DE112014003909T5

DE112014003909T5 - Gassensorvorrichtung

Info

Publication number: DE112014003909T5
Application number: DE112014003909.8T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Nakano; Masahiro Matsumoto; Satoshi Asano; Shinobu Tashiro
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2013-08-27
Filing date: 2014-02-03
Publication date: 2016-05-12
Also published as: US20160202200A1; JP2015045515A; CN105492898B; US9958305B2; WO2015029460A1; JP6021761B2; CN105492898A

Abstract

Eine Gassensorvorrichtung 1 der vorliegenden Erfindung, welche ausreichende Korrekturwerte eines Verbrennungsmotors in verschiedenen Betriebszuständen bezweckt, umfasst einen Konzentrationssensor 4 zum Messen der Konzentration von Gas und einen Drucksensor 5 zum Messen des Drucks des Gases. Die Gassensorvorrichtung 1 umfasst ebenfalls eine Messkammer 7, die den Konzentrationssensor 4 und den Drucksensor 5 enthält, und eine Verarbeitungsschaltkreis-Einheit 14, die ein Signal des Konzentrationssensors 4 durch Verwenden eines Signals des Drucksensors anpasst. Die Verarbeitungsschaltkreis-Einheit 14 kann vorzugsweise mit einer Reaktionsgeschwindigkeitsanpassungs-Einheit ausgestattet sein, welche die Reaktionsgeschwindigkeit eines erkannten Signals des Drucksensors in die Nähe der Reaktionsgeschwindigkeit eines erkannten Signals des Konzentrationssensors bringt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine mit einem Sensorelement, das die Menge (Konzentration) eines Gases erkennt, ausgestattete Gassensorvorrichtung.
Bisheriger Stand der Technik
Gassensorvorrichtungen zum Messen der Gasmenge werden in verschiedenen technischen Gebieten verwendet. Zu den Gassensorvorrichtungen im Automobilbereich gehören Feuchtigkeitssensoren, welche die Feuchtigkeit in Verbrennungsmotoren messen, um den optimalen Betrieb der Verbrennungsmotoren zu erzielen, und Konzentrationssensoren, welche die Konzentration des Kraftstoffs in den Gasansaugkanälen der Verbrennungsmotoren messen. Diese Gassensorvorrichtungen werden ebenfalls in Verbrennungsmotoren und Brennstoffzellen verwendet, die Wasserstoff als Kraft-/Brennstoff der Motoren/Zellen verwenden.
Die in den Gasansaugkanälen der Verbrennungsmotoren verwendeten Gassensorvorrichtungen erfordern beispielsweise eine hohe Genauigkeit, Schmutzbeständigkeit, Schlagfestigkeit und Wärmebeständigkeit. Moderne Verbrennungsmotoren sind mit einem variablen Ventilmechanismus ausgestattet, der die Zeitsteuerung zum Öffnen und Schließen von Ansaug- und Abgasventil des Brennraums ändert, um dadurch die Kraftstoffeffizienz zu verbessern. Mit solch einem variablen Ventilmechanismus ausgestattete Verbrennungsmotoren bewirken starke Änderungen von Strömungsgeschwindigkeit und Druck des Ansauggases in den Gasansaugkanälen. Zusätzlich ändert sich der Zustand des Ansauggases je nach Zylinderzahl sowie Länge und Form des Gasansaugkanals des Verbrennungsmotors. Somit ist eine sehr genaue Messung des Ansauggases in solch einer Umgebung des Gasansaugkanals erforderlich.
PTL 1 und 2 offenbaren ein Verfahren nach dem Stand der Technik, das ausgebildet ist, zur Änderung von Strömungsgeschwindigkeit und Druck des Ansauggases in einem Gasansaugkanal zu passen. PTL 1 ( JP 2013-36852 A ) als Stand der Technik umfasst einen Gassensor (Konzentrationssensor), der einen Ausgabewert entsprechend der spezifischen Komponentenkonzentration ausgibt, welche die Konzentration einer im Gas enthaltenen spezifischen Gaskomponente ist, und einen Drucksensor, der den Druck des Gases misst, wobei eine vorläufige spezifische Komponentenkonzentration aus einem Konzentrationssensorwert und einem Drucksensorwert berechnet wird und die vorläufige spezifische Komponentenkonzentration durch Verwendung eines funktionalen Korrekturwerts korrigiert wird (siehe Zusammenfassung). Der Drucksensor und der Konzentrationssensor oder ein Sauerstoffsensor sind in PTL 1 jeweils separat an einer stromaufwärtigen Seite und einer stromabwärtigen Seite (in der Strömungsrichtung des Ansauggases) im Gasansaugrohr (Gasansaugkanal) des Verbrennungsmotors angeordnet (siehe Absatz 0029). PTL 2 ( JP 2010-151795 A ) ist ein Stand der Technik, der ein Umweltsensorelement wie ein Drucksensorelement, ein Feuchtigkeitssensorelement, ein Temperatursensorelement u. Ä. umfasst, und wenigstens eines dieser Elemente ist in einer Messkammer angeordnet, die weiter von einer Rohrwand als von einem Bypass-Weg angeordnet ist, um dadurch den Einfluss des Gasstroms und der Wärme der Rohrwand zu verringern (siehe Absatz 0015 bis 0027).
Liste der Anführungen
Patentliteratur

PTL 1: JP 2013-36852 A
PTL 2: JP 2010-151795 A

Zusammenfassung der Erfindung
Technische Aufgabe
Der in PTL 1 offenbarte Konzentrationssensor und Drucksensor sind separat voneinander angeordnet, so dass der Konzentrationssensor und der Drucksensor jeweils unterschiedlichen Drücken in einem Betriebszustand einer Zone mit starker Strömung oder einer Zone mit starker Drehung des Verbrennungsmotors ausgesetzt sind, was zu einer ungenauen Korrektur führt. Dies kann zu ungenauen Ergebnissen der Korrekturen in verschiedenen Betriebszuständen des Verbrennungsmotors führen. Wenn der Verbrennungsmotor mit einer konstanten Drehzahl läuft, kann der Korrekturwert durch die Verwendung von Signalen der Drehzahl, des Drucksensorwerts und des Konzentrationssensorwerts zum optimalen Korrekturwert geführt werden; die niedrigere oder höhere Drehzahl beim Beschleunigen oder Verzögern des Motors führt aber zu einer verringerten Genauigkeit der Korrektur. Eine noch bessere Genauigkeit der Korrektur erfordert eine größere Zahl von erkannten Signalen (Ansauggasmenge, Öffnungsgrad einer Drosselklappe, Drehzahl, Zustände von Ansaug- und Abgasventilen), wodurch die Zahl der zu ändernden Mannstunden übermäßig zunimmt. Ferner erfordert jede Art von Fahrzeug eine optimale Anpassung der Korrekturwerte (Länge eines Gasansaugrohrs, Positionen der Sensoren, Form des Ansauggases).
PTL 2 offenbart eine Ausbildung, bei der eine Messkammer ein Umweltsensorelement umfasst, um Schmutz am Umweltsensor zu verringern, wobei der Schmutz Öl und Staub umfasst, die mit dem Strom des Ansauggases mitgerissen werden. PTL 2 befasst sich mit dem Einfluss des Gasstroms; es befasst sich aber nicht mit der Korrektur der Ausgabe des Konzentrationssensors unter Verwendung der Ausgabe des Drucksensors, wodurch die Druckänderung unzureichend berücksichtigt wird.
PTL 2 beschreibt nicht spezifisch ein Feuchtigkeitssensorelement, das eine Art des Umweltsensorelements darstellt. PTL 1 hingegen beschreibt ein System, bei dem ein keramisches Substrat auf diesem mit einem feuchtigkeitsempfindlichen Film bereitgestellt wird, um dadurch den elektrischen Widerstand und die elektrostatische Kapazität zu erkennen (siehe Absatz 0058 von PTL 1). Solch ein Sensor in elektrostatischer Kapazitätsausführung nutzt ein Prinzip, bei dem sich die dielektrische Konstante eines feuchtigkeitsempfindlichen Films ändert, sobald der feuchtigkeitsempfindliche Film Feuchtigkeit absorbiert und abgibt. Aufgrund dieses Prinzip weist der Sensor in elektrostatischer Kapazitätsausführung eine Reaktionsgeschwindigkeit von mehreren Sekunden bis mehreren zehnfachen Sekunden in Bezug auf die Feuchtigkeitsänderung auf, was eine relativ langsame Reaktion darstellt. Der Drucksensor wiederum weist eine Charakteristik mit einer hohen Reaktionsgeschwindigkeit auf, da er eine Membranverformung erkennt. Korrekturen unter Verwendung von verschiedenen Sensorwerten können zu starke Korrekturen oder unnötige Korrekturen umfassen. Die Verwendung der Sensorwerte von verschiedenen Reaktionsgeschwindigkeiten kann nachteilig zu einer zu starken Korrektur und einer unnötigen Korrektur führen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht im Bereitstellen einer Gassensorvorrichtung, die richtige Korrekturwerte bei einer Vielzahl von Betriebszuständen von Verbrennungsmotoren erzielen können.
