DE19836547A1

DE19836547A1 - Bidirektionaler Massenluftströmungssensor mit wechselseitig beheizten Sensorelementen

Info

Publication number: DE19836547A1
Application number: DE19836547A
Authority: DE
Inventors: Michel Farid Sultan; Michael James O'rourke; Charles Robert Harrington; Antonio Buddy Catalan
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Delphi Technologies Inc
Priority date: 1997-08-28
Filing date: 1998-08-12
Publication date: 1999-03-18
Anticipated expiration: 2018-08-13
Also published as: DE19836547C2; US6131453A; US5827960A

Description

Diese Erfindung betrifft eine bidirektionale Erfassungsvorrichtung für eine Luftströmung mit oberstromigen und unterstromigen Temperatursensor elementen, und insbesondere eine Sensorausgestaltung, bei der benach barte Elemente wechselseitig beheizt sind.

Die Massenluftströmungsinformation, die für eine genaue Kraftstoffbeauf schlagung eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeuges erforderlich ist, wird üblicherweise mit einem Massenluftströmungssensor erhalten, der oberstromig von dem Einlaßkrümmer des Motors eingebaut ist. Um einen Fehler aufgrund momentaner Strömungsumkehrungen in dem Krümmer zu vermeiden, muß der Sensor typischerweise sowohl eine Ein strömung als auch eine Ausströmung messen, das heißt, der Sensor muß bidirektional sein.

Eine bekannte bidirektionale Sensoranordnung umfaßt zwei Temperatur sensorelemente, die in einer Linie entlang eines Einlaßluftstromes ange ordnet sind, und ein Heizungselement, das zwischen den beiden Sensor elementen angeordnet ist. Die Luftströmung in den Krümmer wird als eine Funktion der Differenz zwischen den Temperaturen an den beiden Orten der Sensoren detektiert. Wenn es keine Strömung gibt, erreichen gleiche Mengen an Wärme von dem Heizungselement beide Sensorelemente, und es wird keine Temperaturdifferenz detektiert. Bei einer Lufteinströmung oder -ausströmung wird eines der Sensorelemente (der unterstromige Sensor) mehr als der andere Sensor (der oberstromige Sensor) erwärmt, was zu einer erfaßten Temperaturdifferenz führt, die mit der Luftströmung monoton schwankt. Die Temperatursensorelemente sind typischerweise in eine Wheatstone-Brückenschaltung geschaltet, so daß die erfaßte Tempe raturdifferenz in eine entsprechende Spannung umgewandelt wird. Reprä sentative Sensorausgestaltungen dieses Typs sind in den US.-Patent schriften Nr. 4 576 050, 5 263 380 und 5 629 481 gezeigt und beschrie ben, die alle dem Inhaber der vorliegenden Erfindung gehören.

Während die oben beschriebene Sensoranordnung in vieler Hinsicht vor teilhaft ist, was niedrige Herstellungskosten und eine kleine Packungsgrö ße umfaßt, zeigt sie leicht ihr eigene Begrenzungen bei der Empfindlich keit und der Frequenzantwort, wie es bei den vorstehend erwähnten US.-Pa tentschriften 5 263 380 und 5 629 481 angesprochen wurde. Die Emp findlichkeit ist aufgrund der relativ niedrigen Brückenströme inhärent be grenzt, die derart spezifiziert sind, daß sie sicherstellen, daß die Tempe ratursensorelemente in einem passiven Modus arbeiten. Die Frequenz antwort oder Bandbreite ist aufgrund der physikalischen Trennung der Elemente inhärent begrenzt. Während diese Begrenzungen bis zu einem bestimmten Maße mit aktiven Filtern kompensiert werden können, erhöht die zusätzliche Schaltung die Kosten des Sensors wesentlich. Deshalb ist eine neue Erfassungsvorrichtung gewünscht, welche die Vorteile der Pac kung und der niedrigen Kosten der oben beschriebenen Sensoranordnung beibehält, während sie diese Begrenzungen der Leistungsfähigkeit über windet.

