrift JP 2001-324 364 A offenbart ein Durchflussmengen-Messgerät mit einem in dem Gas angeordneten Heizwiderstand und jeweils stromauf sowie stromab des Heizwiderstands angeordneten Temperaturwiderständen.
Weiterhin offenbart die Druckschrift DE 100 35 665 A1 ein Heizelement-Massenmesser mit einem in einer geraden Linie senkrecht zur Luftströmungsrichtung angeordneten Heizwiderstand und einem Paar von Temperaturwiderstandsmesselementen, die jeweils getrennt stromauf und stromab des Heizwiderstands angeordnet sind. Die Heizwiderstände und die Temperaturwiderstandsmesselemente sind in Bezug auf die Luftströmungsrichtung und die Richtung senkrecht zur Luftströmung symmetrisch angeordnet.
Die Druckschrift JP H07-159 214 A offenbart ein Durchflussmengen-Messgerät mit einem Heizwiderstand, einem Temperaturwiderstand und einem Referenzwiderstand, die eine Brückenschaltung zum Steuern eines Transistors bilden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Durchflussmengen-Messgerät zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe ist durch ein Durchflussmengen-Messgerät gemäß Anspruch 1 gelöst.
Weitere Merkmale und vorteilhafte Modifikationen sind in den abhängigen Patentansprüchen gezeigt.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung bestimmt eine Verstärkerschaltung des Durchflussmengen-Messgeräts einen Gesamt-Gleichspannungsanteil (Gesamt-Offsetspannung) durch Addition eines von der Fluidtemperatur abhängigen ersten Gleichspannungsanteils (erste Offsetspannung) und eines von der Fluidtemperatur unabhängigen zweiten Gleichspannungsanteils (zweite Offsetspannung). Darüber hinaus ist gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung das Verhältnis zwischen dem ersten Gleichspannungsanteil (erste Offsetspannung) und dem zweiten Gleichspannungsanteil (zweite Offsetspannung) extern einstellbar.
Auf diese Weise kann der Gleichspannungsanteil (Offsetspannung) in Abhängigkeit von der Fluidtemperatur eingestellt werden, sodass eine stabile Ausgangscharakteristik unabhängig von Änderungen der Temperatur des Fluids erhalten werden kann. Außerdem kann die Einstellung des Gleichspannungsanteils, d. h., die Offset-Einstellung auf einfachere Weise und mit geringeren Kosten erfolgen. So kann z. B. die Einstellung zur Unterdrückung von Unterschieden und Abweichungen der Ausgangscharakteristik bei jedem Produkt durchgeführt werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein Schaltbild eines Luftdurchflussmengen-Messgeräts gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 eine Draufsicht eines Sensors des ersten Ausführungsbeispiels des Luftdurchflussmengen-Messgeräts,
3 eine Querschnittsansicht des ersten Ausführungsbeispiels des Luftdurchflussmengen-Messgeräts,
4A bis 4D Querschnittsansichten, die Herstellungsschritte des Sensors gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulichen,
5 eine schematische Darstellung der Temperaturverteilung des Sensors gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
6 eine Kennlinie der Beziehung zwischen Durchflussmenge und Temperatur gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
7 eine grafische Darstellung des Amplitudenverhältnisses einer Schaltungsanordnung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
8 eine grafische Darstellung der für die Einstellung erforderlichen Genauigkeit gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
9 ein Schaltbild eines Luftdurchflussmengen-Messgeräts gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
10 eine Draufsicht eines Sensors gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
11 ein Schaltbild eines Luftdurchflussmengen-Messgeräts gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
12 eine Draufsicht eines Sensors gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
13 ein Schaltbild eines Luftdurchflussmengen-Messgeräts gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
14 eine Draufsicht eines Sensors gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
15 ein Schaltbild eines Luftdurchflussmengen-Messgeräts gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung,
16 eine Draufsicht eines Sensors gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung,
17A bis 17D Querschnittsansichten, die Herstellungsschritte des Sensors gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulichen,
18 eine grafische Darstellung, die Verstärkungsfaktor und Gleichspannungsanteil (Offsetspannung) bei dem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht,
19 eine grafische Darstellung der Abweichung der Ausgangscharakteristik bei dem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung,
20 eine grafische Darstellung des Verstärkungsfaktors und eines ersten und eines zweiten Gleichspannungsanteils (erste und zweite Offsetspannung) bei dem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung,
21 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der Ansauglufttemperatur und dem Gleichspannungsanteil (Offsetspannung) bei dem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung,
22 eine grafische Darstellung der Abweichung der Ausgangscharakteristik nach erfolgter Einstellung gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
23 eine grafische Darstellung der Abweichung der Ausgangscharakteristik nach erfolgter Einstellung bei einem Vergleichsbeispiel.
Erstes Ausführungsbeispiel:
Bei diesem ersten Ausführungsbeispiel findet das erfindungsgemäße Durchflussmengen-Messgerät bei einem Luftdurchflussmengen-Messgerät 1 zur Messung der Ansaugluft-Durchflussmenge einer Brennkraftmaschine Verwendung. Wie in 3 dargestellt ist, ist das Luftdurchflussmengen-Messgerät 1 im Ansaugrohr 3 der Brennkraftmaschine angeordnet und weist einen aus Kunstharz bzw. Kunststoff bestehenden Sensorkörper 4 sowie eine Schaltungseinheit 5 auf. Am Sensorkörper 4 ist ein Sensor 2 angebracht. In der Schaltungseinheit 5 ist eine elektrische Schaltungsanordnung angebracht, die mit dem Sensor 2 über Signalleitungen z. B. in Form einer gedruckten Schaltung elektrisch verbunden ist. Der Sensorkörper 4 ist derart angeordnet, dass er in das Ansaugrohr 3 hineinragt. Hierbei bildet der Sensorkörper 4 einen im wesentlichen U-förmigen Bypass- oder Nebenkanal 4a, durch den ein Teil der Ansaugluft im Ansaugrohr 3 strömt. Der Bypass- oder Nebenkanal 4a ist ein Fluidkanal, durch den Luft als das zu messende Fluid strömt. Der Sensor 2 ist in dem Bypass- oder Nebenkanal 4a angeordnet und der hindurchströmenden Luft ausgesetzt.
Wie in 2 dargestellt, besteht der Sensor 2 aus einem einzelnen Sensorchip aus einem Substrat 6, auf dem eine Anzahl von Widerständen ausgebildet ist. Der Sensor 2 umfasst einen Widerstand 7 zur Erfassung der Ansauglufttemperatur, der als Ansauglufttemperatur-Messwiderstand bezeichnet werden kann. Ferner umfasst der Sensor 2 einen Heizwiderstand 8, der auf einer die von dem Widerstand 7 gemessene Ansauglufttemperatur um einen vorgegebenen Temperaturwert übersteigenden höheren Temperatur gehalten wird. Weiterhin umfasst der Sensor 2 einen der von dem Heizwiderstand 8 erzeugten Wärmewirkung ausgesetzten Widerstand 9, dessen Widerstandswert sich temperaturabhängig verändert. Der Widerstand kann als temperaturempfindlicher Widerstand bezeichnet werden.
Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst der Widerstand 9 einen ersten Widerstand 9a und einen zweiten Widerstand 9b. In 2 ist mit einem Pfeilsymbol 100 die Vorwärts-Strömungsrichtung der in die Brennkraftmaschine strömenden Ansaugluft bezeichnet. Der Widerstand 7 ist stromauf des Heizwiderstands 8 angeordnet, während der erste Widerstand 9a und der zweite Widerstand 9b stromauf des Heizwiderstands 8 und benachbart zum Heizwiderstand 8 angeordnet sind.
Der Widerstand 7 ist an einer einen vorgegebenen Abstand zum Heizwiderstand 8 aufweisenden Stelle angeordnet, um eine thermische Beeinflussung durch den Heizwiderstand 8 auszuschließen. Der erste Widerstand 9a und der zweite Widerstand 9b sind dagegen an Stellen angeordnet, an denen der erste Widerstand 9a und der zweite Widerstand 9b im wesentlichen dem gleichen Betrag an Wärmewirkung durch den Heizwiderstand 8 ausgesetzt sind. Der erste Widerstand 9a und der zweite Widerstand 9b sind daher z. B. an Stellen angeordnet, die im wesentlichen den gleichen Abstand zum Heizwiderstand 8 aufweisen. Der erste Widerstand 9a und der zweite Widerstand 9b sind im wesentlichen mit einem gleichen Oberflächenbereich ausgebildet, sodass sie in Abhängigkeit von der Temperaturänderung des Heizwiderstands 8 im wesentlichen gleiche Änderungen des Widerstandswertes zeigen.
Alternativ kann der temperaturempfindliche Widerstand 9 stromab des Heizwiderstands 8 angeordnet werden oder der temperaturempfindliche Widerstand 9 kann in Form eines stromauf des Heizwiderstands 8 angeordneten Widerstands und eines stromab des Heizwiderstands 8 angeordneten Widerstands vorgesehen sein.
Ein Herstellungsvorgang des Sensors 2 ist in den 4A bis 4D veranschaulicht. Gemäß 4A wird in einem ersten Schritt eine dünne Basisschicht 10 auf der Oberfläche eines Siliciumsubstrats 6 ausgebildet. Die Basisschicht 10 wird z. B. aus einer Doppelschicht hergestellt, die eine Si₃N₄-Schicht und eine SiO₂-Schicht umfasst. Eine solche Doppelschicht hat den Vorteil, dass die mechanische Beanspruchung bzw. Belastung der Basisschicht 10 verringert wird, da sie eine einer Druckbeanspruchung ausgesetzte Schicht und eine einer Zugbeanspruchung ausgesetzte Schicht umfasst. Auf der Rückseite des Siliciumsubstrats 6 wird eine Si₃N₄-Schicht 11 ausgebildet. In einem zweiten Schritt wird zur Bildung der Widerstände 7, 8 und 9 eine Pt-Schicht 12 mittels einer Klebstoffschicht auf der Basisschicht 10 ausgebildet. Die Klebstoffschicht besteht z. B. aus einer Ti-Schicht von 50 Å (Angström). Die Pt-Schicht 12 besitzt z. B. eine Dicke von 2000 Å (Angström) und wird bei 200°C von einem Vakuum-Aufdampfgerät aufgebracht. Als Material für die Widerstände kann jedes, zur Ausbildung eines Widerstands geeignete Material Verwendung finden, wie z. B. Polysilicium, NiCr, TaN, SiC, W und Ti.
Gemäß 4B wird in einem dritten Schritt die auf der Basisschicht 10 ausgebildete Pt-Schicht 12 durch Ätzen weiter verarbeitet. Durch diesen Ätzvorgang werden die Widerstände 7, 8 und 9 in einer jeweils vorgegebenen Form ausgebildet.
Gemäß 4C wird in einem vierten Schritt eine Schutzschicht 13 auf jedem der Widerstände ausgebildet. Ähnlich der Grundschicht 10 stellt die Schutzschicht 13 eine Doppelschicht aus einer Si₃N₄-Schicht und einer SiO₂-Schicht dar. Alternativ können eine TiO₂-Schicht, eine Al₂O₃-Schicht, eine Ta₂O₅-Schicht und eine MgO-Schicht in Form einer jeweiligen Einzelschicht oder in Form einer Anordnung aus mehreren Schichten als Schutzschicht Verwendung finden, solange sie als Schutzschicht wirken.
Gemäß 4D wird in einem fünften Schritt ein Hohlraum 14 in dem Siliciumsubstrat 6 ausgebildet. Dieser Hohlraum 14 wird in einem Bereich ausgebildet, in dem der Heizwiderstand 8 und der Widerstand 9 angeordnet sind. In 2 ist der entsprechende Bereich des Hohlraums 14 durch eine gestrichelte Linie veranschaulicht. Hierbei wird z. B. die Rückseite des Siliciumsubstrats 6 durch Entfernung eines Teils der auf die Rückseite des Siliciumsubstrats 6 aufgebrachten Si₃N₄-Schicht mittels eines Ätzverfahrens freigelegt, woraufhin der Hohlraum 14 durch einen anisotropen Ätzvorgang von der Rückseite des Siliciumsubstrats 6 her unter Verwendung einer TMAH-Lösung ausgebildet wird. Der Ätzvorgang bei diesem Schritt ist jedoch nicht auf ein anisotropes Ätzen unter Verwendung einer TMAH-Lösung beschränkt, sondern es kann jedes Verfahren Verwendung finden, mit dessen Hilfe der Hohlraum 14 ausgebildet werden kann.
1 zeigt ein elektrisches Schaltbild des Luftdurchflussmengen-Messgeräts 1. Die Schaltungsanordnung gemäß 1 wird von einer in der Schaltungseinheit 5 angeordneten elektrischen Schaltung und den auf dem Sensor 2 angeordneten Widerständen 7, 8 und 9 gebildet. Die Schaltungsanordnung umfasst eine Heizsteuerschaltung 50 zur Steuerung der Temperatur des Heizwiderstands 8 auf eine Solltemperatur, die um eine vorgegebene Temperatur über der von dem Widerstand 7 gemessenen Ansauglufttemperatur liegt und z. B. 200°C beträgt. Ferner umfasst die Schaltungsanordnung eine Ausgangsschaltung 60 zur Erzeugung und Abgabe eines die Durchflussmenge bezeichnenden Spannungssignals. Zur Verstärkung der Ausgangsspannung der Ausgangsschaltung 60 ist eine Verstärkerschaltung 70 bei dieser Schaltungsanordnung vorgesehen.
Die Heizsteuerschaltung 50 umfasst eine Brückenschaltung, die aus vier zusammengeschalteten Widerständen besteht. Diese Brückenschaltung kann als zweite Brückenschaltung bezeichnet werden. Zwischen zwei mittlere Verbindungspunkte dieser Brückenschaltung ist ein Operationsverstärker 15 geschaltet, dessen Ausgang mit einem Transistor 16 verbunden ist. In der Brückenschaltung sind der Heizwiderstand 8 und ein erster Widerstand 17 mit festem Widerstandswert in Reihe geschaltet. Der Widerstand 7 und ein zweiter Widerstand 18 mit festem Widerstandswert sind ebenfalls in Reihe geschaltet. Ein Verbindungspunkt zwischen dem Heizwiderstand 8 und dem Widerstand 7 ist über den Transistor 16 mit einem positiven Stromversorgungsanschluss VCC verbunden. Ein Verbindungspunkt zwischen dem ersten Widerstand 17 und dem zweiten Widerstand 18 ist mit einem Masseanschluss GND verbunden.