Technische Lösung
Eine Gassensorvorrichtung der vorliegenden Erfindung, welche die zuvor genannte Aufgabe löst, umfasst einen Konzentrationssensor, der die Konzentration von Gas misst, und einen Drucksensor, der den Druck des Gases misst. Die Vorrichtung umfasst eine Messkammer, die vom Luftstrom getrennt ist und den Konzentrationssensor und den Drucksensor enthält, und eine Verarbeitungsschaltkreis-Einheit, die ein Signal des Konzentrationssensors durch Verwenden eines Signals des Drucksensors anpasst. Die Verarbeitungsschaltkreis-Einheit kann vorzugsweise mit einer Reaktionsgeschwindigkeitsanpassungs-Einheit ausgestattet sein, welche die Reaktionsgeschwindigkeit eines erkannten Signals des Drucksensors in die Nähe der Reaktionsgeschwindigkeit eines erkannten Signals des Konzentrationssensors bringt. Ferner kann der Konzentrationssensor der vorliegenden Erfindung vorzugsweise das System des Messens der Gaskonzentration durch Verwenden der Charakteristik eines Wärmebeständigkeitskörpers aufweisen, so dass sich die Menge der Wärmestrahlung des Wärmebeständigkeitskörpers entsprechend der Konzentration des Gases ändert. Dieses System ist effizienter. Ferner kann der Konzentrationssensor der vorliegenden Erfindung ein mit einem dünnen Teil ausgestattetes Halbleitersubstrat umfassen, wobei der dünne Teil mit einem Wärmebeständigkeitskörper ausgestattet ist.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind der Konzentrationssensor und der Drucksensor unter dem gleichen Druck im gleichen Raum angeordnet, wobei genaue Druckwerte zum Liefern genauer Korrekturen verwendet werden. Dies kann eine Gassensorvorrichtung mit hoher Genauigkeit bereitstellen, so dass die Vorrichtung richtige Korrekturwerte bei einer Vielzahl von Betriebszuständen von Verbrennungsmotoren liefert.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die nachfolgend beschrieben werden, erläutern zusätzliche Aufgaben zu den zuvor beschriebenen Aufgaben sowie die Ausbildungen und deren Wirkungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine Querschnittsansicht zur Darstellung einer Ausführungsform einer Gassensorvorrichtung der vorliegenden Erfindung und einer Struktur, in der die Gassensorvorrichtung installiert ist.
2 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Linie II-II in 1.
3 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Linie III-III in 1.
4 zeigt eine Draufsicht zur Darstellung einer Innenstruktur eines in 2 dargestellten Sensorpakets.
5 zeigt ein Blockdiagramm zur Darstellung eines Verarbeitungsmodus eines Sensorsignals in dieser Ausführungsform.
6A zeigt ein einfaches Modell, in dem ein Feuchtigkeitssensorelement und ein Drucksensorelement in der Strömungsrichtung von oben nach unten separat in einem Gasansaugkanal angeordnet sind.
6B zeigt ein einfaches Modell, in dem eine Gassensorvorrichtung dieser Ausführungsform im Gasansaugkanal eines Verbrennungsmotors angeordnet ist.
7A zeigt einen Graphen zur Darstellung des Drucks an der Position des Feuchtigkeitssensorelements und an der Position des Drucksensorelements im in 6A dargestellten System.
7B zeigt einen Graphen zur Darstellung des Drucks an der Position des Feuchtigkeitssensorelements und an der Position des Drucksensorelements im in 6B dargestellten System.
8 zeigt einen Graphen zur Darstellung des Reaktionsverhaltens des Feuchtigkeitssensors in elektrostatischer Kapazitätsausführung und des Drucksensors.
9 zeigt eine Draufsicht zur Darstellung eines thermischen Feuchtigkeitssensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Linie X-X in 9.
11 zeigt einen Graphen zur Darstellung eines Vergleichs des Reaktionsverhaltens zwischen dem thermischen Feuchtigkeitssensor und dem Drucksensor.
12 zeigt eine Querschnittsansicht einer Gassensorvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und einer Struktur, in der die Gassensorvorrichtung installiert ist.
13 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Feuchtigkeitssensorelements und einer in 12 dargestellten Umgebung von diesem.
14 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Linie XIV-XIV in 13.
15A zeigt ein Aussehen eines Sensorpakets in einer durch Guss verpackten Form.
15B zeigt eine Struktur des Sensorpakets in einer durch Guss verpackten Form.
16 zeigt ein Blockdiagramm zur Darstellung eines Verarbeitungsmodus eines Sensorsignals in der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Beschreibung der Ausführungsformen
Nachfolgend sind Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Erste Ausführungsform
In Bezug auf 1 bis 8 wird eine Gassensorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
1 zeigt im Querschnitt die Gassensorvorrichtung der ersten Ausführungsform und eine Struktur, in der die Gassensorvorrichtung installiert ist. Die Gassensorvorrichtung 1 ist so im Gasansaugkanal 2 eines Verbrennungsmotors angeordnet, dass sie nach innen in den Kanal 2 hineinragt. Die Gassensorvorrichtung 1 weist ein Gehäuse 3 auf, das ein Feuchtigkeitssensorelement 4, das als Erkennungselement (Konzentrationssensorelement) zum Erkennen der Gasmenge dient, und ein Drucksensorelement 5 zum Erkennen des Drucks des Gasansaugkanals 2 enthält. Das Gehäuse 3 enthält ferner eine Messkammer 7, die vom Strom eines im Gasansaugkanal 2 strömenden Ansauggases 6 getrennt ist. Die Messkammer 7 umfasst einen Verbindungsweg 8, durch den das Innere der Messkammer 7 mit dem Gasansaugkanal 2 verbunden ist, wodurch das im Gasansaugkanal 2 strömende Ansauggas (Luft) 6 der Messkammer 7 zugeführt wird. Das Feuchtigkeitssensorelement 4 und das Drucksensorelement 5 sind in der Messkammer 7 angeordnet und somit dem gleichen Druck ausgesetzt. Das Feuchtigkeitssensorelement 4 und das Drucksensorelement 5 sind dem vom gleichen Verbindungsweg 8 zugeführten Ansauggas ausgesetzt. Die Messkammer 7 und der Verbindungsweg 8 bewirken ein Drosseln des direkten Stroms des im Gasansaugkanal 2 strömenden Ansauggases 6 in Bezug auf das Feuchtigkeitssensorelement 4. Insbesondere ist die Messkammer 7 vom Strom des im Gasansaugkanal 2 strömenden Ansauggases (Luftstrom) getrennt. Die Anordnung des Feuchtigkeitssensorelements 4 und des Drucksensorelements 5 in der Messkammer 7 verhindert eine Exposition des Feuchtigkeitssensorelements 4 und des Drucksensorelements 5 in Bezug auf den Strom des im Gasansaugkanal 2 strömenden Ansauggases 6. Dies verringert die Strömungsbewegung der Luft um das Feuchtigkeitssensorelement 4, wodurch ein stabilisierter Gaszustand erzielt wird, bei dem eine sehr genaue Messung der Feuchtigkeit ermöglicht wird.
Das Feuchtigkeitssensorelement 4 dient zum Erkennen der Konzentration von Dampf und ist somit in der Kategorie des Konzentrationssensors enthalten: In den folgenden Erläuterungen ist der Konzentrationssensor ein Feuchtigkeitssensor.