Die vorliegende Erfindung ist auf eine verbesserte, billige, bidirektionale Erfassungsvorrichtung für eine Krümmerfluidströmung gerichtet, die auf einer erfaßten Temperaturdifferenz in der Krümmerluftströmung beruht und eine verbesserte Empfindlichkeit und Frequenzantwort im Vergleich mit früher bekannten Erfassungsvorrichtungen aufweist.

Erfindungsgemäß wird eine Erfassungsvorrichtung mit einer verbesserten Empfindlichkeit und Frequenzantwort erreicht, indem das Heizungsele ment der oben beschriebenen Sensoranordnung beseitigt wird und die Sensorelemente mit einem relativ höheren Strom betrieben werden, so daß jedes Temperaturerfassungselement sowohl sich selbst als auch das ande re Temperaturerfassungselement erwärmt. Die Empfindlichkeit ist auf grund des vergrößerten Stromes in den Sensorelementen wesentlich ver größert, und die Frequenzantwort ist aufgrund eines engeren Abstandes der Sensorelemente wesentlich vergrößert. Man kann sagen, daß die Sen sorelemente bei dieser neuen Anordnung wechselseitig beheizt sind.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform dieser Erfindung um faßt die Erfassungsvorrichtung zwei getrennte Paare oberstromige und unterstromige Erfassungselemente, und die Erfassungselemente sind in die vier Zweige einer Wheatstone-Brücke geschaltet. Die Empfindlichkeit ist verdoppelt, weil die Sensorelemente in jeden der Brückenzweige ge schaltet sind, und die Leistungsfähigkeit und die Kosten sind durch das Beseitigen von außerhalb des Chips befindlichen Brückenbauteilen ver bessert.

Zusätzlich enthält die vorliegende Erfindung einen einfachen, billigen Temperaturkompensationsschaltkreis, der in einer ersten Hinsicht eine Signalverstärkung mit einer temperaturabhängigen Verstärkung und in einer zweiten Hinsicht eine temperaturabhängige Regelung der Brücken spannung umfaßt.

Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft anhand der Zeichnung be schrieben, in dieser zeigt bzw. zeigen:

Fig. 1A-1C eine Erfassungsvorrichtung für eine Massenluftströmung nach dem Stand der Technik,

Fig. 2A-2C eine erfindungsgemäße Erfassungsvorrichtung für eine Mas senluftströmung,

Fig. 3 eine alternative erfindungsgemäße Sensoranordnung,

Fig. 4 eine vorteilhafte Ausführungsform der Sensorvorrichtung die ser Erfindung und

Fig. 5A-5B erfindungsgemäße Brückenansteuerungsschaltkreise.

Eine Sensoranordnung nach dem Stand der Technik von dem oben ge nannten Typ ist in den Fig. 1A-1C veranschaulicht. Der in Fig. 1A gezeigte Sensor umfaßt ein Heizelement 10 und zwei Temperatursensorelemente 12 und 14, die auf einem Substrat 16 gebildet sind. Das Substrat 16 kann ein Siliziumwafer sein, der mit einem wärmeisolierenden Material, wie Po lyimid, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder Oxynitrid beschichtet ist, um die Wärmeleitung durch das Substrat zu begrenzen. Die Heiz- und Sen sorelemente 10-14 sind typischerweise aus Platin gebildet, und eine An ordnung von im allgemeinen parallelen leitfähigen Bahnen 18-28 koppelt die Elemente 10-14 an eine Reihe von Bondingflächen, die durch die Buchstaben A, B, C, D, H1 und H2 bezeichnet sind. Wie es in Fig. 1A zu sehen ist, wird auf die Heizelemente 10 durch die Bondingflächen H1-H2 zugegriffen, und auf das Sensorelement 12 durch die Bondingflächen A-B, und auf das Sensorelement 14 durch die Bondingflächen C-D.

Die Sensorelemente 12 und 14 sind im wesentlichen temperaturempfindli che Widerstände und sind zusätzlich in den Fig. 1A-1C so bezeichnet, daß sie Nennwiderstände R⁻ bzw. R⁺ aufweisen. Um parasitäre Widerstände zu minimieren, enthalten die leitfähigen Bahnen 18-28 manchmal eine Gold metallisierungsschicht. Restliche parasitäre Widerstände in den Sensor elementbahnen 18, 20, 24 und 26 sind jeweils als r^1-, r^2-, r¹⁺ bzw. r²⁺ be zeichnet.