Falls die Temperatur des Heizwiderstands 8 unter die vorgegebene Temperatur abfällt, verringert sich auch der Widerstandswert des Heizwiderstands, sodass eine Potentialdifferenz zwischen den mittleren Verbindungspunkten der Brückenschaltung auftritt. Der Operationsverstärker 15 erhöht sodann den über den Transistor 16 fließenden Strom in Abhängigkeit von dieser Potentialdifferenz. Dies hat zur Folge, dass der durch den Heizwiderstand 8 fließende Strom ansteigt und sich die Temperatur des Heizwiderstands 8 erhöht. Wenn hierbei die Temperatur des Heizwiderstands 8 auf die vorgegebene Temperatur ansteigt, steigt auch der Widerstandswert an und die Potentialdifferenz zwischen den mittleren Verbindungspunkten verschwindet. Der Operationsverstärker 15 schaltet ab oder verringert die Stromzufuhr zu dem Heizwiderstand 8 über den Transistor 16 in Abhängigkeit vom Verschwinden der Potentialdifferenz. Auf diese Weise wird der Heizwiderstand 8 auf die Solltemperatur eingesteuert, die um die vorgegebene Temperatur über der Ansauglufttemperatur liegt.
Die Ausgangsschaltung 60 umfasst eine Brückenschaltung, die von den Widerständen 9a, 9b und Festwiderständen 19, 20 gebildet wird und als erste Brückenschaltung bezeichnet werden kann. Diese Brückenschaltung ist derart aufgebaut, dass der erste Widerstand 9a und der zweite Widerstand 9b in diagonal einander gegenüberliegenden Zweigen angeordnet sind. Hierbei ist der Widerstand 19 mit der unteren Spannungsseite des ersten temperaturempfindlichen Widerstands 9a verbunden, während der Widerstand 20 mit der oberen Spannungsseite des zweiten temperaturempfindlichen Widerstands 9b verbunden ist. Die Widerstände 19, 20 weisen den gleichen Widerstandswert auf. Die Brückenschaltung wird von einer Konstantspannungsschaltung 60a mit einer Konstantspannung versorgt, wobei ihre beiden mittleren Verbindungspunkte mit der Verstärkerschaltung 70 verbunden sind.
Die Verstärkerschaltung 70 verstärkt die Potentialdifferenz zwischen den mittleren Verbindungspunkten der Brückenschaltung und führt sie einem Steuergerät der Brennkraftmaschine zu. Hierbei führt die Verstärkerschaltung 70 eine Verstärkung auf der Basis eines Verstärkungsfaktors sowie von Gleichspannungsanteilen bzw. Offsetspannungen durch. Die Verstärkerschaltung 70 kann z. B. von einem Differenzverstärker 70a und einer Ausgangseinstellschaltung 70b gebildet werden. Das Steuergerät der Brennkraftmaschine besitzt z. B. ein Korrelationskennfeld für die Abhängigkeit der Ausgangsspannung OUT von der Ansaugluft-Durchflussmenge und ermittelt die Durchflussmenge der Ansaugluft auf der Basis der Ausgangsspannung OUT.
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf 5 und 6 eine Beziehung zwischen der erfassten Temperatur des Widerstands 9 und der Ansaugluft-Durchflussmenge näher beschrieben. Der Heizwiderstand 8 wird angesteuert und auf die Solltemperatur eingeregelt, die um die vorgegebene Temperatur größer als die Ansauglufttemperatur ist. Sodann strömt Ansaugluft in das Ansaugrohr 3, wodurch sich die stromauf gelegene Seite des Heizwiderstands 8 abkühlt und seine Temperatur abfällt. Gleichzeitig steigt die Temperatur auf der stromab gelegenen Seite des Heizwiderstands 8 an. Der Heizwiderstand 8 erzeugt somit z. B. eine Temperaturverteilung, wie sie in 5 veranschaulicht ist. Diese Temperaturverteilung zeigt einen mit steigender Durchflussmenge größer werdenden Gradienten. In 5 ist die Temperaturverteilung im Falle einer Vorwärtsströmung 100 durch eine durchgezogene Kennlinie gekennzeichnet, während im Falle einer Rückwärtsströmung 200 eine gestrichelte Linie die Temperaturverteilung veranschaulicht.
Der Widerstand 9 zeigt in Bezug auf die stromauf gelegene Seite des Heizwiderstands 8 eine ähnliche Temperaturänderung. Die erfasste Temperatur TE des Widerstands 9 ändert sich in Abhängigkeit von sowohl der Strömungsrichtung als auch der Durchflussmenge Q in der in 6 dargestellten Weise. Die erfasste Temperatur ohne jeglichen Durchfluss, d. h., bei einer Durchflussmenge Q = 0, wird als Referenztemperatur RT bezeichnet. Bei einer Ansaugluftströmung in Vorwärtsrichtung wird die erfasste Temperatur TE kleiner als die Referenztemperatur RT, während bei einer Ansaugluftströmung in Rückwärtsrichtung die erfasste Temperatur TE größer als die Referenztemperatur RT wird. Hierbei vergrößert sich die Temperaturdifferenz zwischen der erfassten Temperatur TE des Widerstands 9 und der Referenztemperatur RT mit steigender Durchflussmenge Q unabhängig von der Strömungsrichtung der Ansaugluft. In 6 ist mit dem Bezugszeichen + die Vorwärtsströmung 100 bezeichnet, während mit dem Bezugszeichen – die Rückwärtsströmung 200 bezeichnet ist.
Nachstehend wird näher auf die Wirkungsweise und die vorteilhaften Eigenschaften des ersten Ausführungsbeispiels eingegangen. Bei dem Luftdurchflussmengen-Messgerät 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind sowohl der erste Widerstand 9a als auch der zweite Widerstand 9b in einer stromauf und benachbart zum Heizwiderstand 8 gelegenen Position angeordnet, wobei der erste Widerstand 9a und der zweite Widerstand 9b in diagonal gelegenen Zweigen der Brückenschaltung angeordnet sind. Bei dieser Anordnung vergrößert sich der Potentialpegel an einem der mittleren Verbindungspunkte der Brückenschaltung, wenn sich der Potentialpegel an dem anderen mittleren Verbindungspunkt verringert, während sich umgekehrt der Potentialpegel an einem der mittleren Verbindungspunkte der Brückenschaltung verringert, wenn sich der Potentialpegel an dem anderen mittleren Verbindungspunkt vergrößert. Durch Vornahme einer Differenzverstärkung an den beiden Potentialpegeln der mittleren Verbindungspunkte mit Hilfe der Verstärkerschaltung 70 kann somit ein größeres Ausgangssignal als bei einem üblichen Durchflussmengen-Messgerät erhalten werden.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel nehmen der erste Widerstand 9a und der zweite Widerstand 9b in Abhängigkeit von der Temperaturänderung des Heizwiderstands 8 im wesentlichen den gleichen Widerstandswert an, während die Widerstände 19, 20 den gleichen Widerstandswert besitzen. Auf diese Weise kann in Relation zu einem Vergleichsbeispiel, bei dem ein einzelner Widerstand 9 zur Temperaturerfassung Verwendung findet, ein verdoppeltes Ausgangssignal erhalten werden. Demzufolge kann bei diesem Ausführungsbeispiel die Verstärkung bzw. der Verstärkungsfaktor der Verstärkerschaltung 70 verringert werden. 7 veranschaulicht dies z. B. für das vorliegende Ausführungsbeispiel im linken Abschnitt und für das Vergleichsbeispiel im rechten Abschnitt. Wie 7 zu entnehmen ist, kann bei dem vorliegenden ersten Ausführungsbeispiel der Verstärkungsfaktor G zur Erzielung des gleichen Ausgangssignals auf die Hälfte verringert werden. Hierdurch lässt sich auch bei Änderungen der Ansauglufttemperatur eine nachteilige Beeinflussung der Temperaturcharakteristik verringern und eine beträchtliche Änderung des Ausgangssignals vermeiden, was wiederum eine genaue Durchflussmengenmessung ermöglicht.