Der Verbindungsweg 8 ist mit dem Gehäuse 3 an einem unteren Teil 3j des Gehäuses 3 angeordnet. Der untere Teil 3j des Gehäuses 3 weist eine Seitenfläche auf, die im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung des im Gasansaugkanal 2 strömenden Ansauggases 6 angeordnet ist. Der Verbindungsweg 8, durch den das Ansauggas 2 zugeführt wird, erstreckt sich vom unteren Teil 3j zur Messkammer 7 in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung des Ansauggases 2. Der Verbindungsweg 8 weist einen Querschnitt in einer Richtung senkrecht zur Richtung, entlang welcher der Verbindungsweg 8 verbindet, und der Querschnitt kann eine runde Form oder eine rechteckige Form aufweisen, und er kann aus einem Schlitz/Schlitzen oder einer Vielzahl von Löchern bestehen. Der Verbindungsweg 8 weist eine Kapazität auf, die vorzugsweise wesentlich kleiner ist als die der Messkammer 7. Die Form des Verbindungswegs 8 verringert eine direkte Strömung des Ansauggases 6 in die Messkammer 7.
2 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Linie II-II in 1 und 3 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Linie III-III in 1. Wie in 2 dargestellt ist das Feuchtigkeitssensorelement 4 an einem Sensorpaket 10 montiert, das als ein Trägerelement dient. Das Sensorpaket 10 wird durch ein Spritzgussverfahren verpackt, welches das Feuchtigkeitssensorelement 4 mit Gießharz umschließt und vergießt. Das Feuchtigkeitssensorelement 4 weist einen Erkennungsteil 11 auf, der so verpackt ist, dass er von Gießharz freigelegt ist. In solch einer Ausbildung kann das Feuchtigkeitssensorelement 4, das in das Sensorpaket 10 integriert und in der Messkammer 7 des Gehäuses 3 angeordnet ist, die Feuchtigkeit der Luft in der Messkammer 7 mit dem in der Messkammer 7 freiliegenden Erkennungsteil 11 messen.
Das Drucksensorelement 5 wird im Sensorpaket 10 durch ein Spritzgussverfahren auf ähnliche Weise wie das in 2 dargestellte Feuchtigkeitssensorelement verpackt. Das Drucksensorelement 5 weist eine Oberfläche auf, die mit einem Schutzfilm abgedeckt sein kann, die sich unter Druck verformt. Bei solch einer Anordnung ist das im Sensorpaket 10 integrierte Drucksensorelement 5 in der Messkammer 7 des Gehäuses 3 angeordnet. Das Drucksensorelement 5 weist einen Erkennungsteil auf, der den Druck der Luft in der Messkammer 7 misst.
Wie in 2 und 3 dargestellt besteht das Gehäuse 3 aus einer Basis 3a und einem Deckel 3b. Das das Feuchtigkeitssensorelement 4 und das Drucksensorelement 5 umschließende Sensorpaket 10 ist mit der Basis 3a und dem Deckel 3b abgedeckt. Die Basis 3a und der Deckel 3b werden druckgegossen und miteinander verklebt oder verbunden, wodurch die Messkammer 7 und der Verbindungsweg 8 gebildet werden.
4 zeigt eine Innenstruktur des Sensorpakets 10. Durch das Vergießen mit Gießharz 15 sind zusätzlich zum Feuchtigkeitssensorelement 4 und Drucksensorelement 5 Leitungsrahmen 12a, 12b, 12c, 12d, ein Halbleiterchip 14 und Drähte 13a, 13b, 13c, 13d, 13e in das Sensorpaket 10 integriert. Das Feuchtigkeitssensorelement 4 und das Drucksensorelement 5 sind am Leitungsrahmen 12a verklebt und befestigt. Das heißt das Feuchtigkeitssensorelement 4 und das Drucksensorelement 5 sind am gleichen Trägerelement (Leitungsrahmen 12a) verklebt.
Das Feuchtigkeitssensorelement 4 weist eine Elektrode (nicht dargestellt) auf, die durch ein Drahtbondungsverfahren über den Draht 13a mit dem Leitungsrahmen 12b verbunden ist. Das Feuchtigkeitssensorelement 4 weist eine Masseelektrode auf, die über einen Draht 13a ₁ mit dem Leitungsrahmen 12a verbunden ist. Der Leitungsrahmen 12b ist über den Draht 13b elektrisch mit einer Eingangselektrode (nicht dargestellt) des Halbleiterchips 14 verbunden. Das Drucksensorelement 5 weist eine Elektrode (nicht dargestellt) auf, die durch ein Drahtbondungsverfahren über den Draht 13c mit dem Leitungsrahmen 12c verbunden ist. Der Leitungsrahmen 12c ist über den Draht 13d elektrisch mit einer Eingangselektrode (nicht dargestellt) des Halbleiterchips 14 verbunden.
Der Leitungsrahmen 12d ist über den Draht 13e elektrisch mit einer Ausgangselektrode des Halbleiterchips 14 verbunden. Der Halbleiterchip 14 weist eine Masseelektrode auf, die über einen Draht 13c ₁ mit dem Leitungsrahmen 12a verbunden ist.
Der Halbleiterchip 14 besteht aus einem durch einen Halbleiterprozess erzeugten halbleiterintegrierten Chip und bildet einen Verarbeitungsschaltkreis der Gassensorvorrichtung 1 aus. Der Halbleiterchip (Verarbeitungsschaltkreis-Einheit) 14 umfasst einen Antriebsschaltkreis des Feuchtigkeitssensorelements 4 und einen Erkennungsschaltkreis zum Messen der Feuchtigkeit. Der Halbleiterchip 14 umfasst ferner einen Antriebsschaltkreis des Drucksensorelements 5 und einen Erkennungsschaltkreis zum. Messen des Drucks. Der Halbleiterchip 14 ist am Leitungsrahmen 12a verklebt und befestigt, auf dem das Feuchtigkeitssensorelement 4 und das Drucksensorelement 5 verklebt sind. Der Halbleiterchip 14 weist eine Stromversorgungsleitung und ein erkanntes Signal (Ausgangssignalleitung) auf, die über den Draht 13e mit dem Leitungsrahmen 12d verbunden sind. Der Leitungsrahmen 12d weist einen Endteil auf, der aus dem Sensorpaket 10 als ein Anschluss für eine externe Verbindung herausgeführt ist. Der durch die Drähte 13a ₁, 13e ₁ mit den Masseelektroden des Feuchtigkeitssensorelements 4 und des Halbleiterchips 14 verbundene Leitungsrahmen 12A weist einen Endteil 12a ₁ auf, der zusammen mit einem Endteil des Leitungsrahmens 12d aus dem Sensorpaket 10 herausgeführt ist.
Der Leitungsrahmen 12a in dieser Ausführungsform dient als eine gemeinsame Erdungsklemme und wird als ein Element verwendet, auf den das Feuchtigkeitssensorelement 4, das Drucksensorelement 5 und das Halbleiterchip 14 montiert werden. Wie zuvor beschrieben sind das Feuchtigkeitssensorelement 4, das Drucksensorelement 5, die Leitungsrahmen 12a–12d, der Halbleiterchip 14 und die Drähte 13a–13e durch das Vergießen mit Gießharz 15 so verpackt, dass der Erkennungsteil 11a des Feuchtigkeitssensorelements 4, der Erkennungsteil 11b des Drucksensorelements 5 und die Endteile der Leitungsrahmen 12d, 12a freigelegt sind.
5 zeigt einen Verarbeitungsmodus eines Sensorsignals des Halbleiterchips 14. Der Sensorchip 14 umfasst einen A/D-Wandler AD1 und einen A/D-Wandler AD2. Der Wandler AD1 gibt ein vom Feuchtigkeitssensor 4 gesendetes analoges Signal ein und wandelt das Eingangssignal in einen digitalen Wert um. Der Wandler AD2 gibt ein vom Drucksensorelement 5 gesendetes analoges Signal ein und wandelt das Eingangssignal in einen digitalen Wert um. Das im A/D-Wandler AD1 in den digitalen Wert umgewandelte Feuchtigkeitssignal wird in einer Signalverarbeitungseinheit FLT1 dem Entfernen eines Signalrauschens unterzogen und anschließend in einer Berechnungseinheit PU eingegeben. Das im A/D-Wandler AD2 in den digitalen Wert umgewandelte Drucksignal wird in der Signalverarbeitungseinheit FLT2 dem Entfernen eines Signalrauschens unterzogen und anschließend in der Berechnungseinheit PU eingegeben. Die Berechnungseinheit PU führt eine Korrekturberechnung des Feuchtigkeitssignals durch. Die Korrekturberechnung bestimmt die Korrekturmenge auf Basis des Drucksignalwerts und einer vorab in einer Speichereinheit MMR gespeicherten festen Zahl und die bestimmte Korrekturmenge wird dem Feuchtigkeitssignal hinzugefügt. Anschließend wird das in der Berechnungseinheit PU korrigierte Feuchtigkeitssignal als AUSGABE ausgegeben.