Wie es im besonderen in Fig. IB gezeigt ist, wird angenommen, daß die Krümmerluftströmung in der Richtung nach unten erfolgt, wenn dies in den Figuren betrachtet wird. Nach dieser Übereinkunft wird das Sensor element 12 als der oberstromige Sensor betrachtet, während das Sensor element 14 als der unterstromige Sensor betrachtet wird, unter der Vor aussetzung, daß sich derartige Bezeichnungen umkehren, wenn sich die Richtung der Luftströmung umkehrt.

Der Sensor ist derart konstruiert, daß das Beheizen der Sensorelemente 12 und 14 so weit wie möglich allein auf das Heizungselement 10 zurück zuführen ist. Deshalb sind die Sensorelemente 12 und 14 derart konstru iert, daß sie bei sehr niedrigen Strompegeln arbeiten, um eine Eigenerwär mung zu minimieren. Wenn keine Luftströmung in dem Krümmer vorhan den ist, erreichen gleiche Mengen an Wärme von dem Heizungselement 10 beide Sensoren, was zu einer nicht detektierbaren Temperaturdifferenz an den beiden Elementen führt. Wenn eine Luftströmung in dem Krümmer vorhanden ist, wird mehr Wärme zu dem unterstromigen Sensor als zu dem oberstromigen Sensor transportiert, was den unterstromigen Wider stand R⁺ vergrößert und den oberstromigen Widerstand R⁻ verkleinert. Dies führt zu einer erfaßten Temperaturdifferenz, deren Vorzeichen die Richtung der Luftströmung anzeigt und deren Größe die Größe der Luft strömung anzeigt. Die Temperaturdifferenz wird in eine Spannungsdiffe renz umgewandelt, indem die Sensoren 12 und 14 als zwei Zweige einer Wheatstone-Brücke gestaltet sind, wie es in Fig. 1C gezeigt ist. Der andere Ast der Brücke umfaßt zwei Präzisionswiderstände, die als R_a und R_b be zeichnet sind. Wenn parasitäre Widerstände eingeschlossen werden, ist der oberstromige Sensorzweig der Brücke die Summe von R⁺, r¹⁺ und r²⁺, und der unterstromige Sensorzweig der Brücke ist die Summe von R⁻, r^1- und r^2-. An die Anschlüsse D und B der Brücke wird eine bekannte Span nung V₀ angelegt, und die Brückenwiderstände R_a und R_b werden ge trimmt, so daß die Ausgangsspannungen V₁ und V₂ gleich sind, wenn es keine Krümmerluftströmung gibt. Wenn eine Krümmerluftströmung vor handen ist und parasitäre Widerstände vernachlässigt werden, kann die Spannungsdifferenz V2-V₁ durch den folgenden Ausdruck angegeben werden:

V₂-V₁ = V₀ (ΔR/2R₀) (1)

wobei ΔR die inkrementelle oder dekrementelle Änderung des Widerstan des (die als gleich angenommen wird) der unterstromigen und oberstromi gen Sensoren ist, und R₀ der oberstromige oder unterstromige Widerstand (der als gleich angenommen wird) ohne Krümmerluftströmung ist. Der in krementelle Widerstand ΔR nimmt, während die Luftströmung zunimmt, typischerweise mit einer logarithmischen Abhängigkeit zu, die eine pro portional zunehmende Spannungsdifferenz erzeugt. Die Spannungsdiffe renz V₂-V₁ wird typischerweise mit einem Differenzverstärker erfaßt, und aufgrund der niedrigen Signalspannungen ist eine wesentliche Verstär kung erforderlich.

Wie es oben gezeigt ist, sind die Frequenzantwort und Empfindlichkeit der oben beschriebenen Sensoranordnung inhärent aufgrund der erforderli chen physikalischen Trennung der Sensorelemente und der relativ niedri gen Brückenströme begrenzt, die derart spezifiziert sind, daß sie sicher stellen, daß die Sensorelemente in einem passiven Modus arbeiten. Wäh rend diese Begrenzungen bis zu einem bestimmten Maße mit einer Ver stärkung und aktiven Filterung kompensiert werden können, erhöht die zusätzliche Schaltung die Kosten des Sensors wesentlich.

