DE19511687A1 - Durchflußmengenaufnehmer - Google Patents

Description

Meßanordnungen zum Bestimmen der Menge eines strömenden Mediums sind in einer Reihe von Publikationen zu finden. Basis der beschriebenen Lösungen stellt das elektrocalorische Wirkprinzip dar. Ein Hauptaugenmerk gilt dabei der Ermittlung der Luftmenge im Ansaugkanal von Brennkraftmaschinen. Der­ artige Lösungen sind unter anderem in den Schriften DE OS 33 03 885, DE OS 34 44 347, DE OS 36 17 770, DE OS 36 28 017, DE OS 39 31 308, EP 0235 360 und US 44 09 828 aufgeführt.

Die Meßaufnehmer bestehen dabei aus einem Heizwiderstand und einem Meßwiderstand, der in Fließrichtung hinter dem Heizwiderstand angeordnet ist. Die Durchflußmenge wird auf der Grundlage von Änderungen der Wärmemenge ermittelt. Durch den Heizwiderstand erfolgt eine Erwärmung des zu messenden Fluids. Die Widerstände sind Bestandteile einer Widerstands­ brückenschaltung, wobei die Temperaturdifferenz zwischen dem Heizwiderstand und dem Fluid auf einem konstanten Wert gehalten wird und die erforderliche Kompensation ein Maß der Flußmenge ist.

Diese Lösungen werden im Ansaugrohr von Brennkraftmaschinen installiert und sind für eine Miniaturisierung bei einer Massenproduktion wenig geeignet. Durch den Einsatz von Metalldrähten als Widerstände wird dieser Umstand noch unterstrichen.

In den Schriften DE OS 36 04 202, DE OS 36 23 109, DE OS 42 41 333 und EP 0147 831 werden einzelne Meßfühler aufgezeigt, die in den Fluidstrom installiert werden müssen. Sie unterscheiden sich durch spezielle Konstruktionen und Anordnungen der Heiz-, Meßwiderstände und Auswerteelektronik voneinander. Für eine Miniaturisierung sind diese Anordnungen nicht geeignet.

Ein thermischer Durchflußsensor ist in der DE OS 36 28 017 aufgezeigt. Grundlage bildet ein Siliziumchip auf dem über einem elektrisch isolierendem Film sowohl der Heiz- als auch mit einem räumlichen Abstand der Meßwiderstand angeordnet sind. Das Siliziumchip ist unterhalb parallel zu einem der beiden Widerstände weggeätzt. Damit befindet sich zwischen dem Fluid und mindestens einem der Widerstände der elektrisch isolierende Film, der damit einen der Widerstände trägt. Hauptaugenmerk gelten dem Substrat, auf dem sowohl der Heiz- als auch der Meßwiderstand angeordnet sind, wobei zumindest ein Teil des Substrates, der mindestens einem dieser Wider­ stände entspricht sowie zusätzlich angrenzende Teile dieses Bereiches weggeätzt sind. Dazu wird das Substrat auf einer Stützplatte befestigt und der so beschriebene Sensor im zu messenden Fluidstrom plaziert.

Damit muß dieser Sensor innerhalb des Gefäßsystems des Fluids angeordnet werden.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen leicht zu installierenden Sensor zu schaffen, der sich weiterhin durch seinen einfachen Aufbau verbunden mit einer guten Reproduzierbarkeit in der Massenfertigung auszeichnet.

