-
Die
Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Messung der Masse eines
strömenden
Mediums nach der Gattung des Anspruchs 1. Es ist bereits eine Vorrichtung
bekannt (DE-OS 42
19 454), die ein plattenförmiges
Sensorelement mit einer dielektrischen Membran besitzt, das mittels
Klebstoff flächig, das
heißt,
mit einem großen
Teil seiner Fläche
in eine Ausnehmung eines Sensorträgers eingeklebt ist. Die flächige Verklebung
des Sensorelements in der Ausnehmung stellt dabei sicher, daß es zu
keiner Unterströmung
des Sensorelements in der Ausnehmung, insbesondere eines von der
Membran des Sensorelements und einer Bodenfläche der Ausnehmung ausgesparten
Hohlraums, kommt, die ansonsten eine nachteilige Beeinflussung des
Meßergebnisses zur
Folge hätte.
Bei einer flächigen
Klebung ist jedoch insbesondere bei der Montage und beim Klebvorgang
des Sensorelements eine hohe Bruchgefahr vorhanden. Um diese Bruchgefahr
zu verringern, ist eine Befestigungsweise bekannt, bei der das Sensorelement
nur einseitig in die Ausnehmung eingeklebt wird, so daß dieses
mit seiner Membran freitragend in der Ausnehmung untergebracht ist.
Bei einer derartigen freitragenden Befestigungsweise des Sensorelements
kann es jedoch zu einer unerwünschten Unterströmung des
Sensorelements in der Ausnehmung kommen, welche sich nachteilig
auf das Meßergebnis
der Vorrichtung auswirkt.
-
Aus
der
US 5 205 170 ist
eine Vorrichtung zur Messung der Masse eine strömenden Mediums bekannt, bei
der ein plattenförmiges
Sensorelement auf einem Sensorträger
angeordnet ist, wobei letzterer auf seiner Bodenfläche plateauförmige Erhebungen
aufweist.
-
Vorteile der
Erfindung
-
Der
erfindungsgemäße Vorrichtung
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den
Vorteil, daß eine
Bruchgefahr des Sensorelements erheblich verringert ist, wobei außerdem eine
Unterströmung
des Sensorelements zuverlässig
verhindert wird, so daß ein
präzises
Meßergebnis
erzielbar ist.
-
Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch
1 angegebenen Vorrichtung möglich.
-
Zeichnung
-
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen 1 eine
Querschnittsdarstellung eines Sensorträgers mit einem Sensorelement
gemäß einem ersten
erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung, 2 eine Draufsicht auf den Sensorträger nach 1, 3 eine
Querschnittsdarstellung des Sensorträgers mit dem Sensorelement
gemäß einem
zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung, 4 eine Draufsicht auf den Sensorträger nach 3.
-
Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
-
Der
in 1 im Querschnitt dargestellte Sensorträger 1 ist
für ein
plattenförmiges
Sensorelement 2 vorgesehen. Der Sensorträger 1 und
das Sensorelement 2 sind Teil einer nicht näher dargestellten
Vorrichtung zur Messung der Masse eines strömenden Mediums, insbesondere
der Ansaugluftmasse einer Brennkraftmaschine. Der Sensorträger 1 dient
zur Aufnahme und zur Halterung des Sensorelements 2, das
einen membranförmigen
Sensorbereich hat, der beispielsweise in Form einer dielektrischen
Membran 4 ausgebildet ist. Das Sensorelement 2 beziehungsweise
die Membran 4 kann durch Ausätzen eines Halbleiterkörpers, beispielsweise
eines Siliziumwafers, in sogenannter mikromechanischer Bauweise
hergestellt werden. Auf der Membran 4 ist zur Messung der
Masse des strömenden Mediums
wenigstens ein temperaturabhängiger Meßwiderstand 6 und
beispielsweise wenigstens ein Heizwiderstand vorgesehen, die zum
Beispiel ebenfalls durch Ausätzen
hergestellt sind. Außerhalb
der Membran 4 kann auf dem Sensorelement 2 ein
Referenzwiderstand vorgesehen sein. Der Meßwiderstand 6, der
Heizwiderstand und der Referenzwiderstand sind beispielsweise durch
Leiterbahnen und mittels auf Bondpads aufgebrachten Drähten 10 mit einer
nicht näher
dargestellten, elektronischen Regelschaltung elektrisch verbunden.