Die Erfassungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung minimiert die inhä renten Begrenzungen der oben beschriebenen Erfassungsvorrichtung da durch, daß das Heizungselement 10 beseitigt wird, und dadurch, daß die oberstromigen und unterstromigen Sensorelemente mit einem relativ hö heren Strom betrieben werden, so daß jedes Temperaturerfassungsele ment sowohl sich selbst als auch das andere Temperaturerfassungsele ment beheizt. Mit anderen Worten erwärmt das oberstromige Sensorele ment sowohl sich selbst als auch das unterstromige Sensorelement, und das unterstromige Sensorelement erwärmt sowohl sich selbst als auch das oberstromige Sensorelement. Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Erfassungsvorrichtung zwei wärmeisolierte Paare oberstromige und unterstromige Erfassungselemente, und die Erfassungselemente sind in die vier Zweige einer Wheatstone-Brücke geschaltet. Die bevorzugte Ausführungsform, die in den Fig. 2A-2C gezeigt ist, umfaßt ein erstes Paar oberstromige und unterstromige Sensorelemente, welche die Elemente 30 und 32 umfassen, und ein zweites Paar oberstromige und unterstromige Sensorelemente, welche die Elemente 34 und 36 umfassen, die alle auf den Substrat 48 befestigt sind. Die Widerstände der oberstromigen und unterstromigen Sensorelemente 30 und 32 in dem ersten Paar sind als R^1- und R¹⁺ bezeichnet, während die Widerstände der oberstromigen und unterstromigen Sensorelemente 34 und 36 in dem zweiten Paar als R^2- und R²⁺ bezeichnet sind. Leitfähige Bahnen 40, 42, 44 und 46 koppeln die Elemente 30-36 an Bondingflächen, die jeweils mit D, A, B bzw. C bezeich net sind. Wie bei der Erfassungsvorrichtung der Fig. 1A-1C sind die Ele mente 30-36 aus Platin gebildet, und das Substrat 48 kann ein Wafer aus Silizium sein, der mit Polyimid, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder Oxyni trid oder irgendeiner Kombination von derartige Materialien beschichtet ist, wie es unten anhand von Fig. 4 ausführlicher erläutert ist.

Wie es am deutlichsten in der expandierten Ansicht von Fig. 2B zu sehen ist, gestattet die Sensoranordnung der vorliegenden Erfindung, daß die Sensorelemente eines gegebenen Paares viel enger beabstandet sind als bei den Sensoranordnungen nach dem Stand der Technik. Der engere Ab stand vereinfacht nicht nur das wechselseitige Beheizen der Sensorele mente, sie vergrößert auch wesentlich die Frequenzantwort oder Band breite der Erfassungsvorrichtung. Für ähnliche Substrateigenschaften nimmt die Bandbreite zu und die Ansprechzeit wird schneller, wenn der Abstand zwischen den Wärmeerzeugungs- und Temperaturerfassungs elementen verringert wird. Bei der Sensoranordnung nach dem Stand der Technik ist der Abstand von Mitte zu Mitte weitgehend durch die Breite des Heizungselements 10 und den Zwischenraum zwischen dem Hei zungselement 10 und einem jeweiligen Sensorelement 12 oder 14 be stimmt. Bei einer praktischen Ausführungsform nach dem Stand der Technik, die einen Abstand von Mitte zu Mitte von näherungsweise 50 Mi kron aufweist, beträgt die resultierende Bandbreite näherungsweise 125 Hz. Bei der wechselseitig beheizten Sensoranordnung der vorliegenden Er findung ist jedoch das zentrale Heizelement beseitigt, und der Abstand von Mitte zu Mitte kann auf näherungsweise 30 Mikron verringert sein, was zu einer Verdoppelung der Bandbreite auf näherungsweise 250 Hz führt.

Bei der bevorzugten Zwei-Paar-Gestalt von Fig. 2A sind die Sensorele mente 30-36 in die vier Zweige einer Wheatstone-Brücke geschaltet, wie es in Fig. 2C gezeigt ist. Eine bekannte Spannung V₀ wird an die Anschlüsse D und B der Brücke angelegt, und eine oder mehrere der leitfähigen Bah nen 40-46 werden getrimmt (beispielsweise mit einem Laser), wie es in Fig. 2A gezeigt ist, so daß die Ausgangsspannungen V₁ und V₂ an den Knoten A und C gleich sind, wenn es keine Krümmerluftströmung gibt.