Die Gassensorvorrichtung 1 in dieser Ausführungsform verfügt über die folgenden Vorgänge und Wirkungen, die nachfolgend beschrieben sind. 6A zeigt ein einfaches Modell, in dem ein Feuchtigkeitssensorelement 4 und ein Drucksensorelement 5 separat in einem Gasansaugkanal 2 in der Stromaufwärts- und Stromabwärtsrichtung von diesem angeordnet sind. 6B zeigt die Gassensorvorrichtung 1 eines einfachen Modells gemäß der Ausführungsform, die in einem Gasansaugkanal 2 eines Verbrennungsmotors angeordnet ist.
Wie in 6A dargestellt strömt das Ansauggas 6 im Gasansaugkanal 2. Der Gasansaugkanal 2 nimmt den durch P0 an der linken Seite von diesem angegebenen Luftdruck auf, nimmt den durch P4 an der Position, an der das Feuchtigkeitssensorelement 4 angeordnet ist, angegebenen Druck (statischen Druck) auf und nimmt den durch P5 an der Position, an der das Drucksensorelement 5 angeordnet ist, angegebenen Druck (statischen Druck) auf. Im System von 6A unterscheidet sich der Abstand L4 vom linken Ende des Gasansaugkanals 2 zum Feuchtigkeitssensorelement 4 vom Abstand L5 vom linken Ende des Gasansaugkanals 2 zum Drucksensorelement 5. Im System von 6B wiederum, in dem die vorliegende Erfindung angewendet wird, ist die Gassensorvorrichtung 1 im Abstand L vom linken Ende des Gasansaugkanals angeordnet und sowohl Feuchtigkeitssensorelement 4 als auch Drucksensorelement 5 sind in der Messkammer 8 angeordnet. Die Messkammer 8, in die Luft durch einen einzigen Verbindungsweg 8 zugeführt wird, weist innen einen gleichmäßigen Druck auf. Somit weisen in Bezug auf den Druck die Spanne vom linken Ende des Gasansaugkanals 4 zum Feuchtigkeitssensorelement 4 und die Spanne vom linken Ende des Gasansaugkanals 2 zum Drucksensorelement 5 den gleichen Abstand L auf.
Nachfolgend werden die Systeme von 6A und 6B bezüglich der Berechnungsergebnisse zur Angabe des Vergleichs zwischen dem vom Feuchtigkeitssensorelement 4 aufgenommenen Druck und dem vom Drucksensorelement 5 aufgenommenen Druck beschrieben. 7A zeigt die Drücke gemäß dem System von 6A, während 7B die Drücke gemäß dem System, in dem die vorliegende Erfindung angewendet wird, zeigt.
7A gibt an, dass die Positionen L5, L4 im Gasansaugkanal 2 die verschiedenen Drücke P4, P5 liefern, insbesondere in der Zone mit großer Strömungsmenge von 100 kg/h oder mehr. Wenn das System von 6A zum Korrigieren der Druckabhängigkeit des Feuchtigkeitssensorelements 4 durch Verwenden des erkannten Drucks P5 des Drucksensorelements 5 angewendet wird, muss die Beziehung zwischen den vom Positionsunterschied zwischen den Sensoren 4, 5 bewirkten zwei Drücken für eine erforderliche Korrekturberechnung berücksichtigt werden. Zusätzlich muss eine feste Zahl einer Korrekturberechnung für jeden Typ von Verbrennungsmotor festgelegt werden, da jeder Typ einen Gasansaugkanal mit eigener Form, Länge und Durchmesser aufweist. Ferner gibt 7A das Berechnungsergebnis des Ansauggasdrucks in einem stabilen Zustand mit einer konstanten Strömungsmenge an. Die Luft in einem Gasansaugkanal eines Verbrennungsmotors im Betrieb umfasst eine Druckänderung durch ein Gasansaugventil, das öffnet und schließt, und umfasst ferner eine Erzeugung von Pulsieren in Verbindung mit einem Rückstrom. Die Bestimmung der Beziehung zwischen dem Druck P4 und dem Druck P5 als Reaktion auf den Betriebszustand eines Verbrennungsmotors zum Durchführen einer Berechnungskorrektur erfordert eine große Menge von festen Zahlen für Korrekturen sowie eine große Menge von Berechnungen. Ferner ist die kontinuierliche Überwachung des Betriebszustands eines Verbrennungsmotors (Drehzahl, Zustand einer Drosselklappe, Zustände von Ansaug- und Abgasventil u. Ä.) für eine Auswahl einer festen Zahl für jeden Zustand zur Berechnung erforderlich, was den Nachteil hat, zu einem komplexen System zu führen.
Im Gegensatz zum zuvor beschriebenen System ist das die vorliegende Erfindung umfassende und in 6B dargestellte System so beschaffen, dass das Feuchtigkeitssensorelement 4 und das Drucksensorelement 5 in der Messkammer 7 angeordnet sind, in der die Luft durch den gemeinsamen Verbindungsweg 8 zugeführt wird. Somit weisen der Druck P4 an der Position, an der das Feuchtigkeitssensorelement 4 angeordnet ist, und der Druck P5 an der Position, an der das Drucksensorelement 5 angeordnet ist, den gleichen Druckwert der Position auf, an der die Gassensorvorrichtung 1 mit dem Abstand L angeordnet ist. Dies ermöglicht wie in 7B dargestellt, dass das Feuchtigkeitssensorelement 4 und das Drucksensorelement 5 konstant im gleichen Druckzustand gehalten werden. Entsprechend ist der Druck P4 identisch mit dem Druck P5 in verschiedenen Betriebszuständen von Verbrennungsmotoren, was vorteilhafterweise eine vorläufige Anordnung der Beziehung zwischen dem Druck P4 und dem Druck P5 vermeidet. Zusätzlich wird die kontinuierliche Überwachung des Betriebszustands eines Verbrennungsmotors (Drehzahl, Zustand einer Drosselklappe, Zustände von Ansaug- und Abgasventil u. Ä.) überflüssig, was eine sehr genaue Feuchtigkeitsmessung mit einem einfachen System ermöglicht.
Ein noch mehr erwünschtes Korrekturverfahren wird nachfolgend beschrieben, in dem das Feuchtigkeitssensorelement 4 in der Ausführungsform aus einem Feuchtigkeitssensorelement in elektrostatischer Kapazitätsausführung besteht. Dieser Typ ist zum Erkennen der Änderung einer dielektrischen Konstante auf Basis der Zunahme und Abnahme der Feuchtigkeit in einem feuchtigkeitsempfindlichen Film ausgebildet.
8 zeigt einen Graphen eines Vergleichs zwischen dem Reaktionsverhalten eines Feuchtigkeitssensors in elektrostatischer Kapazitätsausführung und dem Reaktionsverhalten eines allgemeinen Drucksensors. Die elektrostatische Kapazitätsausführung weist eine Reaktionsgeschwindigkeit von mehreren Sekunden (in der Größenordnung von 1 Hz) auf, während der Drucksensor eine Reaktionsgeschwindigkeit von mehreren Millisekunden (in der Größenordnung von 1 kHz) aufweist. Der Betrieb eines Verbrennungsmotors mit hoher Drehzahl erzeugt ein Pulsieren des Ansauggases mit etwa 100 Hz. Der Feuchtigkeitssensor in elektrostatischer Kapazitätsausführung weist eine geringe Reaktionsgeschwindigkeit auf und kann somit nicht der vom Pulsieren des Ansauggases mit 100 Hz erzeugten Druckänderung folgen. Im Gegensatz zum Feuchtigkeitssensor in elektrostatischer Kapazitätsausführung folgt der Drucksensor im ausreichenden Maße solch einer Druckänderung. Das Durchführen einer Korrektur des Feuchtigkeitssensors in einem Zeitraum mit Pulsieren des Ansauggases durch Verwenden des Drucksensors mit einer hohen Reaktionsgeschwindigkeit bewirkt nachteilhafterweise eine unnötige Korrektur, wodurch das korrigierte Feuchtigkeitssignal in seiner Genauigkeit beeinträchtigt werden kann. Das heißt die Korrektur führt unerwünschterweise zu einem Überlappen eines Hochfrequenzsignals mit dem Signal des Feuchtigkeitssensors.