Da die Verstärkerschaltung 70 die Potentialdifferenz zwischen den mittleren Verbindungspunkten der Brückenschaltung verstärkt, kann bei nicht vorhandenem Ansaugluftdurchfluss eine Annäherung der Ausgangsspannung an ungefähr 0 Volt erzielt werden. Somit kann ein vorgegebener Gleichspannungsanteil bzw. eine vorgegebene Offsetspannung durch einen relativ groben Einstellungsvorgang erhalten werden. So kann z. B. bei dem vorliegenden ersten Ausführungsbeispiel die erforderliche Genauigkeit zur Erzielung des vorgegebenen Gleichspannungsanteils bzw. der vorgegebenen Offsetspannung in Relation zu dem Vergleichsbeispiel in weitaus höherem Maße verringert werden. 8 veranschaulicht die zur Erzielung des vorgegebenen Gleichspannungsanteils bzw. der vorgegebenen Offsetspannung jeweils erforderliche Genauigkeit, wobei der linke Abschnitt sich auf das vorliegende erste Ausführungsbeispiel bezieht, während der rechte Abschnitt das Vergleichsbeispiel veranschaulicht.
Wie der Figur zu entnehmen ist, kann bei dem vorliegenden ersten Ausführungsbeispiel die Justierung bzw. Einstellung der Schaltungsanordnung somit auf einfache Weise erfolgen.
Nachstehend wird eine Anzahl weiterer erfindungsgemäßer Ausführungsbeispiele näher beschrieben, wobei gleiche oder entsprechende Bauelemente und Bauteile, die bereits in Verbindung mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben sind, mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet sind und nicht erneut beschrieben werden.
Zweites Ausführungsbeispiel:
In den 9 und 10 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine Ausgangsschaltung 61 vorgesehen, bei der anstelle der Widerstände 19, 20 des ersten Ausführungsbeispiels Widerstände 21, 22 Verwendung finden, deren Widerstandswert sich in Abhängigkeit von der Ansauglufttemperatur verändert. Der erste Widerstand 9a und der zweite Widerstand 9b unterliegen nicht nur der Wärmewirkung durch den Heizwiderstand 8 sondern werden auch von der Ansauglufttemperatur beeinflusst. Auf diese Weise ist die Möglichkeit gegeben, eine Verschiebung der Temperaturcharakteristik durch Verwendung der beiden Widerstände 21, 22 zu kompensieren, deren Widerstandswert in der Brückenschaltung sich in Abhängigkeit von der Ansauglufttemperatur verändert. Demzufolge kann ein stabiles Ausgangssignal auch bei Änderungen der Ansauglufttemperatur erhalten werden. Die beiden Widerstände 21, 22 werden auf dem gleichen Substrat 6 ausgebildet, auf dem auch der Widerstand 7, der Heizwiderstand 8 und der Widerstand 9 ausgebildet sind, wie dies in 10 veranschaulicht ist. Durch diese Anordnung können Abweichungen der Widerstandswerte verringert werden.
Drittes Ausführungsbeispiel:
In den 11 und 12 ist ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Bei diesem dritten Ausführungsbeispiel ist eine Heizsteuerschaltung 51 vorgesehen, bei der anstelle der Widerstände 17, 18 des ersten Ausführungsbeispiels ein erster Widerstand 17a und ein zweiter Widerstand 18a Verwendung finden. Die Widerstände 17a, 18a sind auf dem Substrat 6 ausgebildet und an einer Stelle angeordnet, bei der kaum eine Beeinflussung durch die Ansauglufttemperatur gegeben ist. Hierbei können die Widerstände 17a, 18a abgedeckt bzw. ummantelt sein, damit sie nicht mit der Ansaugluft in Berührung treten. Der erste Widerstand 17a und der zweite Widerstand 18a sind zusammen mit dem Widerstand 7 und dem Heizwiderstand 8 auf dem gleichen Substrat 6 ausgebildet. Auf diese Weise können Abweichungen des Widerstandswertes so gering wie möglich gehalten werden, sodass kein Abgleich von Widerstandsschwankungen bei jedem Produkt erforderlich ist. Hierdurch kann z. B. ein Justieren bzw. Abgleichen der Schaltungsanordnung sowie ein Widerstandsabgleichvorgang z. B. durch einen Laser-Trimmvorgang entfallen.
Viertes Ausführungsbeispiel:
In den 13 und 14 ist ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine Verstärkerschaltung 71 vorgesehen, deren Amplitudenverhältnis durch den Verstärkungsfaktor und den nachstehend als Offsetspannung bezeichneten Gleichspannungsanteil definiert ist. Die Verstärkerschaltung 71 ist derart ausgestaltet, dass mit Hilfe eines elektrischen Abgleichverfahrens der Verstärkungsfaktor und die Offsetspannung einstellbar sind.
Bei diesem elektrischen Abgleichverfahren wird eine externe Einstellschaltung mit einem elektrischen Abgleichanschluss 23 verbunden, nachdem die Herstellung des Bauteils abgeschlossen ist. Mittels der externen Einstellschaltung werden über den elektrischen Abgleichanschluss 23 Daten in eine Speichereinrichtung 71a der Verstärkerschaltung 71 eingeschrieben, die z. B. als nichtflüchtiger Speicher ausgestaltet ist. Die Verstärkerschaltung 71 nimmt dann eine Einstellung des Ausgangssignals auf der Basis der in der Speichereinrichtung abgespeicherten Daten vor. Diese Daten umfassen den Verstärkungsfaktor und die Offsetspannung, wobei z. B. digitale Signale in serieller Form oder Analogsignale Verwendung finden können.
Die Verstärkerschaltung 71 umfasst eine Verstärkungs-Einstellschaltung 71b zur Durchführung eines Verstärkungseinstellvorgangs durch Veränderung einer Spannung, d. h., einer Verstärkungsspannung, die dem temperaturempfindlichen Widerstand 9 zugeführt wird. Weiterhin umfasst die Verstärkerschaltung 71 eine Offset-Einstellschaltung 71c zur Durchführung eines Offset-Einstellvorgangs durch Veränderung einer Offsetspannung. Das Amplitudenverhältnis wird auf einen vorgegebenen Verhältniswert eingestellt, indem die Verstärkungsspannung und die Offsetspannung auf der Basis der in der Speichereinrichtung 71a gespeicherten Daten verändert werden. Da bei diesem elektrischen Abgleichverfahren das Amplitudenverhältnis der Verstärkerschaltung 71 durch ein extern gebildetes elektrisches Signal eingestellt wird, erübrigt sich die Verwendung eines aufwändigen Laser-Abgleichgeräts bzw. -Trimmgeräts, sodass die Justierung der Schaltungsanordnung mit geringen Kosten auf einfache Weise erfolgen kann.