Trotz der Verdoppelung der Sensorelemente gestattet die veranschaulichte Brückengestalt, daß die Anzahl von leitfähigen Bahnen auf vier verringert wird. Die Bahn 40, die dem Brückenanschluß D entspricht, ist an die Sensorelemente 30 und 36 angekoppelt, die Bahn 42, die dem Brücken anschluß A entspricht, ist an die Sensorelemente 30 und 32 angekoppelt, die Bahn 44, die dem Brückenanschluß B entspricht, ist an die Sensor elemente 32 und 34 angekoppelt, und die Bahn 46, die dem Brückenan schluß C entspricht, ist an die Sensorelemente 34 und 36 angekoppelt.

Dieses Merkmal trägt zusammen mit der Beseitigung von Heizungsele menten im Vergleich mit Sensoranordnungen nach dem Stand der Tech nik zu einer wesentlich kleineren Packungsgröße bei. Zusätzlich ist die Zuverlässigkeit der Sensorvorrichtung verbessert, weil weniger Sensor drahtverbindungen erforderlich sind.

Wenn eine Krümmerluftströmung vorhanden ist und parasitäre Wider stände vernachlässigt werden, kann die Spannungsdifferenz V₂ - V₁ der in Fig. 2C gezeigten Brücke durch den folgenden Ausdruck angegeben wer den:

V₂ - V₁ = V₀ (ΔR/R₀) (2)

wobei ΔR die inkrementelle oder dekrementelle Änderung des Widerstan des (die als gleich angenommen wird) der unterstromigen und oberstromi gen Sensoren ist, und R₀ der oberstromige oder unterstromige Widerstand (der als gleich angenommen wird) ohne Krümmerluftströmung ist. Im Ver gleich mit dem Ausdruck (1) ist zu sehen, daß die Zwei-Paar-Gestalt die Empfindlichkeit der Erfassungsvorrichtung effektiv verdoppelt. Mit ande ren Worten wird eine gegebene inkrementelle Widerstandsänderung ΔR eine Spannungsdifferenz V₂-V₁ erzeugen, die doppelt so groß ist wie bei der Sensoranordnung nach dem Stand der Technik. Die Empfindlichkeit ist weiter vergrößert, wie es oben erwähnt ist, weil die Spannungsände rung über irgendein gegebenes Sensorelement hinweg proportional zu dem Strom durch das Element ist, der erfindungsgemäß wesentlich vergrößert ist, um die wechselseitige Heizwirkung zu schaffen. In der Praxis ist ge zeigt worden, daß sich diese Faktoren verbinden, so daß der Signalpegel in jedem Brückenzweig um das Dreifache oder noch mehr im Vergleich mit Sensoranordnungen nach dem Stand der Technik für einen gegebenen Chip-Energieverbrauch und eine gegebene Sensorelementgeometrie erhöht wird.

Bei der oben beschriebenen Ausgestaltung ist zu sehen, daß keine exter nen Präzisionswiderstände erforderlich sind, und daß jegliches Trimmen für ein Abgleichen auf dem Chip und auf der Ebene des Wafers vorge nommen werden kann, wodurch ein teurer Kalibrierungsschritt während eines Zusammenbaus der Luftmeßeinrichtung beseitigt wird. Zusätzliche damit verbundene Vorteile sind, daß die vier Zweige der Brücke eine bei nahe identische Kennlinie des Temperaturkoeffizienten des Widerstandes (TCR) aufweisen, was eine verbesserte Genauigkeit liefert, und daß die Brücke sich vollständig auf dem Chip befindet, was eine vergrößerte Un empfindlichkeit auf elektromagnetische Interferenz (EMI) schafft. Ein wei terer Vorteil ist, daß die Anschlüsse A und C der Wheatstone-Brücke sich nun auf dem Chip und dicht bei den Sensorelementen befinden, was die Notwendigkeit für eine Goldmetallisierungsschicht auf den leitfähigen Bahnen 40-46 verringert.