Um das zuvor genannte Problem zu beheben, besteht ein wirksames Verfahren im Verarbeiten eines erkannten Signals des in 5 dargestellten Drucksensorelements 5 durch die Signalverarbeitungseinheit FLT2. Die Signalverarbeitungseinheit FLT2 dient vorzugsweise zum Entfernen oder Dämpfen einer Hochfrequenzkomponente eines Drucksignals, welche die Reaktionsgeschwindigkeit des in 8 dargestellten Feuchtigkeitssensors 4 überschreitet. Für das Verfahren zum Entfernen oder Dämpfen einer Hochfrequenzkomponente kann ein Tiefpassfilter mit einer Zeitkonstante entsprechend der Reaktionsgeschwindigkeit des Feuchtigkeitssensors 4 verwendet werden. Zusätzlich kann ein anderes Verfahren in einer Mittelungsverarbeitung bestehen, bei der Zeit entsprechend der Reaktionsgeschwindigkeit des Feuchtigkeitssensorelements 4 gemittelt wird. Diese Verfahren können eine unnötige Korrektur während eines Hochfrequenzpulsierens verringern, wodurch ein sehr genaues Feuchtigkeitssignal (Ausgabe) bereitgestellt wird.
Insbesondere umfasst diese Ausführungsform ein Reaktionsgeschwindigkeitsanpassungs-Mittel (Reaktionsgeschwindigkeitsanpassungs-Einheit), das den Unterschied in den Reaktionsgeschwindigkeiten zwischen einem erkannten Signal des Feuchtigkeitssensorelements 4 und einem erkannten Signal des Drucksensorelements 5 anpasst. Das Reaktionsgeschwindigkeitsanpassungs-Mittel ist durch die Signalverarbeitungseinheit FLT2 ausgebildet. Das Reaktionsgeschwindigkeitsanpassungs-Mittel dient zum Bringen der Reaktionsgeschwindigkeit eines erkannten Signals (Drucksignals) des Drucksensors in die Nähe der Reaktionsgeschwindigkeit eines erkannten Signals (Konzentrationssignals) des Konzentrationssensors. Ein Tiefpassfilter ist, wenn als Reaktionsgeschwindigkeitsanpassungs-Mittel verwendet, so angeordnet, dass die Grenzfrequenz von diesem zwischen der Frequenz f4 entsprechend der Reaktionsgeschwindigkeit des Feuchtigkeitssensorelements 4 und der Frequenz f5 entsprechend der Reaktionsgeschwindigkeit des Drucksensorelements 5 eingestellt ist (die größer oder gleich f4 ist und kleiner als f5 ist und vorzugsweise größer als f4 und kleiner als f5 ist). In dieser Anordnung ist die Grenzfrequenz vorzugsweise näher an der Seite von f4 als an der Seite von f5. Im Falle der Mittelungsverarbeitung wird ein zwischen der Frequenz f4 und der Frequenz f5 vorhandener Schwankungsteil durch die Verarbeitung entfernt oder gedämpft. In der vorhergehenden Beschreibung sind die in der Reaktionscharakteristik von 8 dargestellten Haltepunkte jeweils als Frequenz f4 und Frequenz f5 bezeichnet. Solche Haltepunkte treten aber in der Realität nicht auf und somit sind die um 3 dB vom Höchstwert gedämpften Frequenzen jeweils als Frequenz f4 und Frequenz f5 bezeichnet.
Zweite Ausführungsform
In Bezug auf 9 bis 11 wird eine weitere bevorzugte Gassensorvorrichtung gemäß einer zweiten mit der vorliegenden Erfindung angewendeten Ausführungsform beschrieben.
Die zweite Ausführungsform weist eine solche Charakteristik auf, dass ein zum Messen der absoluten Feuchtigkeit fähiges thermisches Feuchtigkeitssensorelement als Feuchtigkeitssensorelement angewendet wird.
9 zeigt eine Draufsicht eines thermischen Feuchtigkeitssensors, der zum Erzielen der Wirkungen der vorliegenden Erfindung geeignet ist. 10 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Linie X-X im Sensorelement 4b von 9.
Der thermische Feuchtigkeitssensor in der Ausführungsform umfasst ein mit einem aus Einkristallsilicium bestehenden Substrat 16 ausgestattetes Feuchtigkeitssensorelement 4b. Das Substrat 16 umfasst einen mit einem Isolierfilm 18a abgedeckten konkaven Teil 17. Der Isolierfilm 18a wird darauf mit wärmeerzeugenden Körpern (wärmebeständigen Körpern) 19, 20 aufgebracht. Die wärmeerzeugenden Körper 19, 20 werden auf den Isolierfilm 18a im konkaven Teil 17 gesetzt. Die wärmeerzeugenden Körper 19, 20 weisen jeweils eine Oberfläche auf, die mit einem Isolierfilm 18b zum Schutz abgedeckt ist. Die wärmeerzeugenden Körper 19, 20 sind mit Elektroden 21a–21d zu einer Lieferung und einer Entnahme von Spannungen und Strömen ausgestattet. Die Elektroden 21a–21d sind elektrisch mit einer Wärmesteuervorrichtung (nicht dargestellt) durch Golddrahtbondungs-Drähte oder Leitungsrahmen verbunden.
Ausgewählte Materialien mit einer hohen Temperaturkoeffizientenbeständigkeit für die wärmeerzeugenden Körper 19, 20 umfassen beispielsweise Platin (Pt), Tantal (Ta), Molybdän (Mo) und Silicium (Si). Für die Isolierschichten 18a, 18b auszuwählende Materialien umfassen Siliciumoxid (SiO₂) und Siliciumnitrid (Si₃N₄), die einzeln oder in Kombination in einer Schichtstruktur verwendet werden. Ferner können ausgewählte Materialien für die Isolierschichten 18a, 18b Harzmaterialien wie Polyimid, Keramik und Glas sein, die in jeglicher Kombination vorliegenden können. Ferner umfassen für die Elektroden 21a–21d auszuwählende Materialien Aluminium (Al), Gold (Au) u. Ä.
Die wärmeerzeugenden Körper 19, 20, der konkave Teil 4, die Isolierfilme 18a, 18b und die Elektroden 10a–10f werden mit einem Halbleiter-Feinverarbeitungsverfahren, bei dem Photolithographie verwendet wird, oder einem anisotropischen Ätzverfahren hergestellt.
Nachfolgend wird das Messprinzip des thermischen Feuchtigkeitssensors in der Ausführungsform beschrieben.
Der wärmebeständige Körper 19 wird auf etwa 400 bis 500°C erwärmt und gesteuert, während der wärmebeständige Körper 20 auf 200 bis 300°C erwärmt und gesteuert wird. Die Änderung der Feuchtigkeit der Luft ändert die Wärmeleitfähigkeit der Luft, wodurch sich die Menge der vom wärmebeständigen Körper 19 in die Luft abgegebenen Wärme ändert. Die Erkennung der Änderung der Menge der abgegebenen Wärme ermöglicht die Messung der absoluten Feuchtigkeit. Der wärmebeständige Körper 20 dient als ein wärmeerzeugender Körper, der hilft, die Temperatur um den wärmebeständigen Körper 19 konstant zu halten. Durch den wärmebeständigen Körper 20 kann die Temperatur um den wärmeerzeugenden Körper 19 konstant gehalten werden, selbst wenn sich die Temperatur der das Sensorelement 4b umgebenden Luft ändert, wodurch eine verbesserte Temperaturcharakteristik in der Feuchtigkeitsmessung bereitgestellt wird. Diese Ausführungsform umfasst den wärmebeständigen Körper 20; allerdings kann der wärmebeständige Körper 19 die Feuchtigkeitsmessung alleine ausführen. Wenn ein einzelner wärmebeständiger Körper verwendet wird, kann ein erforderlicher Temperatursensor verwendet werden, um zusätzlich einen Messfehler aufgrund einer Temperaturänderung zu kompensieren, wodurch die Kompensation der Temperaturcharakteristik ermöglicht werden kann.
Der thermische Feuchtigkeitssensor gemäß dieser Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass er eine geringe Wärmekapazität aufweist, indem der konkave Teil 17 zum Bereitstellen eines dünnen Filmteils ausgebildet ist, auf dem der wärmebeständige Körper 19 angeordnet ist. Diese Ausbildung ermöglicht es, dass der Sensor eine schnelle Reaktion in Bezug auf die Änderung der Wärmeleitfähigkeit der Luft aufweist. Andere Elemente des Feuchtigkeitssensors neben dem thermischen Feuchtigkeitssensorelement umfassen das Element in elektrostatischer Kapazitätsausführung. Das Element in elektrostatischer Kapazitätsausführung weist aufgrund seines Erkennungsprinzips eine langsame Reaktion auf, so dass die Änderung der dielektrischen Konstante auf Basis der Zunahme und Abnahme der Feuchtigkeit in einem auf einem Substrat ausgebildeten feuchtigkeitsempfindlichen Film erkannt wird. In Bezug auf die Feuchtigkeitsänderung weist die elektrostatische Kapazitätsausführung eine Reaktionsgeschwindigkeit von etwa 5 bis 10 Sekunden auf, während der thermische Feuchtigkeitssensor eine Reaktionsgeschwindigkeit von weniger als mehrere zehnfache Millisekunden aufweist.