Dieses Problem wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß ein kompletter Sensor mit einfach handzuhabenden Anschlußmöglichkeiten zur Verfügung steht. Insgesamt ist dieser leicht durch entsprechende Plastspritzeinrichtungen herstellbar. Das Substrat kann durch die bekannten Verfahren der Halbleiterindustrie auch in großen Stückzahlen über die Anwendung von Wafern produziert werden. Mit dem Einsatz von herausgeführten elektrischen Kontakten in einem in der elektronischen Bauelementeindustrie angewandten Anschlußraster von 2,5 mm ergibt sich eine einfache Montagemöglichkeit mit den bestehenden Verfahren der Bauelementeträgertechnologie. Somit ist die Lösung in mit elektronischen Bauelementen versehenen Baugruppen integrierbar. Damit ergeben sich kom­ pakte Baueinheiten, die wiederum Bestandteil weiterer Geräte­ bestandteile sein können. Die Realisierung selbst und die Herstellung von auf spezifische Anwendungsmöglichkeiten angepaßter Standardbaueinheiten, die innerhalb eines Baukastensystems einsetzbar sind, sind damit leicht möglich. Mit der Realisierung eines Bypasses in einer weiteren Ausführungsform können größere Flußmengen ausgewertet werden. Weiterhin ist bei dieser Anwendung die Gefahr einer Ver­ stopfung durch im Fluid vorhandene Schmutzpartikel geringer. Der Nachteil einer Verstopfung des Kanals oder des Bypasses wird mit der Realisierung einer durchgehenden Nut mit den Abmessungen der Grundfläche des Grabens sowohl in der Grund­ platte als auch in den Rohrwandungen der rohrförmigen Stutzen und Wegfall der Wand zwischen den Stutzen behoben. Damit können hochviskose Medien oder Medien mit Partikeln mengen­ mäßig ausgewertet werden. Durch den Einsatz mehrerer Meß­ widerstände vor und nach dem Heizwiderstand ist eine bessere Empfindlichkeit unabhängig der Fließrichtung des Fluids er­ reichbar. Der Durchflußmengenaufnehmer eignet sich besonders für eine Miniaturisierung.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patent­ ansprüchen 2 bis 4 angegeben.

Die Weiterbildung nach Patentanspruch 2 ermöglicht eine ein­ fache Montagemöglichkeit des Substrates, eine einfache Kontaktiermöglichkeit der Widerstände zu den herausgeführten elektrischen Kontakten und durch vollständige Kapselung der elektrischen Bauteile eine einfache und unkomplizierte Hand­ habung des Durchflußmengenaufnehmers. Weiterhin wird durch diese Anordnung der Widerstände erreicht, daß der elektrische Widerstandswert unabhängig von sich einstellenden mechanischen Spannungen bei der Montage des Substrates auf die Grundplatte bleibt.

Eine einfache Realisierungsvariante für das Befestigen auf der Grundplatte zeigt die Weiterbildung nach Patentanspruch 3.

Die auf der Grundplatte angeordneten Anschlagelemente nach der Weiterbildung nach Patentanspruch 4 führen zu einer paßgenauen und einfachen Montage des Substrates auf der Grundplatte.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung des Durchflußmengenaufnehmers,

Fig. 2 eine Schnittdarstellung einer weiteren Variante des Durchflußmengenaufnehmers mit einem Bypass,

Fig. 3 eine Schnittdarstellung einer dritten Variante des Durchflußmengenaufnehmers mit einer Nut sowohl in der Grundplatte als auch in den Rohrwandungen der Stutzen und

Fig. 4 Anordnung eines Widerstandes.