Da jedoch gemäß dem bei diesem Ausführungsbeispiel erfolgenden elektrischen Abgleichverfahren die an den temperaturempfindlichen Widerstand 9 angelegte Spannung bei der Verstärkungseinstellung verändert wird, verändert sich die Temperaturcharakteristik und damit die Änderung des Ausgangssignals in Abhängigkeit von der Ansaugluftmenge. Zur Vermeidung dieses Nachteils findet bei der Verstärkerschaltung 71 dieses Ausführungsbeispiels eine Veränderung der Offsetspannung in Abhängigkeit von der Ansauglufttemperatur statt.
Wie 13 zu entnehmen ist, weist die Verstärkerschaltung 71 einen Widerstand 24 auf, dessen Widerstandswert sich in Abhängigkeit von der Ansauglufttemperatur ändert. Die Offset-Einstellschaltung 71c bildet die Offsetspannung mit Hilfe einer ersten Offsetspannung, die sich in Abhängigkeit von der erfassten Temperatur des Widerstands 24 ändert, und einer zweiten Offsetspannung, die konstant ist. Das Verhältnis zwischen der ersten Offsetspannung und der zweiten Offsetspannung ist einstellbar. Der Widerstand 24 ist in der in 14 dargestellten Weise zusammen mit den anderen Widerständen auf dem gleichen Substrat 6 ausgebildet. Dies hat zur Folge, dass die Offsetspannung eine temperaturabhängige Charakteristik aufweist. Demzufolge können durch den Verstärkungseinstellvorgang entstehende Fehleranteile durch den Offset-Einstellvorgang unterdrückt werden. Auch bei einer Einstellung des Amplitudenverhältnisses mit Hilfe des elektrischen Abgleichverfahrens ändert sich das Ausgangssignal somit kaum in Abhängigkeit von der Ansauglufttemperatur, sodass eine genaue Durchflussmengenmessung gewährleistet ist.
Alternativ kann die Verstärkerschaltung 71 des vierten Ausführungsbeispiels auch in Verbindung mit dem ersten, zweiten oder dritten Ausführungsbeispiel Verwendung finden.
Die Verstärkerschaltung 71 kann auch mit einer Ausgangsschaltung und einer Heizsteuerschaltung kombiniert werden, die in Bezug auf das erste, zweite und dritte Ausführungsbeispiel einen unterschiedlichen Schaltungsaufbau aufweisen. So besteht z. B. die Möglichkeit, bei einem Gerät, das einen Heizwiderstand und einen stromauf und benachbart zum Heizwiderstand angeordneten temperaturempfindlichen Widerstand aufweist, einen stromab und benachbart zum Heizwiderstand angeordneten temperaturempfindlichen Widerstand in Verbindung mit einer Brückenschaltung zu verwenden, in der die temperaturempfindlichen Widerstände in benachbarten Positionen angeordnet sind.
Fünftes Ausführungsbeispiel:
In den 15, 16 und 17 ist ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht, bei dem ein Sensor 2 Verwendung findet, der die Durchflussmenge der Ansaugluft sowie die Strömungsrichtung der Ansaugluft angebende Ausgangssignalinformationen abgibt. Wie 16 zu entnehmen ist, umfasst der Sensor 2 ein Substrat 6, das aus einem einzigen Halbleiterplättchen aus z. B. Silicium besteht. Das Substrat 6 ist auf seiner Oberfläche mit einer Anzahl von Widerständen versehen, die eine Anzahl von Heizelementen sowie eine Anzahl von Temperatursensoren darstellen.
Auf dem Substrat 6 sind ein stromauf gelegenes Heizelement 26 und ein stromauf gelegener Temperatursensor 25 ausgebildet, die zusammen einen ersten Durchflussmengen-Messabschnitt bilden. Ferner sind auf dem Substrat 6 ein stromab gelegenes Heizelement 28 und ein stromab gelegener Temperatursensor 27 ausgebildet, die zusammen einen zweiten Durchflussmengen-Messabschnitt bilden. Weiterhin sind auf dem Substrat 6 ein Korrektur-Temperatursensor 29 sowie Leiterbahnen L1 bis L8 ausgebildet, die jeweilige Kontaktflächen P1 bis P8 aufweisen, die als Verbindungsanschlüsse für die Schaltungseinheit 5 dienen.
Das stromauf gelegene Heizelement 26 sowie das stromab gelegene Heizelement 28 werden jeweils von einem Widerstand gebildet, der Wärme in Abhängigkeit von der Stromzufuhr erzeugt. Gleichzeitig wirkt das stromauf gelegene Heizelement 26 sowie das stromab gelegene Heizelement 28 jeweils als temperaturempfindliches Bauelement zur Temperaturermittlung auf der Basis eines variablen Koeffizienten zwischen Widerstandswert und Temperatur. Das stromauf gelegene Heizelement 26 und das stromab gelegene Heizelement 28 sind enger als die Leiterbahnen L2, L3, L6 und L7 ausgebildet.
Der stromauf gelegene Temperatursensor 25 und der stromab gelegene Temperatursensor 27 werden jeweils von einem Widerstand zur Erfassung der Ansauglufttemperatur gebildet. Hierbei sind der stromauf gelegene Temperatursensor 25 und der stromab gelegene Temperatursensor 27 in einem vorgegebenen Abstand zu dem stromauf gelegenen Heizelement 26 und dem stromab gelegenen Heizelement 28 angeordnet, um eine thermische Beeinflussung durch das stromauf gelegene Heizelement 26 und das stromab gelegene Heizelement 28 zu vermeiden. Der stromauf gelegene Temperatursensor 25 und der stromab gelegene Temperatursensor 27 sind zur Erzielung einer vorgegebenen Länge in Schleifenform angeordnet.
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf die 17A bis 17D ein Herstellungsvorgang des Sensors 2 näher beschrieben. Wie 17A zu entnehmen ist, entsprechen ein erster Herstellungsschritt und ein zweiter Herstellungsschritt dem Ablauf gemäß 4A des ersten Ausführungsbeispiels. In einem dritten Herstellungsschritt werden das stromauf gelegene Heizelement 26, das stromab gelegene Heizelement 28, der stromauf gelegene Temperatursensor 25, der stromab gelegene Temperatursensor 27, der Korrektur-Temperatursensor 29 sowie die Leiterbahnen L1 bis L8 durch einen Ätzvorgang in der in 17B veranschaulichten Weise ausgebildet. In einem in 17C veranschaulichten vierten Herstellungsschritt wird eine Schutzschicht 13 ausgebildet. In einem in 17D veranschaulichten fünften Herstellungsschritt wird ein Hohlraum 14 in dem Substrat 6 ausgebildet. Die Ausbildung des Hohlraums 14 führt außerdem zur Bildung eines Membranabschnitts MB über einem Bereich, in dem das stromauf gelegene Heizelement 26 und das stromab gelegene Heizelement 28 angeordnet sind. Der Membranabschnitt MB besitzt eine kleinere Wärmekapazität, da er eine geringere Dicke als die anderen Teile des Sensors 2 aufweist. Außerdem wird durch den Membranabschnitt MB eine Wärmeisolierung erzielt. Das stromauf gelegene Heizelement 26 und das stromab gelegene Heizelement 28 können somit ein gutes Ansprechverhalten bei Änderungen der Durchflussmenge der Ansaugluft zeigen.