Die mit dem thermischen Feuchtigkeitssensor ausgestattete Gassensorvorrichtung verfügt über die folgenden Vorgänge und Wirkungen, die nachfolgend beschrieben sind. Wie zuvor beschrieben weist der thermische Feuchtigkeitssensor eine Hochgeschwindigkeitsreaktions-Charakteristik auf und zusätzlich weist der Sensor ebenfalls eine Hochgeschwindigkeitsreaktion in Bezug auf die Druckänderung auf. Das Reaktionsverhalten des Feuchtigkeitssensorelements spielt in einer Druckkorrektur eine Rolle, in der ein Drucksensor verwendet wird.
11 zeigt einen Graphen, in dem das Reaktionsverhalten eines thermischen Feuchtigkeitssensors mit dem Reaktionsverhalten eines allgemeinen Drucksensors verglichen wird. Das thermische Feuchtigkeitssensorelement 4b und der Drucksensor weisen eine Reaktionsgeschwindigkeit von mehreren Millisekunden bis mehrere zehnfache Millisekunden (100 Hz bis 1 kHz) auf. Insbesondere weisen der thermische Feuchtigkeitssensor und der Drucksensor im Wesentlichen das gleiche Reaktionsverhalten auf. Der Betrieb eines Verbrennungsmotors mit hoher Drehzahl erzeugt ein Pulsieren des Ansauggases mit etwa 100 Hz, dem der thermische Feuchtigkeitssensor 4b und der Drucksensor problemlos folgen können. Somit kann bei der Verwendung des thermischen Feuchtigkeitssensorelements 4b ein erkannter Wert des thermischen Feuchtigkeitssensorelements 4b durch Verwenden eines erkannten Werts des Drucksensorelements 5 selbst in einem Zeitraum des Pulsierens des Ansauggases mit hoher Frequenz korrigiert werden. Dies ermöglicht eine sehr genaue Messung eines momentanen Werts der absoluten Feuchtigkeit selbst in einem Zeitraum des Pulsierens des Ansauggases mit hoher Frequenz.
Eine weitere Anwendung der Signalverarbeitungseinheit FLT1 für ein erkanntes Signal des Feuchtigkeitssensorelements 4 und der Signalverarbeitungseinheit FLT2 für ein erkanntes Signal des Drucksensorelements 5, die in 5 dargestellt sind, liefert eine noch bessere Genauigkeit. Der thermische Feuchtigkeitssensor 4b weist ein Element mit hoher Geschwindigkeit auf; die Reaktionsgeschwindigkeit von diesem unterscheidet sich jedoch etwas von der des Drucksensorelements 5. Daher werden die Signalverarbeitungseinheiten FLT1, FLT2 dazu verwendet, die Reaktionsgeschwindigkeit des Drucksensorelements 5 in die Nähe der Reaktionsgeschwindigkeit des Feuchtigkeitssensorelements 4b zu bringen oder die Reaktionsgeschwindigkeit des Feuchtigkeitssensorelements 4b in die Nähe der Reaktionsgeschwindigkeit des Drucksensorelements 5 zu bringen. Bei solch einer Verarbeitung erreichen das Drucksensorelement 5 und das thermische Feuchtigkeitssensorelement 4b die gleiche Charakteristik, wodurch eine einfachere Korrektur und bessere Genauigkeit erzielt werden. In einigen Fällen wird das thermische Feuchtigkeitssensorelement 4b so gesteuert, dass es eine niedrigere Reaktionsgeschwindigkeit durch Ändern einer Steuercharakteristik des wärmebeständigen Körpers 9 aufweist, insbesondere in einem Verbrennungsmotor eines Automobils und als Reaktion auf den Betriebszustand des Motors. Solch ein Fall kann zu einer größeren Änderung zwischen der Reaktionsgeschwindigkeit des thermischen Feuchtigkeitssensorelements 4b und der Reaktionsgeschwindigkeit des Drucksensorelements 5 führen. Die Signalverarbeitungseinheit FLT2 dient als ein Reaktionsgeschwindigkeitsanpassungs-Mittel (Reaktionsgeschwindigkeitsanpassungs-Einheit), das die Reaktionsgeschwindigkeit des Drucksensorelements 5 in die Nähe der Reaktionsgeschwindigkeit des Feuchtigkeitssensorelements 4b bringt.
In dieser Ausführungsform wird das thermische Feuchtigkeitssensorelement 4b als ein Feuchtigkeitssensor 4 verwendet, während die restlichen Komponenten aus den gleichen Elementen wie die erste Ausführungsform bestehen. Es ist darauf hinzuweisen, dass der Zustand von jeder Komponente des Verarbeitungsschaltkreises 14 unter Berücksichtigung der Reaktionsgeschwindigkeit des thermischen Feuchtigkeitssensorelements 4b angepasst wird.
Dritte Ausführungsform
Es wird eine Ausführungsform beschrieben, in der die vorliegende Erfindung auf eine zusammengesetzte Sensorvorrichtung angewendet wird, wobei der zusammengesetzte Sensor integral einen in einem Gasansaugkanal eines Verbrennungsmotors angeordneten Luftströmungsmesser und einen für die Temperatur und die Feuchtigkeit verwendeten Umweltsensor umfasst. Die zusammengesetzte Sensorvorrichtung der der nachfolgend zu beschreibenden Ausführungsform umfasst integral als ein Beispiel einen Ansauggas-Strömungssensor, einen Ansauggas-Temperatursensor, einen Feuchtigkeitssensor und einen Drucksensor.
12 zeigt eine Querschnittsansicht einer zusammengesetzten Sensorvorrichtung 22 der Ausführungsform und eine Struktur, in der die Vorrichtung installiert ist. Die zusammengesetzte Sensorvorrichtung 22 in 12 ist so in einem Gasansaugkanal 2 eines Verbrennungsmotors angeordnet, dass sie nach innen in den Kanal 2 hineinragt. Die zusammengesetzte Sensorvorrichtung 22 umfasst ein Gehäuse 3, das ein Feuchtigkeitssensorelement 4, ein Drucksensorelement 5, ein Strömungsmengen-Sensorelement 23 und ein Ansauggas-Temperatursensorelement 24 umfasst. Das Strömungsmengen-Sensorelement 23 besteht aus einem Element in thermischer Ausführung umfassend ein Halbleitersubstrat, ein auf dem Substrat ausgebildeten dünnen Filmteil und einen auf dem dünnen Filmteil angeordneten wärmeerzeugenden Körper (wärmebeständigen Körper), wobei die Strömungsmenge durch die Änderung der Menge der vom wärmeerzeugenden Körper abgegebenen Wärme oder die Änderung der Temperaturverteilung um den wärmeerzeugenden Körper gemessen wird. Das Gasansaug-Temperatursensorelement 24 kann aus einem Thermistor oder einem Temperaturmesswiderstand bestehen. Das Feuchtigkeitssensorelement 4, das Drucksensorelement 5, das Strömungsmengen-Sensorelement 23 und das Ansauggas-Temperatursensorelement 24 in einem gleichen Sensorpaket 10 integriert.
Das Gehäuse 3 umfasst einen Unterkanal 25, der zum Trennen des Luftstroms im Gasansaugkanal 2 angeordnet ist und das auf eine hervorragende Weise angeordnete Strömungsmengen-Sensorelement 23 umfasst. Das Sensorpaket 10 weist teilweise eine sich nach außen vom Gehäuse 3 erstreckende Trägerform auf und die Trägerform ist an einem distalen Ende von diesem mit dem Gasansaug-Temperatursensorelement 24 angeordnet.