An Hand der Fig. 1, die den Durchflußmengenaufnehmer im Schnitt darstellt, wird das erste Ausführungsbeispiel näher erläutert. Grundlage bildet das elektrokalorische Wirkprinzip. Über Heizwiderstände wird das Fluid erwärmt und die Reaktion des Fluids über Meßwiderstände erfaßt. Dazu werden auf einem Substrat 3, welches aus Silizium besteht, sowohl die Heiz­ widerstände als auch in Fließrichtung vor und nach diesen mehrere Meßwiderstände räumlich voneinander getrennt und prallel zueinander plaziert. Damit besteht eine elektrische Isolation zwischen den einzelnen Widerständen. Dabei handelt es sich um implantierte einkristalline Siliziumwiderstände, die entsprechend der Fig. 4 so angeordnet sind, daß das elek­ trische Feld im Widerstand in einem Winkel von 45° zu der Kristallrichtung <110< steht. Durch das Aufbringen mehrerer Widerstände als Meßwiderstände wird eine höhere Empfindlichkeit erreicht. Mit der Anordnung der Meßwiderstände in einer mög­ lichen Fließrichtung hinter und vor den Heizwiderständen ist eine Strömungsumkehr erfaßbar. Weiterhin befinden sich auf dem Substrat 3 Kontaktstellen, die mit den einzelnen Anschlüssen der Widerstände elektrisch leitend verbunden sind. Diese Kontaktstellen stellen gleichzeitig Bondstellen dar, so daß eine leichte elektrische Kontaktierung zwischen den Bondstellen und elektrischen Drahtkontakten 5 gegeben ist. Diese elektrischen Drahtkontakte 5 sind so um das Sub­ strat 3 plaziert und aus dem Gehäuse 4 herausgeführt, daß ein Raster von 2,5 mm eingehalten wird. Damit ist der Durch­ flußmengenaufnehmer durch Montagetechnologien für elek­ tronische Bauelemente auf entsprechende Bauelementeträger leicht montierbar und mit diesem kontaktierbar. Auf dem Bauelementeträger ist die Auswerteelektronik angeordnet und damit entsteht eine abgeschlossene Funktionseinheit, die analog eines Baukastensystems aufbaubar und anwendbar ist. Das Substrat 3 weist auf der mit den Widerständen bestückten gegenüberliegenden Seite einen geätzten Graben auf. Dieser Graben ist kürzer als das Substrat 3, berührt die Substrat­ kanten nicht und befindet sich in Fließrichtung unterhalb der Widerstände. Das Substrat 3 ist mit einer Grundplatte 2 so verklebt, daß der Graben und die Oberfläche der Grund­ platte 2 einen vollständig gasdichten Hohlraum bilden. Die Positionierung des Substrates 3 auf der Grundplatte 2 wird durch sechs Anschlagelemente 8 unterstützt. Die Grundplatte 2 ist auf der anderen Seite mit rohrförmigen Stutzen, die als Einlaß- 1 und Auslaßstutzen 7 fungieren, fest verbunden. Mittig unterhalb der Heizwiderstände befindet sich eine Rohr­ wand 6, so daß eine räumliche Trennung des Einlaß- 1 und Auslaßstutzens 7 vorhanden ist. In den Rohrwandungen der Stutzen und der Grundplatte 2 sind zu den Enden des Grabens je eine durchgehende Öffnung vorhanden. Damit entsteht ein durchgehender Hohlraum vom Einlaßstutzen 1 über die durch­ gehende Öffnung in dessen Rohrwand und der Grundplatte 2 zum Graben des Substrates 3 und von dort über die durchgehende Öffnung der Grundplatte 2 und der Rohrwand des Auslaßstutzens 7 zu diesem selbst hin.

Ein zweites Ausführungsbeispiel wird an Hand der Fig. 2, die den Durchflußmengenmesser mit einem Bypass zeigt, näher erläutert.

Der Aufbau dieses Ausführungsbeispieles ist bis auf einen Unterschied analog dem ersten. Der Unterschied besteht in einer Öffnung oder mehreren Öffnungen, die als Bypass fun­ gieren, in der Rohrwand 6 zwischen dem Einlaß- 1 und Aus­ laßstutzen 7. Diese ist dem zu messenden Durchflußmengen anpaßbar und es ergibt sich ein universeller Einsatz. Die Erfassung der Durchflußmenge erfolgt über den Kanal, der durch die durchgehenden Öffnungen in den Rohrwänden der Ein­ laß 1 und Auslaßstutzen 7, der Grundplatte 2 und dem Graben im Substrat 3 gebildet wird. Dadurch ist es möglich, wesent­ lich größere Durchflußmengen als im ersten Ausführungsbeispiel zu erfassen.

Weitere Ausführungsbeispiele ergeben sich durch das Einbringen von Nuten in die Grundplatte 2 oder in die Grundplatte 2 und die Rohrwandungen der Einlaß- 1 und Auslaßstutzen 7. Diese Nuten entsprechen den Abmessungen der Grundfläche des Grabens im Substrat 3.

Im Falle einer Nut in der Grundplatte 2 entsteht analog zum zweiten Ausführungsbeispiel ein Kanal, der sich dadurch auszeichnet, daß der Querschnitt durch die Tiefe des Grabens des Substrates 3 und der Dicke der Grundplatte 2 bestimmt wird. Natürlich müssen bei dieser Lösung die Öffnungen in den rohrförmigen Einlaß- 1 und Auslaßstutzen zu der Nut hin vorhanden sein.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel entsprechend der Schnittdarstellung der Fig. 3 ist die Nut sowohl in der Grundplatte 2 als auch in den Rohrwänden des Einlaß- 1 und Auslaßstutzens 7 mit mindestens den Abmessungen der Grund­ fläche des Grabens im Substrat 3 realisiert. Dabei kommt das Fluid direkt mit dem Substrat 3 in Kontakt. Entfällt zusätzlich bei diesem Ausführungsbeispiel die Rohrwand 6, kann der Durchfluß auch stark verschmutzter Fluide mit dieser Anordnung ausgewertet werden. Die Nutwandungen sind dabei vom Graben im Substrat 3 zu den Einlaß- 1 und Auslaßstutzen 7 hin abgeschrägt.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das komplette Substrat 3 direkt in dem Fluidstrom plaziert, wodurch ein umfassender Kontakt des Substrates 3 mit dem Fluid gegeben ist.