Fig. 3 veranschaulicht eine alternative Sensorausgestaltung, bei der die leitfähige Bahn 40 in zwei parallele Bahnen unterteilt ist, die mit 40a und 40b bezeichnet sind. Während diese Ausgestaltung die Anzahl von Bahnen und die Gesamtgröße der Vorrichtung im Vergleich mit der Ausgestaltung von Fig. 2A erhöht, verbessert sie die Symmetrie der Sensorvorrichtung, was potentiell ausgeglichenere Heizwirkungen und eine verbesserte Ge nauigkeit liefert. Die Bondinganschlüsse D1 und D2 sind miteinander verbunden, und die Brückengestalt ist gleich, wie es oben in bezug auf Fig. 2C beschrieben ist.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform der Sensorvorrichtung dieser Erfin dung, bei der das Substrat 48 einen Siliziumwafer 50 umfaßt, der mit ei ner wärmeisolierenden Membran 52 aus Polyimid, Siliziumdioxid, Silizi umnitrid oder Oxynitrid beschichtet ist. Die Sensorelemente 30-36 sind auf der Membran 52 gebildet, und Abschnitte des Siliziumwafers 50, die den Elementpaaren 30/32, 34/36 entgegengesetzt sind, sind durch Ätzen oder Mikrobearbeiten eingekerbt, so daß die Sensorelemente 30-36 allein durch die Membran 52 unterlegt sind. Dies steigert nicht nur die Wärme isolation zwischen den Sensorelementpaaren, sondern es verringert auch die Energie und Zeit, die erforderlich sind, damit die Sensorvorrichtung beim Einschalten eine stabile Betriebstemperatur erreicht.

Fig. 5A zeigt eine Ansteuerungsschaltung für die Wheatstone-Brücke von Fig. 2C. Der Differenzverstärker 60 ist mit den Brückenknoten A und C verbunden und erzeugt eine Ausgangsspannung V_out gemäß der Differenz V₂-V₁, wie es oben beschrieben ist. Eine Kompensation von Veränderun gen der Umgebungstemperatur kann erreicht werden, indem ein auf die Umgebungstemperatur empfindlicher Widerstand r_amb1 in den Brücken schaltkreis gesetzt wird, wie es gezeigt ist, um eine von der Umgebungs temperatur abhängige Spannungsversorgung für die Brücke zu schaffen. Alternativ kann die Temperaturabhängigkeit mit einem temperaturabhän gigen Verstärker erreicht werden, wie es in Fig. 5B gezeigt ist. In diesem Fall wird die Ausgangsspannung V_out einem Operationsverstärker 64 über einen Widerstand r_b2 zugeführt, wobei ein temperaturempfindlicher Wi derstand r_amb2 als der Rückkopplungswiderstand angeschlossen ist und eine Verstärkung von r_amb2(T)/r_b2 liefert, wobei T die erfaßte Umge bungstemperatur ist.

Zusammengefaßt schafft die vorliegende Erfindung eine neuartige Sen soranordnung, die viele Vorteile gegenüber bekannten Sensoranordnun gen nach dem Stand der Technik bietet. In ihrer Grundform umfaßt diese Erfindung ein einziges Paar Sensorelemente, die in einer Brücke zusam mengeschaltet sind, wie es in Fig. 1C gezeigt ist. Wie es oben erläutert ist, ergibt diese einfache Gestaltung eine vergrößerte Empfindlichkeit und Bandbreite, eine kleinere Packung, eine erhöhte Zuverlässigkeit und ge ringere Kosten im Vergleich mit Sensoranordnungen nach dem Stand der Technik. Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, die zwei Sensor elementpaare umfaßt, die in die vier Zweige einer Wheatstone-Brücke ge schaltet sind, ergibt eine weiter verbesserte Empfindlichkeit, eine erhöhte Genauigkeit, verringerte Kosten, eine verringerte Anfälligkeit gegenüber EMI und eine leichtere Kalibrierung. Zusätzlich ist festzustellen, daß die veranschaulichten Ausführungsformen dem Wesen nach nicht erschöp fend sind, und daß Fachleute zahlreiche Modifikationen vornehmen kön nen. Beispielsweise ist die Erfassungsvorrichtung für eine Massenluft strömung dieser Erfindung nicht auf die Verwendung mit einem Verbren nungsmotor begrenzt und kann bei jeder Anwendung verwendet werden, bei der es erwünscht ist, eine Massenluftströmung durch einen Krümmer oder ein Rohr zu messen.