Die elektronische Regelschaltung dient in bekannter Weise zur Strom- beziehungsweise
Spannungsversorgung der Widerstände
auf dem Sensorelement 2 und zur Auswertung der von den
Widerständen
abgegebenen elektrischen Signale. Die Regelschaltung kann zum Beispiel
in einem Gehäuse
oder außerhalb
des Gehäuses
der Vorrichtung untergebracht sein. Die dielektrische Membran 4 besteht
beispielsweise aus Siliziumnitrid und/oder Siliziumoxid. Der Heizwiderstand ist
in Form einer elektrischen Widerstandsschicht ausgebildet, die sich
bei Stromfluß erwärmt und
die Membran 4 auf eine oberhalb der Temperatur des zu messenden
Mediums liegende Temperatur aufheizt. Der Heizwiderstand kann beispielsweise
aus einem Metall oder auch aus entsprechend dotiertem Silizium bestehen.
Der Meßwiderstand
und der Referenzwiderstand können
beispielsweise auch aus einer elektrischen Widerstandsschicht bestehen,
deren Leitfähigkeit
sich in Abhängigkeit
von der Temperatur verändert.
Geeignete Materialien für
diese Widerstandsschichten sind Metalle oder entsprechend dotiertes
Silizium.
-
Das
Sensorelement 2 hat eine plattenförmige, beispielsweise rechteckige
Form und ist mit seiner größten Oberfläche 8 in
etwa parallel zum in die Zeichenebene der 1 hineinströmenden Medium ausgerichtet,
wobei eine kurze Seite des beispielsweise rechteckigen Sensorelements 2 in
Strömungsrichtung
verläuft.
Die Strömungsrichtung
des Mediums ist in den 2 und 4 durch
entsprechende Pfeile 9 gekennzeichnet und verläuft dort
von oben nach unten. Durch den auf der Membran 4 aufgebrachten
Heizwiderstand wird die Membran 4 auf eine Temperatur aufgeheizt,
die höher
ist als die Temperatur des vorbeiströmenden Mediums. Die vom vorbeiströmenden Medium
im wesentlichen aufgrund von Konvektion abgeführte Wärmemenge des Heizwiderstandes
ist abhängig
von der Masse des strömenden
Mediums, so daß durch
Messung der Temperatur der Membran 4 die Masse des strömenden Mediums
bestimmt werden kann. Die Messung der Membrantemperatur kann durch
den Meßwiderstand 6 oder
durch Messung des Widerstandes des Heizwiderstandes erfolgen. Der
Referenzwiderstand dient dazu, den Einfluß der Temperatur des strömenden Mediums
zu kompensieren, wobei davon ausgegangen wird, daß das Sensorelement 2 außerhalb
der Membran 4 die Temperatur des Mediums annimmt.
-
Der
Sensorträger 1 besteht
vorzugsweise aus Metall und kann durch Falten eines dünnen Metallstreifens
hergestellt werden, wofür
sich Stanz-, Biege-, Falt-, Tiefzieh- und Prägeverfahren eignen. Im Endzustand
des gebogenen Metallstreifens liegen etwa zwei gleich große Elemente 14 und 15 aneinander.
Im folgenden wird das das Sensorelement 2 umgebende, nicht
gebogene Element 14 als Rahmenelement 14 und das
darunter gebogene Element 15 als Halteelement 15 bezeichnet.
