DE10324292A1

DE10324292A1 - Messelement für einen Durchflusssensor, insbesondere einen Luftmassensensor für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE10324292A1
Application number: DE10324292A
Authority: DE
Inventors: Uwe Konzelmann; Tobias Lang
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-05-21
Filing date: 2003-05-21
Publication date: 2004-12-16
Anticipated expiration: 2023-05-22
Also published as: US6981411B2; FR2855260B1; FR2855260A1; US20040255667A1; JP2004347590A; DE10324292B4

Abstract

Es wird ein Messelement (11) für einen Durchflusssensor vorgeschlagen, bei dem die Zahl der Anschlüsse minimiert wird, so dass die Abmessungen des Messelements (11) verringert werden können.

Description

Aus der EP 0 955 524 A2 ist ein Durchflusssensor zur Ermittlung der von einer Brennkraftmaschine angesaugten Luftmasse mit zwei Heizwiderständen sowie zwei Referenztemperatursensoren bekannt. Mit Hilfe der Referenztemperatursensoren wird die Temperatur der am Durchflusssensor vorbeiströmenden Luft erfasst, bevor die Luft über die Heizwiderstände strömt. Die beiden Heizwiderstände werden zur Messung der über den Durchflusssensor strömenden Luftmasse eingesetzt. Dabei nutzt man den Effekt aus, dass der in Strömungsrichtung erste Heizwiderstand die über ihn strömende Luft erwärmt und infolgedessen der in Strömungsrichtung zweite Heizwiderstand weniger Heizenergie als der erste Heizwiderstand benötigt, um eine vorgegebene Temperatur zu erreichen. Die Abkühlung des in Strömungsrichtung ersten Heizwiderstandes führt zu einem reduzierten elektrischen Widerstand dieses Heizwiderstands, während der zweite Heizwiderstand mit der von der durch den ersten Heizwiderstand erwärmten Luft nur wenig abgekühlt wird, so dass der elektrische Widerstand des zweiten Heizwiderstands, bei sonst gleichen Ausgangsbedingungen, größer ist als der des ersten Heizwiderstands. Aus der Differenz der temperaturabhängigen Widerstände des ersten Heizwiderstands und des zweiten Heizwiderstands oder aus der Differenz der zur Aufrechterhaltung konstanter (Über)-Temperaturen wird auf die an dem Durchflusssensor vorbeiströmende Luftmasse geschlossen.

Es ist weiter bekannt, jedem Heizwiderstand einen eigenen Temperatursensor zuzuordnen, mit dem die Temperatur des Heizwiderstands gemessen wird.

Bei dieser Schaltung gibt es demzufolge zwei Heizwiderstände, zwei Temperatursensoren und zwei Referenztemperatursensoren mit insgesamt 2·6 = 12 Anschlüssen. Wenn diese 12 Anschlüsse auf einem Chip untergebracht werden sollen, wird die Größe des Chips unter anderem durch die Zahl der Anschlüsse vorgegeben. Die Kosten eines Chips hängen unter anderem auch von dessen Größe ab.

Vorteile der Erfindung

Bei einem erfindungsgemäßen Messelement für einen Durchflusssensor mit einem Masseanschluss und fünf weiteren Anschlüssen, mit einem Referenztemperatursensor zur Ermittlung der Umgebungstemperatur, wobei der Referenztemperatursensor mit dem Masseanschluss und dem ersten Anschluss elektrisch verbunden ist, mit einem ersten Heizwiderstand, wobei der erste Heizwiderstand mit dem Masseanschluss und dem zweiten Anschluss elektrisch verbunden ist, mit einem ersten Temperatursensor, wobei der erste Temperatursensor mit dem Masseanschluss und dem dritten Anschluss elektrisch verbunden ist, mit einem zweiten Heizwiderstand, wobei der zweite Heizwiderstand mit dem Masseanschluss und dem sechsten Anschluss elektrisch verbunden ist und mit einem zweiten Temperatursensor, wobei der zweite Temperatursensor mit dem Masseanschluss und dem fünften Anschluss elektrisch verbunden ist, kann die Zahl der Anschlüsse auf sechs reduziert werden, so dass die Baugröße des Chips, auf dem das erfindungsgemäße Messelement angeordnet ist, deutlich verringert werden kann. Infolgedessen sinken die Herstellungskosten.