13 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Bereichs von 12, in dem das Feuchtigkeitssensorelement 4 und das Drucksensorelement 5 angeordnet sind. Das Feuchtigkeitssensorelement 4 und das Drucksensorelement 5 sind in einer im Gehäuse 3 angeordneten Messkammer 7 (erster konkaver Teil) angeordnet. Die Messkammer 7 ist über einen Verbindungsteil 27 mit einer im Gehäuse angeordneten Expansionskammer 26 (zweiter konkaver Teil) verbunden. Die Expansionskammer umfasst einen sich zum Gasansaugkanal 2 öffnenden Verbindungsweg 8. Der Verbindungsweg 8 ist am Gehäuse 3 an einer Fläche (Seitenfläche) von diesem angeordnet, wobei sich die Fläche entlang des Stroms der Gasansaugkanals 2 erstreckt. Das Volumen ändert sich vom Verbindungsweg 8 zum Feuchtigkeitssensorelement 4 so, ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform, dass das Volumen durch den Verbindungsweg 8 am mit dem Gasansaugkanal 2 verbundenen Öffnungsteil kleiner wird, in der Expansionskammer 6 größer wird, am Verbindungsteil 7 kleiner wird und in der Messkammer 5 größer wird.
14 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Linie XIV-XIV in 13. Das Feuchtigkeitssensorelement 4 und das Drucksensorelement 5 in 14 sind durch das Sensorpaket 10 fixiert, das als Trägerelement dient. Das Trägerelement 10 besteht aus einem durch ein Spritzgussverfahren hergestellten Gusspaket. Das Feuchtigkeitssensorelement 4 umfasst eine Erkennungseinheit 11, die so ausgebildet ist, dass sie vom Paket freigelegt ist. Das Trägerelement 10 ist mit einer Basis 3a und einem Deckel 3b abgedeckt. Die Basis 3a und der Deckel 3b bilden zusammen das Gehäuse 3. Die Basis 3a und der Deckel 3b werden gegossen, verklebt oder miteinander so verbunden, dass sie die Messkammer 7, die Expansionskammer 26, den Verbindungsteil 27 und den Verbindungsweg 8 ausbilden.
Nachfolgend ist die Struktur des Sensorpakets 10, das durch Gießen verpackt wird, beschrieben.
15A zeigt ein Aussehen des Sensorpakets 10. Das Feuchtigkeitssensorelement 4, das Drucksensorelement 5 und das Strömungsmengen-Sensorelement 21 sind mit Gießharz so verpackt, dass die Erkennungseinheiten von diesem freigelegt sind. Das Gasansaug-Temperatursensorelement 24 ist in einem distalen Ende eines durch einen Teil des Pakets ausgebildeten Trägers 28 eingebettet, wobei der Teil hervorragt. Im Paket ist ein Halbleiterchip (Verarbeitungsschaltkreiseinheit) 14 montiert, der Operationen, Erkennungen und Korrekturen des Feuchtigkeitssensorelements 4, des Drucksensorelements 5, des Strömungsmengen-Sensorelements 23 und des Gasansaug-Temperatursensorelements 22 durchführt. Leitungsrahmen 12d, 12a ₁ weisen vom Paket 10 freigelegte und Klemmen ausbildende Teile auf, die zum Versorgen dieser Elemente mit Strom und zum Ausgeben von vom Halbleiterchip erkannten Signalen verwendet werden.
15B zeigt eine Innenstruktur des Sensorpakets 10. Das Feuchtigkeitssensorelement 4, das Drucksensorelement 5, das Strömungsmengen-Sensorelement 21 und der Halbleiterchip 14 sind auf dem Leitungsrahmen 12a verklebt und fixiert. Das Gasansaug-Temperatursensorelement 24 ist an einem distalen Ende eines sich mit dem Träger 28 erstreckenden Leitungsrahmens 12e angeordnet. Das Feuchtigkeitssensorelement 4 weist eine Elektrode auf, die durch Bondingdrähte 13f elektrisch mit dem Halbleiterchip 14 verbunden ist. Das Drucksensorelement 5 weist eine Elektrode auf, die durch Bondingdrähte 13g elektrisch mit dem Halbleiterchip 14 verbunden ist. Ähnlich ist das Strömungsmengen-Sensorelement 23 durch Bondingdrähte 13h mit dem Halbleiterchip 14 verbunden. Das Gasansaug-Temperatursensorelement 24 ist mit dem Halbleiterchip 14 durch Verbinden des Leitungsrahmens 12e mit dem Halbleiterchip 14 durch Bondingdrähte 13i elektrisch verbunden.
Die Stromversorgung des Halbleiterchips 14 und die erkannten Signale sind mit den Leitungsrahmen 12d, 12a ₁ über Bondingdrähte 13j verbunden und die Elektroden von diesen sind aus dem Paket 10 herausgeführt. In dieser Ausführungsform wird der Leitungsrahmen 12a ₁ als eine gemeinsame Erdungsklemme bezeichnet und wird als ein Element zum Montieren des Feuchtigkeitssensorelements 4, des Drucksensorelements 5, des Strömungsmengen-Sensorelements 21 und des Halbleiterchips 14 auf diesem verwendet.
16 zeigt einen Verarbeitungsmodus von Sensorsignalen des Halbleiterchips 14 gemäß der Ausführungsform. Der Halbleiterchip 14 umfasst einen A/D-Wandler AD1, der ein vom Feuchtigkeitssensor 4 gesendetes analoges Signal eingibt und das Eingangssignal in einen digitalen Wert umwandelt, und einen A/D-Wandler AD2, der ein vom Drucksensorelement 5 gesendetes analoges Signal eingibt und das Eingangssignal in einen digitalen Wert umwandelt. Das im A/D-Wandler AD1 in den digitalen Wert umgewandelte Feuchtigkeitssignal wird in einer Signalverarbeitungseinheit FLT1 dem Entfernen eines Signalrauschens unterzogen und anschließend in einer Berechnungseinheit PU eingegeben. Das im A/D-Wandler AD2 in den digitalen Wert umgewandelte Drucksignal wird in der Signalverarbeitungseinheit FLT2 dem Entfernen eines Signalrauschens und der zuvor beschriebenen Reaktionsgeschwindigkeitsanpassung unterzogen und anschließend in der Berechnungseinheit PU eingegeben. Der Verarbeitungsmodus umfasst ferner einen A/D-Wandler AD3, der ein vom Strömungsmengen-Sensorelement 21 gesendetes analoges Signal eingibt und das Eingangssignal in einen digitalen Wert umwandelt, und einen A/D-Wandler AD4, der ein vom Ansauggas-Temperatursensorelement 24 gesendetes analoges Signal eingibt und das Eingangssignal in einen digitalen Wert umwandelt. Die Berechnungseinheit PU führt eine Korrekturberechnung des Feuchtigkeitssignals durch. Die Korrekturberechnung bestimmt die Korrekturmenge auf Basis des Drucksignalwerts und einer vorab in einer Speichereinheit MMR gespeicherten festen Zahl und die bestimmte Korrekturmenge wird dem Feuchtigkeitssignal hinzugefügt. Anschließend wird das in der Berechnungseinheit PU korrigierte Feuchtigkeitssignal als AUSGABE ausgegeben. In dieser Ausführungsform kann von den Sensoren eine Vielzahl von Informationen gemessen werden und somit ist die Ausführungsform mit einem Ausgangsschaltkreis MP zur Ausgabe der gemessenen Sensorsignale ausgestattet. Der Ausgangsschaltkreis MP ist mit einer Multiplexerfunktion, die ein beliebiges Sensorsignal auswählt und das ausgewählte Signal ausgibt, oder einer Funktion, die eine Vielzahl von Sensorsignalen oder Stromspannung auf einer einzelnen Ausgangssignalleitung überlagert, ausgestattet.
Der Verarbeitungsschaltkreis 14 in dieser Ausführungsform führt eine Anpassungsverarbeitung der Reaktionsgeschwindigkeitsänderung zwischen dem erkannten Signal des Feuchtigkeitssensorelements 4 und dem erkannten Signalen des Drucksensorelements 5 durch, wobei die Verarbeitung in erster und zweiter Ausführungsform beschrieben ist.
Die Ausbildung in dieser Ausführungsform weist eine zusammengesetzte Struktur bestehend aus dem Strömungsmengen-Sensorelement 21, dem Gasansaug-Temperatursensor 24, dem Feuchtigkeitssensorelement 4 (4b) und dem Drucksensorelement 5 auf, und der mit einer digitalen Korrekturfunktion ausgestattete Halbleiterchip 14 kann wechselseitig das Signal von jedem Element korrigieren, um dadurch eine wesentlich bessere Genauigkeit zu erzielen. Beispielsweise kann das Signal des Strömungsmengen-Sensorelements 21 zusätzlich den Korrekturen für Feuchtigkeitsabhängigkeit und Druckabhängigkeit unterzogen werden.