Das Halteelement 15 bedeckt im fertig gebogenen Zustand
von etwa 180 Grad eine Öffnung 19 des
nicht gebogenen Rahmenelements 14, um gemeinsam mit dem
Rahmenelement 14 eine Ausnehmung 20 zur Aufnahme
des Sensorelements 2 zu begrenzen. Das Rahmenelement 14 beziehungsweise
die Ausnehmung 20 hat einen Querschnitt, welcher in etwa
der beispielsweise rechteckigen Form des Sensorelements 2 entspricht
und hat eine Tiefe t, die größer ist
als eine quer zur Strömung 9 gemessene
Dicke d des Sensorelements 2, um so das Sensorelement 2 vollständig in
der Ausnehmung 20 aufzunehmen. Das Sensorelement 2 ist
dabei in der Ausnehmung 20 mit seiner Oberfläche 8 in
etwa fluchtend zu einer Oberfläche 37 des
Rahmenelements 14 untergebracht. Nach dem Falten des Metallstreifens
kann das Halteelement 15 mittels eines an einer Außenfläche 22 des Halteelements 15 angreifenden
Werkzeugs, beispielsweise eines Prägewerkzeugs, verformt werden,
so daß eine
verformte Teilfläche
einer von der Ausnehmung 20 des Rahmenelements 14 begrenzten
Bodenfläche 25 des
Halteelements 15 in Form einer beispielsweise rechteckigen,
plateauförmigen
Erhebung 26 etwas in die Ausnehmung 20 des Rahmenelements 14 ragt.
Die im Bereich der Öffnung 19 des
Rahmenelements 14 ausgebildete, plateauförmige Erhebung 26 hat
parallel zur Mediumströmungsrichtung
gesehen einen etwas kleineren Querschnitt als ein Querschnitt der Öffnung 19 und
des auf die Erhebung 26 aufgesetzten Sensorelements 2,
so daß der Bereich
der Membran 4 mit dem Hohlraum 5 von der Erhebung 26 abgedeckt
wird.
-
Erfindungsgemäß ist zwischen
der plateauförmigen
Erhebung 26 und einer die Ausnehmung 20 begrenzenden
umlaufenden Seitenwand 27 des Rahmenelements 14 beziehungsweise
einer umlaufenden Seitenwand 28 des Halteelements 15 ein Strömungskanal 30 vorgesehen.
Dabei kann ein Teil 33 der umlaufenden Seitenwand 27 des
Rahmenelements 14, der stromaufwärts oder stromabwärts liegt, beispielsweise
fluchtend zur entsprechend stromaufwärts oder stromabwärts liegenden
Seitenwand 28 des Halteelements 15 und ein Teil 29 der
parallel zur Strömung 9 verlaufenden
Seitenwand 27 mit einem Versatz zur Seitenwand 28 des
Halteelements 15 ausgebildet sein. Der zwischen der plateauförmigen Erhebung 26 und
der Seitenwand 28 des Halteelements 15 vorgesehene
Strömungskanal 30 ist
in Form einer rinnenförmigen
Vertiefung aus der Bodenfläche 25 des
Halteelements 15 ausgenommen und hat beispielsweise einen
rechteckförmigen
Querschnitt. Es ist aber auch möglich,
den Querschnitt der rinnenförmigen
Vertiefung 30 dreieckig, halbkreisförmig oder dergleichen auszubilden.
Die rinnenförmige Vertiefung 30 wird
beispielsweise automatisch bei der Ausformung der plateauförmigen Erhebung 26 gebildet.
-
Wie
in der 2, einer Draufsicht auf den Sensorträger 1,
dargestellt ist, verläuft
der Strömungskanal 30 vollständig um
die plateauförmige
Erhebung 26 herum. Der in 2 durch
eine strichpunktierte Linie gekennzeichnete Strömungskanal 30 erstreckt
sich dabei entlang des Umfangs des Sensorelements 2, so
daß unterhalb
des Sensorelements 2 entlang seiner Seitenflächen 32 zum
Halteelement 15 hin rahmenförmig der Strömungskanal 30 verläuft. Das
Sensorelement 2 hat einen etwas kleineren Querschnitt als
die Ausnehmung 20, so daß sich zwischen den umlaufenden Seitenflächen 32 des
Sensorelements 2 und der Seitenwand 27 des Rahmenelements 14 entlang
des Umfangs des Sensorelements 2 ein äußerst geringer Spalt 23 auf
der stromaufwärts
gerichteten Seite und ein äußerst geringer Spalt 24 auf
der stromabwärts
gerichteten Seite ergibt, der in den Strömungskanal 30 übergeht.