Vorteilhafterweise sind der Referenztemperatursensor und der erste Temperatursensor Teil einer Brückenschaltung, insbesondere einer Wheatstone'schen Brücke. Ebenso ist es vorteilhaft, wenn der Referenztemperatursensor und der zweite Temperatursensor Teil einer Brückenschaltung, insbesondere einer Wheatstone'schen Brücke sind. Dadurch dass der Referenztemperatursensor sowohl in der ersten Brückenschaltung als auch in der zweiten Brückenschaltung genutzt wird, kann die Zahl der elektrischen Bauteile und der Anschlüsse reduziert werden, ohne dass die Funktionalität des erfindungsgemäßen Messelements beeinträchtigt wird.

Des Weiteren hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn zwischen dem ersten Anschluss und dem dritten Anschluss eine erste Brückenspannung anliegt und die am ersten Heizwiderstand anliegende Spannung in Abhängigkeit der ersten Brückenspannung geregelt wird.

In analoger Weise ist es vorteilhaft, wenn zwischen dem ersten Anschluss und dem fünften Anschluss eine zweite Brückenspannung anliegt und die am zweiten Heizwiederstand anliegende Spannung in Abhängigkeit der zweiten Brückenspannung geregelt wird.

Zur Regelung der am ersten Heizwiederstand und zweiten Heizwiderstand anliegenden Spannung können vorteilhafterweise Differenzverstärker eingesetzt werden, wobei die Brückenschaltungen über die Offset-Spannung der Differenzverstärker oder die Brückenwiderstände abgeglichen werden können.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann der Referenztemperatursensor aus einem ersten Teilwiderstand und einem dazu in Reihe geschalteten zweiten Teilwiderstand bestehen.

Die Funktionsweise des erfindungsgemäß Messelements wird weiter verbessert, wenn die Temperatursensoren einen sehr viel größeren Widerstand aufweisen als die Heizwiderstände.

Die Herstellung des erfindungsgemäßen Messelements wird vereinfacht, wenn das Messelement ein Substrat aufweist, auf dem eine Widerstandsschicht vorhanden ist, aus der die Heizwiderstände und die Temperatursensoren herausstrukturiert sind. Gleichzeitig können die Zuleitungen zur Kontaktierung und Verbindung der Heizwiderstände und der Temperatursensoren auch aus der Widerstandsschicht herausstrukturiert werden.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und der Patentansprüche entnehmbar.