Die Ausführungsbeispiele unterstreichen die universellen Anwendungsmöglichkeiten des beschriebenen Durchflußmengen­ aufnehmers sowohl in der Makro- als auch Mikrotechnik.

Claims (4)

1. Durchflußmengenaufnehmer nach dem elektrokalorischem Prinzip, gekennzeichnet dadurch, daß auf einem Substrat (3) Heizwiderstände und in Fließrichtung jeweils vor und nach diesen mindestens zwei Meßwiderstände, wobei die Anschlüsse der Heizwiderstände und der Meßwiderstände elektrisch mit Kontaktstellen verbunden sind, räumlich voneinander getrennt und parallel zueinander angeordnet sind, daß sich auf der gegenüberliegenden Oberfläche in Fließrichtung ein Graben unterhalb der Heizwiderstände und der Meßwiderstände befindet, daß dieser Graben kürzer als das Substrat (3) ist und die Substratkanten nicht berührt, daß das Substrat (3) mit dem Graben so auf einer Grundplatte (2) mit daran befestigten rohrförmigen Einlaß- (1) und Auslaßstutzen (7) plaziert ist, daß entweder durch zwei durchgehende Öffnungen in der Grund­ platte (2) und der Wandungen der rohrförmigen Einlaß- (1) und Auslaßstutzen (7) zu den Enden des Grabens des Substrates (3) hin, oder durch eine Nut in der Grundplatte (2) mit Öffnungen in den Wandungen der rohrförmigen Einlaß- (1) und Auslaßstutzen (7) zu der Nut hin oder durch eine Nut in der Grundplatte (2) und den Wandungen der rohrförmigen Einlaß- (1) und Auslaßstutzen (7) mit der Länge des Grabens und zu diesem positioniert, wobei die rohrförmigen Einlaß- (1) und Auslaßstutzen (7) miteinander verbunden und entweder durch eine Rohrwand (6) voneinander getrennt sind oder daß diese Rohrwand (6) mindestens eine Öffnung in Längsrichtung zum Substrat (3) aufweist, ein durchgehender Hohlraum vom rohrförmigen Einlaßstutzen (1) über entweder dessen Öffnung, den Graben im Substrat (3), der Öffnung des rohrförmigen Auslaßstutzens (7) oder der Nut in der Grundplatte (2) mit den Öffnungen in den Wandungen der rohrförmigen Einlaß- (1) und Auslaßstutzen (7) oder der Nut in der Grundplatte (2) und den Wandungen der rohrförmigen Einlaß- (1) und Auslaß­ stutzen (7) zum rohrförmigen Auslaßstutzen (7) vorhanden ist.

2. Durchflußmengenaufnehmer nach Patentanspruch 1, gekenn­ zeichnet dadurch, daß sich das Substrat (3) in einem abgeschlossenem Gehäuse (4) befindet und aus Silizium besteht, daß die Heiz- und Meßwiderstände implantierte Siliziumwiderstände, die so angeordnet sind, daß das elektrische Feld im Widerstand mit einem Winkel von 45° zu der Kristallrichtung <110< des Siliziums steht, darstellen und daß die Kontaktstellen als Bondstellen, wobei diese mit aus dem Gehäuse (4) herausgeführten elektrischen Draht­ kontakten (5) verbunden sind, ausgeführt sind.

3. Durchflußmengenaufnehmer nach den Patentansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß das Substrat (3) bis auf die Grabenfläche flächig auf der Grundplatte (2) verklebt ist.

4. Durchflußmengenaufnehmer nach den Patentansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß sich auf der Grundplatte (2) mindestens ein Anschlagelement (8) für das Substrat (3) be­ findet.