Ferner sind das Feuchtigkeitssensorelement 4 und das Strömungsmengen-Sensorelement 21 miteinander kombiniert und somit kann die Kombination von diesen die einströmende Menge von in der Luft enthaltener Feuchtigkeit zusätzlich zur Luftstrommenge messen. Das als ein Feuchtigkeitssensorelement 4 verwendete thermische Feuchtigkeitssensorelement 4b ermöglicht eine einfache Messung der absoluten Feuchtigkeit, eine noch genauere Messung der einströmenden Menge von in der Luft enthaltener Feuchtigkeit und eine optimale Steuerung der Verbrennung eines Verbrennungsmotors.
Ferner weist das thermische Feuchtigkeitssensorelement 4b eine hervorragende Charakteristik bei einem Einsatz in einer Umgebung mit hoher Temperatur und einer Umgebung mit hoher Feuchtigkeit auf und somit kann es eine Gassensorvorrichtung mit wesentlich verbesserter Genauigkeit und Zuverlässigkeit in einem Einsatz in rauer Umgebung bereitstellen. Solch eine Gassensorvorrichtung kann in einem Gasansaugkanal 2 montiert werden, der einen Lader an einer stromabwärtigen Seite des Kanals in einem Verbrennungsmotor umfasst, und der wiederholten erhöhten und verringerten Drücken und im Kanal strömende Verunreinigungsstoffe wie Öl ausgesetzt ist.
Jede der zuvor beschriebenen Ausführungsformen ist so angeordnet, dass der Konzentrationssensor (einschließlich der Feuchtigkeitssensor) und der Drucksensor im gleichen Raum mit dem gleichen Raum angeordnet sind, wobei die Anordnung eine genaue Korrektur ermöglicht, bei der ein genauer Druckwert verwendet wird. Dies kann daher passende Korrekturwerte in einer Vielzahl von Betriebszuständen eines Verbrennungsmotors erzielen. Darüber hinaus kann die Gassensorvorrichtung allein den Druck korrigieren, was die Zahl von Mannstunden zum Anpassen der Gassensorvorrichtung für einen Verbrennungsmotor verringern kann. Ferner ermöglicht die Gassensorvorrichtung eine verringerte Zahl von Mannstunden zum Anpassen der Gassensorvorrichtung an verschiedene Arten von Fahrzeugen mit jeweils unterschiedlichen Sensorpositionen und Gasansaugformen.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die zuvor beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und verschiedene Modifizierungen von diesen umfassen kann. Beispielsweise sind die zuvor genannten Ausführungsformen ausführlich beschrieben, um ein einfaches Verstehen der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen, und die vorliegende Erfindung darf nicht auf eine Ausbildung beschränkt werden, in der alle zuvor beschriebenen Komponenten oder Elemente enthalten sind. Darüber hinaus kann eine der Ausführungsformen teilweise durch eine Ausbildung einer anderen Ausführungsform ersetzt werden und zusätzlich mit einer Ausbildung einer anderen Ausführungsform ausgestattet werden. Ferner kann jede der Ausführungsformen einen Ausbildungsteil aufweisen, der zusätzlich mit einer Ausbildung einer anderen Bauweise ausgestattet, von dem diese entfernt oder durch diese ersetzt ist.
Zusätzlich können die zuvor genannten Ausbildungen, Funktionen, Verarbeitungseinheiten und Verarbeitungsmittel vollständig oder teilweise durch Hardware wie beispielsweise einen so genannten integrierten Schaltkreis erzielt werden. Stattdessen können die zuvor genannten Ausbildungen, Funktionen, Verarbeitungseinheiten und Verarbeitungsmittel durch Software erzielt werden, wobei Prozessoren entsprechende zum Ausführen entsprechender Funktionen ausgebildete Programme ausführen.
Die enthaltenen Steuerleitungen und Informationsleitungen sind solche, die als in den Beschreibungen für erforderlich betrachtet werden, und nicht alle Steuerleitungen und Informationsleitungen sind in Produkten notwendig. Im Betrieb sind nahezu alle Komponenten als miteinander verbunden zu betrachten.
Bezugszeichenliste

1: Sensorvorrichtung
2: Gasansaugkanal
3: Gehäuse
3a: Basis
3b: Deckel
4, 4b: Feuchtigkeitssensorelement
5: Drucksensorelement
6: Ansauggas
7: Verbindungsweg
8: Gasansaugöffnung
10: Sensorpaket
11: Erkennungseinheit
12: Leitungsrahmen
13: Draht
14: Halbleiterchip
15: Vergießharz
16: Substrat
17: konkaver Teil
18: Isolierfilm
19, 20: wärmeerzeugender Körper
21: Elektrode
22: zusammengesetzte Sensorvorrichtung
23: Strömungsmengen-Sensorelement
24: Ansauggas-Temperatursensorelement
25: Unterkanal
26: Expansionskammer
27: Verbindungsteil
28: Träger

Claims

Gassensorvorrichtung, umfassend einen Konzentrationssensor zum Messen der Konzentration von Gas und einen Drucksensor zum Messen des Drucks des Gases, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst: ein Gehäuse; eine im Gehäuse angeordnete Messkammer, wobei die Messkammer von einem Luftstrom isoliert ist; und eine Verarbeitungsschaltkreis-Einheit, die ein Signal des Konzentrationssensors unter Verwendung eines Signals des Drucksensors anpasst, wobei der Konzentrationssensor und der Drucksensor in der Messkammer angeordnet sind.
Gassensorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Verarbeitungsschaltkreis-Einheit eine Reaktionsgeschwindigkeitsanpassungs-Einheit umfasst, die ausgebildet ist, um die Reaktionsgeschwindigkeit eines Drucksignals des Drucksensors in die Nähe der Reaktionsgeschwindigkeit eines Konzentrationssignals des Konzentrationssensors zu bringen.
Gassensorvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Reaktionsgeschwindigkeitsanpassungs-Einheit eine Funktion zum Entfernen oder Dämpfen einer Hochfrequenzsignal-Komponente von einem vom Drucksensor gesendeten Drucksignal aufweist, wobei die Hochfrequenzsignal-Komponente höher ist als eine Frequenz entsprechend der Reaktionsgeschwindigkeit eines Konzentrationssignals des Konzentrationssensors, und das Konzentrationssignal durch ein von der Reaktionsgeschwindigkeitsanpassungs-Einheit angepasstes Drucksignal korrigiert wird.
Gassensorvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Verarbeitungsschaltkreis-Einheit einen ersten A/D-Wandler und einen zweiten A/D-Wandler umfasst, wobei der erste A/D-Wandler ein vom Konzentrationssensor gesendetes Konzentrationssignal eingibt und das eingegebene Konzentrationssignal in einen digitalen Wert umwandelt, der zweite A/D-Wandler ein vom Drucksensor gesendetes Drucksignal eingibt und das eingegebene Drucksignal in einen digitalen Wert umwandelt, die Reaktionsgeschwindigkeitsanpassungs-Einheit eine Funktion zum Entfernen oder Dämpfen der Hochfrequenzsignal-Komponente vom in den digitalen Wert umwandelten Drucksignal aufweist, und die Gassensorvorrichtung ferner eine Berechnungseinheit umfasst, wobei die Berechnungseinheit eine Korrekturberechnung des vom ersten A/D-Wandler in den digitalen Wert umgewandelten Konzentrationssignals durchführt, wobei die Korrekturberechnung auf Basis des Drucksignals durchgeführt wird, von dem das Hochfrequenzsignal durch die Reaktionsgeschwindigkeitsanpassungs-Einheit entfernt oder gedämpft wurde.
Gassensorvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Messkammer einen Verbindungsweg zum Verbinden der Messkammer mit einem äußeren Raum, in dem zu messendes Gas strömt, umfasst, wobei der Verbindungsweg an einer Fläche des Gehäuses angeordnet ist, wobei sich die Fläche entlang des Stroms des Gases erstreckt.
Gassensorvorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Konzentrationssensor die Konzentration von Gas durch Nutzen des Phänomens misst, dass sich die Menge der von einem wärmebeständigen Körper abgegebenen Wärme entsprechend der Konzentration des Gases ändert.
Gassensorvorrichtung nach Anspruch 6, wobei der wärmebeständige Körper des Konzentrationssensors auf einem in einem Halbleitersubstrat ausgebildeten dünnen Teil angeordnet ist.
Gassensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Gehäuse integral ein Strömungsmengen-Sensorelement und ein Gasansaug-Temperatursensorelement umfasst und das Feuchtigkeitssignal oder das Drucksignal zum Korrigieren eines Strömungsmengensignals des Strömungsmengen-Sensorelements verwendet wird.