Es zeigen:
1 Das Layout eines erfindungsgemäßen Messelements und
2 das Schaltbild eines Durchflusssensors mit einem erfindungsgemäßen Messelement.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist ein Chip 11 dargestellt, auf dem das erfindungsgemäß Messelement angeordnet ist. Das Messelement 11 ist ein Teil der in 2 dargestellten Schaltung des Durchflusssensors. Die Einbindung des Messelements 11 in die Schaltung des Durchflusssensors wird nachfolgend anhand der 2 im Detail erläutert.
Zunächst ist festzuhalten, dass das Messelement 11 als Chip ausgeführt ist, der wiederum aus einem Substrat 13 besteht, auf das eine Widerstandsschicht aufgebracht wird. Aus dieser Widerstandsschicht werden die nachfolgend im Detail beschriebenen Bauelemente des Messelements 11 herausgeätzt.
Das Messelement 11 hat einen Masseanschluss 4, an dem alle auf dem Substrat 13 angeordneten Bauelemente angeschlossen sind.
Ein erster U-förmig ausgebildeter Heizwiderstand R_H,auf ist über eine Leiterbahn 15 einerseits mit dem dritten Anschluss 3 und andererseits über eine Leiterbahn 17 mit dem Masseanschluss 4 elektrisch verbunden. Innerhalb des ersten Heizwiderstands R_H,auf ist ein erster Temperatursensor R_HF,auf angeordnet. Über eine Leiterbahn 19 ist der erste Temperatursensor R_HF,auf mit dem dritten Anschluss 3 verbunden und über eine Leiterbahn 21 ist der erste Temperatursensor R_HF,auf mit dem Masseanschluss 4 elektrisch verbunden.
Die Strömungsrichtung der über das Messelement 11 strömenden Luft, deren Massenstrom gemessen werden soll, ist in 1 durch einen Pfeil 23 angedeutet.
Stromabwärts des ersten Heizwiderstands R_H,ab sind ein zweiter Heizwiderstand R_H,ab und ein zweiter Temperatursensor R_HF,ab angeordnet. Der zweite Heizwiderstand R_H,ab ist über eine Leiterbahn 25 mit dem sechsten Anschluss 6 und über eine Leiterbahn 27 mit dem Masseanschluss 4 elektrisch verbunden.
Der zweite Temperatursensor R_HF,ab ist über eine Leiterbahn 29 mit dem Anschluss 5 und über eine Leiterbahn 31 mit dem Masseanschluss 4 elektrisch verbunden.
Die Leiterbahnen 21, 17, 27 und 31, welche alle in den Masseanschluss 4 münden, sind so nahe wie möglich an den Masseanschluss 4 als getrennte Leiterbahnen ausgeführt, um eine gegenseitige Beeinflussung der Temperaturregelungen des ersten Heizwiderstandes R_H,auf und des zweiten Heizwiderstandes R_H,ab zu verhindern.
Schließlich umfasst das Messelement 11 noch einen Referenztemperatursensor R_LF, der bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 aus zwei hintereinander geschalteten Teilwiderständen R_LF,1 und R_LF,2 besteht . Die Teilwiderstände R_LF,1 und R_LF,2 sind über Leiterbahnen 33, 35 und 37 mit dem ersten Anschluss 1 und dem Masseanschluss 4 elektrisch verbunden.
Selbstverständlich kann der Referenztemperatursensor R_LF auch durch einen Widerstand (nicht dargestellt) gebildet werden, der dann beispielsweise dort angeordnet werden kann, wo jetzt die Leiterbahn 35 auf dem Substrat 13 angeordnet ist.
Nachfolgend wird anhand der 2 die Einbindung des Messelements 11 in die elektrische Schaltung eines Durchflusssensors dargestellt und erläutert. Die Bezeichnung der Bauelemente des Messelements aus 1 wurde in den Schaltplan der 2 übernommen. Gleiches gilt auch für die Bezeichnung der elektrischen Anschlüsse 1 bis 6.
Wie aus 2 ersichtlich, bilden der Temperatursensor R_LF und der erste Heizwiderstand R_HF,auf zusammen mit einem ersten Brückenwiderstand R₁ und einem zweiten Brückenwiderstand eine erste Wheatstone'sche Brücke, deren Brückenspannung zwischen den Anschlüssen 1 und 3 anliegt. Diese Brückenspannung wird einem ersten Differenzverstärker 39 als Eingangsspannung zugeführt. Die Ausgangsspannung des ersten Differenzverstärkers 39 wird zur Regelung der am ersten Heizwiderstand R_H,auf anliegenden Spannung und damit zur Regelung der Temperatur des ersten Heizwiderstandes R_H,auf eingesetzt.
Der Referenztemperatursensor R_LF und der zweite Temperatursensor R_HF,ab bilden zusammen mit dem ersten Brückenwiderstand R₁ und einem dritten Brückenwiderstand R₃ eine zweite Wheatstone'sche Brücke. Die Brückenspannung dieser zweiten Wheatstone'schen Brücke liegt an den Anschlüssen 1 und 5 des Messelements 11 (siehe 1) an. Diese zweite Brückenspannung wird einem zweiten Differenzverstärker 41 als Eingangsspannung zugeführt. Die Ausgangsspannung des zweiten Differenzverstärkers 41 dient zur Leistungsregelung des zweiten Heizwiderstandes R_H,ab. Die Ausgangsspannung des zweiten Differenzverstärkers 41 liegt zwischen den Anschlüssen 6 und 4 des Messelements 11 an.
Die Ausgangsspannungen des ersten Differenzverstärkers 39 und des zweiten Differenzverstärkers 41 werden einem Subtraktionsglied 43 zugeführt, welches daraus eine Ausgangsspannung U_A des Durchflusssensors erzeugt. Diese Ausgangsspannung U_A ist das Ausgangssignal des Durchflusssensors.
Über die einstellbaren Offset-Spannungen des ersten Differenzverstärkers 39 und des zweiten Differenzverstärkers 41 kann ein Abgleich der ersten Schaltungsbrücke und ein Abgleich der zweiten Schaltungsbrücke vorgenommen werden.
Ein alternativer Abgleich kann durch die Variation der Brückenwiderstnde R₁, R₂ und R₃ erfolgen.