Insbesondere besitzt der der Strömung 9 zugewandte Spalt 23 ein
Spaltbreite, die in der Größenordnung von
wenigen Mikrometern liegt. Aufgrund der geringen Spaltbreite insbesondere
des der Strömung 9 entgegengerichteten
Spalts 23 ist eine hohe Drosselwirkung auf die Strömung vorhanden,
so daß nur
ein äußerst geringer
Teil des Mediums in den Spalt 23 einströmen kann. Der weitaus größte Teil
des Mediums strömt
daher weiter ungestört
vom Spalt 23 von einer Anströmkante 34 über die
Oberfläche 37 des Rahmenelements 14 und über die
Oberfläche 8 des Sensorelements 2 hinweg.
Das in äußerst geringem Maße über den
Spalt 23 in den Strömungskanal 30 einströmende Medium
wird erfindungsgemäß mittels des
im Vergleich zum Spalt 23 einen großen Querschnitt aufweisenden
Strömungskanals 30 um
den Bereich der Membran 4 des Sensorelements 2 herumgeleitet,
wonach das Medium die Ausnehmung 20 aus dem der Strömung 9 abgewandten
hinteren Spalt 24 wieder verläßt. Die erfindungsgemäße Umleitung der
Strömung
am Rand des Sensorelements 2 verhindert, daß das über den
Spalt 23 einströmende
Medium in einen von der Membran 4 und der plateauförmigen Erhebung 26 begrenzten
Hohlraum 5 unterhalb der Membran 4 des Sensorelements 2 gelangen kann.
Eine Strömung
unterhalb der Membran 4 beziehungsweise im Hohlraum 5 hätte ansonsten
eine unerwünschte
Wärmeabfuhr
an der Membran 4 zur Folge, die nicht von der Masse des
außerhalb
strömenden
Mediums abhängt,
wodurch das Meßergebnis
nachteilig beeinflußt
würde.
Mit Hilfe des Strömungskanals 30 ist
es daher möglich,
auf eine sogenannte Dichtklebung des Sensorelements 2 in
der Ausnehmung 20 zu verzichten, bei welcher das Sensorelement 2 mit
einem großen
Teil seiner Fläche
in die Ausnehmung 20 eingeklebt wird, um mittels der flächigen Verklebung
eine Unterströmung
der Membran zu verhindern. Es ist daher ausreichend, das Sensorelement 2 nur
einseitig in einem Klebebereich 39, der nicht bis zur Membran 4 reicht,
auf der in den 1 bis 4 links
dargestellten Seite an die plateauförmige Erhebung 26 mittels
eines Klebemittels 40 anzukleben; so daß der die Membran 4 umfassende
restliche Bereich des Sensorelements 2 mit geringem Abstand
zur plateauförmigen
Erhebung 26 quasi freitragend in der Ausnehmung 20 gehalten
wird. Das Klebemittel 40 wird beim Klebvorgang auf die
Erhebung 26 derart aufgebracht, daß möglichst kein Klebemittel 40 in
den Strömungskanal 30 gelangt. wie
in der 2 dargestellt ist, kann das Rahmenelement 14 zur
Lagezentrierung des Sensorelements 2 in der Ausnehmung 20 an
seinen parallel zur Strömung 9 verlaufenden,
kurzen Seitenwänden 27 Bereiche 44 aufweisen,
die derart ausgebildet sind, daß der
parallel zur Strömung 9 verlaufende
Teil 31 des Strömungskanals 30 zumindest
teilweise von den parallel zur Strömung 9 verlaufenden
Bereichen 44 der Seitenwände 27 des Rahmenelements 14 überdeckt wird.
Dabei können
Eckbereiche 45 der Seitenwände 27 des Rahmenelements 14 eine
abgerundete Form aufweisen, um eine einfache Herstellung der Seitenwände 27 des
Rahmenelements 14 zu ermöglichen. Beispielsweise können die
in 2 links darstellten Eckbereiche 45 der
Ausnehmung 20 auch derart abgerundet sein, daß diese
teilweise über
den Bereich des Strömungskanals 30 hinausgehen,
so daß der Strömungskanal 30 und
die Bodenfläche 25 des
Halteelements 15 teilweise nicht vom Rahmenelement 14 abgedeckt
ist.