Die Schaltungseinheit 5 umfasst in der in 15 dargestellten Weise eine Signalgeneratorschaltung SG und eine Verstärkerschaltung AC. Die Signalgeneratorschaltung SG erzeugt auf der Basis der vom Sensor 2 erhaltenen Informationen ein elektrisches Signal, wie z. B. ein Spannungssignal, das die Durchflussmenge und die Strömungsrichtung angibt. Die Verstärkerschaltung AC verstärkt das von der Signalgeneratorschaltung SG erzeugte elektrische Signal. Das von der Verstärkerschaltung AC verstärkte elektrische Signal wird sodann über einen Ausgangsanschluss 30 einem Steuergerät der Brennkraftmaschine zugeführt.
Die Signalgeneratorschaltung SG umfasst eine stromauf gelegene Brückenschaltung UHB, eine stromab gelegene Brückenschaltung DHB sowie eine Differenzverstärkerschaltung COP. Die stromauf gelegene Brückenschaltung OHB wie auch die stromab gelegene Brückenschaltung DHB sind in beiden Fällen eine Wheatstone-Brückenschaltung.
Die stromauf gelegene Brückenschaltung UHB wird von dem stromauf gelegenen Heizelement 26, einem mit dem stromauf gelegenen Heizelement 26 in Reihe geschalteten Widerstand 32, dem stromauf gelegenen Temperatursensor 25 und einem mit dem stromauf gelegenen Temperatursensor 25 in Reihe geschalteten Widerstand 31 gebildet. Ein Verbindungspunkt Pa zwischen dem stromauf gelegenen Heizelement 26 und dem stromauf gelegenen Temperatursensor 25 ist über einen Transistor 33 mit dem positiven Stromversorgungsanschluss VCC verbunden, während ein Verbindungspunkt UG zwischen dem Widerstand 31 und dem Widerstand 32 mit dem Masseanschluss GND verbunden ist. Die beiden mittleren Verbindungspunkte Ua, Ub sind mit einem Operationsverstärker 34 verbunden. Dem Operationsverstärker 34 wird somit der durch den Spannungsabfall am stromauf gelegenen Heizelement 26 gegebene Potentialpegel am mittleren Verbindungspunkt Ub sowie der durch den Spannungsabfall am stromauf gelegenen Temperatursensor 25 gegebene Potentialpegel am mittleren Verbindungspunkt Ua eingangsseitig zugeführt. Hierbei steuert der Operationsverstärker 34 den Transistor 33 dahingehend, dass der Spannungsabfall an dem stromauf gelegenen Heizelement 26 und der Spannungsabfall an dem stromauf gelegenen Temperatursensor 25 gleich werden, d. h., der Operationsverstärker 34 steuert den Transistor 33 derart, dass die Abgleichbedingung der stromauf gelegenen Brückenschaltung UHB erfüllt ist.
Die stromauf gelegene Brückenschaltung UHB ist dahingehend ausgestaltet, dass die Temperatur des stromauf gelegenen Heizelements 26 um eine vorgegebene Temperatur von z. B. 200°C höher als die von dem stromauf gelegenen Temperatursensor 25 erfasste Ansauglufttemperatur ist, wenn die Abgleichbedingung erhalten wird. Zur Erfüllung der Abgleichbedingung, wenn die Temperatur des stromauf gelegenen Heizelements 26 um eine vorgegebene Temperatur über der von dem stromauf gelegenen Temperatursensor 25 erfassten Ansauglufttemperatur liegt, weisen das stromauf gelegene Heizelement 26 und der stromauf gelegene Temperatursensor 25 außerdem den gleichen Widerstands-Temperaturkoeffizienten auf.
Die stromab gelegene Brückenschaltung DHB wird von dem stromab gelegenen Heizelement 28, einem mit dem stromab gelegenen Heizelement 28 in Reihe geschalteten Widerstand 36, dem stromab gelegenen Temperatursensor 27 und einem mit dem stromab gelegenen Temperatursensor 27 in Reihe geschalteten Widerstand 35 gebildet. Ein Verbindungspunkt Pb zwischen dem stromab gelegenen Heizelement 28 und dem stromab gelegenen Temperatursensor 27 ist über einen Transistor 37 mit dem positiven Stromversorgungsanschluss VCC verbunden, während ein Verbindungspunkt DG zwischen dem Widerstand 35 und dem Widerstand 36 mit dem Masseanschluss GND verbunden ist. Die beiden mittleren Verbindungspunkte Da, Db sind mit einem Operationsverstärker 38 verbunden. Die Wirkungsweise des Operationsverstärkers 38 und die Wirkungsweise der stromab gelegenen Brückenschaltung DHB entsprechen der Wirkungsweise der stromauf gelegenen Brückenschaltung.
Der Differenzverstärkerschaltung COP wird eingangsseitig der von der stromauf gelegenen Brückenschaltung OHB ermittelte Potentialpegel und der von der stromab gelegenen Brückenschaltung DHB ermittelte Potentialpegel, z. B. der Potentialpegel am mittleren Verbindungspunkt Ub und der Potentialpegel am mittleren Verbindungspunkt Db, zugeführt. Die Differenzverstärkerschaltung COP erzeugt dann ein Signal, das der Potentialdifferenz zwischen dem Potentialpegel am mittleren Verbindungspunkt Ub und dem Potentialpegel am mittleren Verbindungspunkt Db entspricht.
Die Verstärkerschaltung AC verstärkt das Ausgangssignal der Differenzverstärkerschaltung COP und führt hierbei eine Verstärkung auf der Basis eines Verstärkungsfaktors und eines nachstehend als Offsetspannung bezeichneten Gleichspannungsanteils durch. In 18 ist eine Beziehung zwischen der Durchflussmenge und der Ausgangsspannung veranschaulicht. Die durchgezogene Linie (a) zeigt das Ausgangssignal der Differenzverstärkerschaltung COP. Mit Hilfe der Verstärkerschaltung AC wird ein vorgegebenes Verstärkungsverhältnis entsprechend dem Verstärkungsfaktor erzielt. Außerdem wird durch die Verstärkerschaltung AC ein vorgegebener Verstärkungsbetrag entsprechend der Offsetspannung erhalten. Dies hat zur Folge, dass die Verstärkerschaltung AC ein Ausgangssignal abgibt, wie es durch die durchgezogene Kennlinie (b) veranschaulicht ist. Eine Analog-Digital-Umsetzung (0–5 (V)) im Steuergerät der Brennkraftmaschine kann auf Grund eines geringen Signalpegels des Ausgangssignals (a) des Differenzverstärkers COP zu einem Bitfehler führen. Das Ausgangssignal (b) der Verstärkerschaltung AC besitzt daher einen ausreichenden Betrag, der für die Analog-Digital-Umsetzung zur Verfügung steht. Außerdem ist der Dynamikbereich des Ausgangssignals der Verstärkerschaltung AC derart ausgelegt, dass er einen für die Verwendung in der Praxis ausreichenden Bereich umfasst.