Claims

Messelement für einen Durchflusssensor mit einem Masseanschluss (4) und fünf weiteren Anschlüssen (1, 2, 3, 5, 6), mit einem Referenztemperatursensor (R_LF) zur Ermittlung der Umgebungstemperatur, wobei der Referenztemperatursensor (R_LF) mit dem Masseanschluss (4) und dem ersten Anschluss (1) elektrisch verbunden ist, mit einem ersten Heizwiderstand (R_H,auf), wobei der erste Heizwiderstand (R_H,auf) mit dem Masseanschluss (4) und dem zweiten Anschluss (2) elektrisch verbunden ist, mit einem ersten Temperatursensor (R_HF,auf), wobei der erste Temperatursensor (R_HF,auf) mit dem Masseanschluss (4) und dem dritten Anschluss (3) elektrisch verbunden ist, mit einem zweiten Heizwiderstand (R_H,ab), wobei der zweite Heizwiderstand (R_H,ab) mit dem Masseanschluss (4) und dem sechsten Anschluss (6) elektrisch verbunden ist, und mit einem zweiten Temperatursensor (R_HF,ab), wobei der zweite Temperatursensor (R_HF,ab) mit dem Masseanschluss (4) und dem fünften Anschluss (5) elektrisch verbunden ist.
Messelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenztemperatursensor (R_LF) und der erste Temperatursensor (R_HF,auf) Teil einer Brückenschaltung, insbesondere einer Wheatstone'schen Brücke, sind.
Messelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenztemperatursensor (R_LF) und der zweite Temperatursensor (R_HF,ab) Teil einer Brückenschaltung, insbesondere einer Wheatstone'schen Brücke, sind.
Messelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Anschluss (1) und dem dritten Anschluss (3) eine erste Brückenspannung anliegt.
Messelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die am ersten Heizwiderstand (R_H,auf) anliegende Spannung in Abhängigkeit der ersten Brückenspannung geregelt wird.
Messelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Anschluss (1) und dem fünften Anschluss (5) eine zweite Brückenspannung anliegt.
Messelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die am zweiten Heizwiderstand (R_H,ab) anliegende Spannung in Abhängigkeit der zweiten Brückenspannung geregelt wird.
Messelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung der am ersten Heizwiderstand (R_H,auf) und am zweiten Heizwiderstand (R_H,ab) anliegenden Spannung mit Hilfe eines Differenzverstärkers (39, 41) geregelt wird.
Messelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass über die Offset-Spannung der Differenzverstärker (39, 41) die Brückenschaltungen abgeglichen werden.
Messelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenztemperatursensor (R_LF) aus einem ersten Teilwiderstand (R_LF,1) und einem dazu in Reihe geschalteten zweiten Teilwiderstand (R_LF,2) besteht.
Messelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatursensoren (R_HF,auf, R_HF,ab, R_LF) einen sehr viel größeren Widerstand als die Heizwiderstände (R_H,auf, R_H,ab) haben.
Messelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement ein Substrat (13) aufweist, dass auf dem Substrat (13) eine Widerstandsschicht vorhanden ist, aus der die Heizwiderstände (R_H,auf, R_H,ab) und die Temperatursensoren (R_HF,auf R_HF,ab, R_LF) herausstrukturiert sind.
Messelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass Zuleitungen (15, 17, 19, 21, 25, 27, 29 , 31, 33, 35, 37) zur Kontaktierung der Heizwiderstände (R_H,auf, R_H,ab) und der Temperatursensoren (R_HF,auf, R_HF,ab, R_LF) vorgesehen sind, und dass die Zuleitungen (15, 17, 19, 21, 25, 27, 29 , 31, 33, 35, 37) aus der Widerstandsschicht herausstrukturiert sind.
Messelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement zur Bestimmung eines Luftmassenstroms in einem Durchflusssensor eingesetzt wird.