-
Die 3 zeigt
ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
des Sensorträgers 1,
bei dem alle gleichen oder gleichwirkenden Teile mit den gleichen
Bezugszeichen des ersten Ausführungsbeispiels
nach den
-
1 und 2 gekennzeichnet
sind. Wie in der 3, einer Querschnittsdarstellung
des Sensorträgers 1 mit
dem Sensorelement 2, dargestellt ist, können anstelle der plateauförmigen einzigen
Erhebung 26 auch zwei plateauförmige Erhebungen 41, 42 vorgesehen
sein, die im folgenden als erste Erhebung 41 und als zweite
Erhebung 42 bezeichnet werden. Die Erhebungen 41, 42 ragen
aus der Bodenfläche 25 des
Halteelements 15 etwas heraus, wobei die in 3 und 4 rechts
dargestellte, zweite Erhebung 42 zum Beispiel eine rechteckige
Form hat und eine Oberfläche
aufweist, die größer ist
als die Fläche
der Membran 4, um im eingebauten Zustand des Sensorelements 2 die
Membran 4 mit dem unterhalb der Membran 4 gelegenen
Hohlraum 5 vollständig
abzudecken. Erfindungsgemäß verläuft der
Strömungskanal 30 um
beide Erhebungen 41, 42 herum und ist in Form
einer rinnenförmigen
Vertiefung 30 aus der Bodenfläche 25 des Halteelements 15 ausgenommen.
Der Strömungskanal 30 verläuft derart um
die beiden Erhebungen 41, 42 herum, daß sich in der
Draufsicht nach 4 ein Verlauf des Strömungskanals 30 in
Form einer querliegenden Acht ergibt. Der Strömungskanal 30 ist
wie im ersten Ausführungsbeispiel
dazu vorgesehen, das über
den vorderen Spalt 23 in äußerst geringem Maße einströmende Medium
um den Bereich der Membran 4 herumzuleiten. Da der Strömungskanal 30 auch
zwischen den Erhebungen 41, 42 verläuft, kann
auch ein Teil des Mediums zwischen den Erhebungen 41, 42 im
Strömungskanal 30 strömen, um
diesen danach wieder aus dem hinteren Spalt 24 zu verlassen.
Die Aufteilung der in den 1 und 2 dargestellten Erhebung 26 in
zwei mit Abstand voneinander vorgesehenen Erhebungen 41 und 42 bietet
den Vorteil, daß über den
vorderen Spalt 23 in den Strömungskanal 30 einströmendes Medium
zwischen den Erhebungen 41, 42 nur einen relativ
kurzen Weg um die Membran 4 herum benötigt, um den Strömungskanal 30 danach
wieder aus dem hinteren Spalt 24 zu verlassen, wodurch
die Gefahr einer Unterströmung
der Membran 4 beziehungsweise des Hohlraums 5 weiter
verringert ist.
-
Wie
in der 3 dargestellt ist, kann das Rahmenelement 14 eine
Seitenwand 27 besitzen, die zumindest in einzelnen Bereichen 44, 46 etwas versetzt
zur Seitenwand 28 des Halteelements 15 ausgebildet
ist und näher
an den Umfang des Sensorelements 2 ragt, um den Strömungskanal 30 beispielsweise
etwa zur Hälfte
abzudecken. Insbesondere die Bereiche 44 dienen zur Zentrierung
des Sensorelements 2 in der Ausnehmung 20 und
befinden sich außerhalb
der Eckbereiche 45 der Ausnehmung 20. Das Sensorelement 2 ist
nur an der in 3 und 4 links
dargestellten ersten Erhebung 41 mittels eines Klebemittels 40 angeklebt,
um den verbleibenden Bereich des Sensorelements 2 mit der Membran 4 freitragend,
das heißt,
mit geringem Abstand zur zweiten Erhebung 42 in der Ausnehmung 20 zu
halten. Beim Klebvorgang muß sichergestellt werden,
daß möglichst
kein Klebemittel 40 in den Strömungskanal 30 gelangt.