Außerdem kann es erforderlich sein, das Amplitudenverhältnis eines jeden Produktes bzw. Gerätes auf Grund von Abweichungen der Widerstandswerte einzustellen. Die Einstellung des Amplitudenverhältnisses erfolgt durch ein extern zugeführtes elektrisches Signal. So werden z. B. über einen mit der Verstärkerschaltung AC verbundenen Einstellanschluss 39 Daten zur Erzielung eines vorgegebenen Amplitudenverhältnisses in eine Speichereinrichtung 72a der Verstärkerschaltung AC eingeschrieben. Die Verstärkerschaltung AC stellt sodann den Verstärkungsfaktor und die Offsetspannung auf der Basis der eingeschriebenen Daten ein. Die Verstärkerschaltung AC umfasst hierbei einen Verstärkerabschnitt 72b zur Verstärkung des Eingangssignals entsprechend dem Verstärkungsfaktor. Weiterhin umfasst die Verstärkerschaltung AC einen ersten Offsetspannungsabschnitt 72c, durch den dem Ausgangssignal eine erste Offsetspannung entsprechend der ermittelten Temperatur des Korrektur-Temperatursensors 29 hinzugefügt wird. Ferner umfasst die Verstärkerschaltung AC einen zweiten Offsetspannungsabschnitt 72d, durch den dem Ausgangssignal eine temperaturunabhängige zweite Offsetspannung hinzugefügt wird. Dem Ausgangssignal wird somit eine Gesamt-Offsetspannung hinzugefügt, die die Summe der ersten Offsetspannung und der zweiten Offsetspannung darstellt. Die Offsetspannungsabschnitte 72c, 72d werden entsprechend den in der Speichereinrichtung 72a gespeicherten Daten eingestellt. Die erste Offsetspannung, die zweite Offsetspannung sowie ein Verhältnis zwischen der ersten Offsetspannung und der zweite Offsetspannung sind somit einstellbar.
Außerdem ändert sich die Ausgangscharakteristik in Relation zur Durchflussmenge in Abhängigkeit von der Ansauglufttemperatur. 19 ist eine grafische Darstellung, die die Abweichung DV (%) des Ausgangssignals veranschaulicht. Diese Abweichung DV (%) wird in Relation zu einem Referenzwert erhalten, der den Wert des Ausgangssignals bei einer Ansauglufttemperatur von 20°C darstellt. 19 zeigt die Abweichung DV (%) des Ausgangssignals, wenn die Ansauglufttemperatur 80°C beträgt. Es ist somit wünschenswert, die Abweichung DV auf dem Wert 0 zu halten. Da sich jedoch die Abweichung DV in der in 19 veranschaulichten Weise ergibt, ist eine Korrektur erforderlich. Darüber hinaus ergeben sich Differenzen der Abweichung DV bei Bauteilen bzw. Produkten, wie sie in 19 durch Nr. 1, Nr. 2 und Nr. 3 veranschaulicht sind. Somit ist eine Korrektur der Temperaturcharakteristik bei jedem Bauteil bzw. Produkt erforderlich. Die nachstehend noch näher beschriebenen 22 und 23 zeigen ebenfalls die Abweichung DV (%) des Ausgangssignals bei 80°C, wobei das bei 20°C erhaltene Ausgangssignal als Referenzwert dient.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Wert der Offsetspannung in der Verstärkerschaltung AC bestimmt, um eine Temperaturkorrekturkomponente zu erhalten. Weiterhin wird die Gesamt-Offsetspannung durch Einstellung eines Verhältnisses der Temperaturkorrekturkomponente bestimmt. So kann z. B. die Gesamt-Offsetspannung berechnet werden, indem die als Temperaturkorrekturkomponente erhaltene erste Offsetspannung und die für andere Komponenten als die Temperaturkorrekturkomponente erhaltene zweite Offsetspannung addiert werden. Das Ausgangssignal der Verstärkerschaltung AC wird dann in der in 20 dargestellten Weise auf der Basis der ersten Offsetspannung und der zweiten Offsetspannung erhalten. Außerdem wird das Verhältnis zwischen der ersten Offsetspannung und der zweiten Offsetspannung eingestellt. So kann z. B. eine Offset-Kennlinie erhalten werden, wie sie in 21 dargestellt ist. In 21 ist über der Abszisse die Ansauglufttemperatur TI und über der Ordinate die Offsetspannung aufgetragen. Mit RI ist an der Abszisse der Referenzwert der Ansauglufttemperatur bezeichnet. Die durchgezogene Kennlinie veranschaulicht die Offsetspannung, wenn das Einstellverhältnis der ersten Offsetspannung 100% beträgt, während die gestrichelte Kennlinie die Offsetspannung veranschaulicht, wenn das Einstellverhältnis der ersten Offsetspannung 50% beträgt. Die strichpunktierte Kennlinie zeigt die Offsetspannung, wenn das Einstellverhältnis der ersten Offsetspannung 0% und das Einstellverhältnis der zweiten Offsetspannung 100% beträgt.
Hierbei wird die erste Offsetspannung mittels eines variablen Stellwiderstands eingestellt, dessen Widerstandswert entsprechend der von dem Korrektur-Temperatursensor 29 ermittelten Ansauglufttemperatur verändert wird. Dieser variable Stellwiderstand kann als erster Offsetbereich bezeichnet werden. Ein Festwiderstand, dessen Widerstandswert sich nicht entsprechend der von dem Korrektur-Temperatursensor 29 ermittelten Ansauglufttemperatur verändert, dient zur Einstellung der zweiten Offsetspannung. Der Festwiderstand kann als zweiter Offsetbereich bezeichnet werden.
Das Verhältnis zwischen dem variablen Stellwiderstand und dem Festwiderstand kann mit Hilfe des Einstellanschlusses 39 verändert werden, sodass auf diese Weise eine Einstellung des Verhältnisses zwischen der ersten Offsetspannung und der zweiten Offsetspannung erfolgen kann.
Durch diesen Aufbau des beschriebenen Ausführungsbeispiels kann somit dem Amplitudenverhältnis der Verstärkerschaltung AC eine Temperaturabhängigkeit hinzugefügt werden. Auf diese Weise kann auch bei einer veränderlichen Ansauglufttemperatur die Abweichung des Ausgangssignals verringert werden. Hierbei besteht z. B. die Möglichkeit, diese Abweichung im wesentlichen auf 0% zu verringern.
Da die Temperaturabhängigkeit des Amplitudenverhältnisses bei jedem Gerät bzw. Produkt einstellbar ist, lassen sich Abweichungen zwischen den gefertigten Produkten verringern. So können z. B. Unterschiede zwischen den gefertigten Produkten durch Einstellung des Verhältnisses zwischen der ersten Offsetspannung und der zweiten Offsetspannung verringert werden. Auf diese Weise lassen sich Unterschiede zwischen den Produkten Nr. 1, Nr. 2 und Nr. 3 in der in 22 veranschaulichten Weise verringern. Wenn die Temperaturabhängigkeit des Amplitudenverhältnisses nicht bei jedem Gerät bzw. Produkt eingestellt oder justiert wird, ist eine genaue Durchflussmengenmessung mit Schwierigkeiten verbunden. Wenn z. B. der Einstellvorgang bzw. Justiervorgang für das Amplitudenverhältnis des Produkts Nr. 1 bei den anderen Produkten Nr. 2 und Nr. 3 in der gleichen Weise Anwendung findet, treten Verschiebungen der in 19 dargestellten Abweichung in der in 23 veranschaulichten Weise auf. Auf diese Weise können somit die Unterschiede zwischen den gefertigten Geräten bzw. Produkten nicht beseitigt werden.
Da der Korrektur-Temperatursensor 29 auf dem Sensor 2 ausgebildet ist, kann eine geeignete Korrektur erfolgen, auch wenn die Ansauglufttemperatur Übergangsverhalten zeigt.
Das erfindungsgemäße Durchflussmengen-Messgerät kann nicht nur als Luftdurchflussmengen-Messgerät 1 für ein Kraftfahrzeug Verwendung finden, sondern auch für andere Anwendungszwecke herangezogen werden, die ein Gasdurchflussmengen-Messgerät zur Messung einer Verbrauchsmenge eines als Brennstoff dienenden Gases, ein Luftdurchflussmengen-Messgerät zur Messung einer einem Heisswasser-Aufbereitungsgerät zugeführten Luftmenge und dergleichen betreffen.
Das vorstehend beschriebene Durchflussmengen-Messgerät (1) umfasst somit zwei Messabschnitte (9a, 9b, 26, 28) zur Erzeugung von Signalen, die jeweils die Durchflussmenge angeben. Die Ausgangssignale der beiden Messabschnitte werden einer Differenzverstärkung (70a, COP) unterzogen und ausgegeben. Auf diese Weise kann ein starkes Ausgangssignal erhalten werden, was wiederum die Verringerung des Amplitudenverhältnisses eines Verstärkerabschnitts ermöglicht. Hierdurch vereinfacht sich die Einstellung bzw. die Justierung des Verstärkerabschnitts. Eine Anzahl von Widerständen, die die Messabschnitte bilden, können auf einem einzigen Substrat (6) durch den gleichen Herstellungsvorgang ausgebildet werden. Auf diese Weise können Abweichungen bei den Widerständen verringert werden. Weiterhin kann das Durchflussmengen-Messgerät derart ausgestaltet sein, dass der Verstärkungsfaktor und der Gleichspannungsanteil bzw. die Offsetspannung des Verstärkerabschnitts einstellbar sind. Die Ausgangscharakteristik des Durchflussmengen-Messgeräts kann durch Einstellen des Verstärkungsfaktors und der Offsetspannung justiert werden. Hierbei kann die Offsetspannung eine erste Offsetspannungskomponente, die sich in Abhängigkeit von der Temperatur (24, 29) des das Messobjekt darstellenden Fluids verändert, und eine zweite Offsetspannungskomponente umfassen, die konstant und temperaturunabhängig ist. Die erste Offsetspannungskomponente verändert sich in Abhängigkeit von der Temperatur des Fluids, um die Temperaturabhängigkeit der Ausgangscharakteristik zu verringern. Auf diese Weise lässt sich eine genaue Durchflussmengenmessung erzielen.

Claims

Durchflussmengen-Messgerät, mit einem in einem Fluid-Durchflusskanal angeordneten Durchflussmengen-Messabschnitt (9a, 9b, 25, 26, 27, 28) zur Ermittlung einer die Durchflussmenge eines durch den Fluid-Durchflusskanal hindurch strömenden Fluids angebenden Information, einer Signalgeneratorschaltung (62, SG) zur Erzeugung eines Spannungssignals, das die Durchflussmenge auf der Basis der von dem Durchflussmengen-Messabschnitt (9a, 9b, 25, 26, 27, 28) ermittelten Information angibt, und einer Verstärkerschaltung (71, AC) zur Verstärkung des von der Signalgeneratorschaltung (62, SG) erzeugten Spannungssignals unter Verwendung eines Verstärkungsfaktors und einer Offsetspannung, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkerschaltung (71, AC) eine Verstärkungseinstellschaltung (71b, 72b) zur Einstellung des Verstärkungsfaktors und eine Offset-Einstellschaltung (71c, 72c, 72d) zur Einstellung der Offsetspannung aufweist, die Offset-Einstellschaltung (71c, 72c, 72d) die Offsetspannung als Summe einer in Abhängigkeit von der Fluidtemperatur variablen ersten Offsetspannung und einer in Bezug auf die Fluidtemperatur unveränderlichen zweiten Offsetspannung einstellt, und die Offset-Einstellschaltung (71c, 72c, 72d) derart ausgestaltet ist, dass ein Verhältnis der ersten Offsetspannung zu der zweiten Offsetspannung in Abhängigkeit von einem extern zugeführten Signal einstellbar ist.
Durchflussmengen-Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Offset-Einstellschaltung (71c, 72c, 72d) einen Widerstand (24, 29) aufweist, dessen Widerstandswert sich in Abhängigkeit von der Fluidtemperatur verändert, und dass die erste Offsetspannung durch diesen Widerstand (24, 29) eingestellt wird.
Durchflussmengen-Messgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand (24, 29) zusammen mit dem Durchflussmengen-Messabschnitt (9a, 9b, 25, 26, 27, 28) auf einem gleichen Substrat (6) ausgebildet ist.
Durchflussmengen-Messgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand (24, 29) in einer Position angeordnet ist, in der er kaum einem thermischen und elektrischen Einfluss durch den Durchflussmengen-Messabschnitt (9a, 9b, 25, 26, 27, 28) ausgesetzt ist.
Durchflussmengen-Messgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkerschaltung (71, AC) einen Einstellanschluss (23, 39) zur Eingabe eines Signals für die Einstellung zumindest entweder des Verstärkungsfaktors für die Verstärkungseinstellschaltung (71b, 72b) oder der Offsetspannung für die Offset-Einstellschaltung (71c, 72c, 72d) aufweist.
Durchflussmengen-Messgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflussmengen-Messabschnitt (9a, 9b, 25, 26, 27, 28) einen ersten Durchflussmengen-Messabschnitt (25, 26) zur Ermittlung einer die Durchflussmenge angebenden Information und einen stromab des ersten Durchflussmengen-Messabschnitts (25, 26) angeordneten zweiten Durchflussmengen-Messabschnitt (27, 28) zur Ermittlung einer die Durchflussmenge angebenden Information aufweist, und dass die Signalgeneratorschaltung (SG) das die Durchflussmenge des Fluids angebende Signal auf der Basis der von dem ersten Durchflussmengen-Messabschnitt (25, 26) ermittelten Fluid-Durchflussmengeninformation und der von dem zweiten Durchflussmengen-Messabschnitt (27, 28) ermittelten Fluid-Durchflussmengeninformation erzeugt.
Durchflussmengen-Messgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflussmengen-Messabschnitt (9a, 9b, 25, 26, 27, 28) einen Fluidtemperatur-Messwiderstand (7) zur Ermittlung der Temperatur eines Fluids, einen Heizwiderstand (8), dessen Temperatur auf einen um eine vorgegebene Temperatur höheren Temperaturwert als der ermittelte Temperaturwert der Fluidtemperatur eingesteuert wird, und einen benachbart zum Heizwiderstand (8) angeordneten temperaturempfindlichen Widerstand (9a, 9b), dessen Widerstandswert sich temperaturabhängig verändert, aufweist, wobei die Fluid-Durchflussmengeninformation über den temperaturempfindlichen Widerstand (9a, 9b) abgegeben wird.