Somit erreicht eine billige bidirektionale Erfassungsvorrichtung für eine Massenluftströmung auf der Grundlage einer erfaßten Temperaturdiffe renz aufgrund einer Luftströmung eine verbesserte Empfindlichkeit und Frequenzantwort, indem das Heizungselement der herkömmlichen Sen soranordnung beseitigt ist und die Sensorelemente bei einem relativ höhe ren Strom betrieben werden, so daß jedes Temperaturerfassungselement sowohl sich selbst als auch das andere Temperaturerfassungselement er wärmt. Die Empfindlichkeit ist aufgrund des vergrößerten Stromes in den Sensorelementen wesentlich vergrößert, und die Frequenzantwort ist auf grund des engeren Abstandes der Sensorelemente wesentlich vergrößert. Bei dieser neuen Anordnung sind die Sensorelemente wechselseitig be heizt. Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform umfaßt die Er fassungsvorrichtung zwei getrennte Paare oberstromige und unterstromige Erfassungselemente, und die Erfassungselemente sind in die vier Zweige einer Wheatstone-Brücke geschaltet. Die Empfindlichkeit ist verdoppelt, weil die Sensorelemente in jeden der Brückenzweige geschaltet sind, und die Leistungsfähigkeit und Kosten sind durch die Beseitigung von außer halb des Chips befindlichen Brückenbauteilen verbessert. Ein einfacher und billiger Temperaturkompensationsschaltkreis kompensiert Schwan kungen der Umgebungstemperatur.

Claims

1. Bidirektionale Erfassungsvorrichtung für eine Massenluftströmung, um eine Luftströmung durch einen Krümmer zu messen, umfas send:
ein erstes und ein zweites temperaturabhängiges Sensorelement, die auf einem wärmeisolierenden Substrat in einer Linie mit einer Luft strömung in dem Krümmer und in der Nähe zueinander angeordnet sind, so daß Wärme, die durch den Durchtritt von Strom durch das erste Sensorelement entwickelt wird, sowohl das erste Sensorele ment als auch das zweite Sensorelement erwärmt, und Wärme, die durch den Durchtritt von Strom durch das zweite Sensorelement entwickelt wird, sowohl das zweite Sensorelement als auch das erste Sensorelement erwärmt, und
ein Ausgangsmittel, um auf der Grundlage einer Differenz der Tem peraturen bei dem ersten und dem zweiten Sensorelement ein Aus gangssignal zu entwickeln, das eine Luftströmung in dem Krümmer anzeigt.

2. Bidirektionale Erfassungsvorrichtung für eine Massenluftströmung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsmittel eine Wheatstone-Brücke umfaßt, die einen ersten und einen zweiten Zweig aufweist, wobei das erste Sensorele ment in den ersten Zweig geschaltet ist und das zweite Sensorele ment in den zweiten Zweig geschaltet ist.

3. Bidirektionale Erfassungsvorrichtung für eine Massenluftströmung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsmittel eine Spannungsquelle umfaßt, um die Wheatstone-Brücke mit Energie zu beaufschlagen, und einen auf die Krümmerlufttemperatur empfindlichen Widerstand umfaßt, der zwischen die Quelle und die Wheatstone-Brücke geschaltet ist, um das Ausgangssignal in bezug auf Schwankungen der Krümmerluft temperatur zu kompensieren.

4. Bidirektionale Erfassungsvorrichtung für eine Massenluftströmung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsmittel einen Differenzverstärker umfaßt, der an eine Referenzspannung und an eine Verbindungsstelle zwischen dem ersten und dem zweiten Zweig angekoppelt ist, um ein Span nungsdifferenzsignal zu erzeugen, und einen Verstärker umfaßt, um eine von der Krümmerlufttemperatur abhängige Verstärkung an das Spannungsdifferenzsignal anzulegen und somit das Ausgangssignal zu bilden, wodurch das Ausgangssignal in bezug auf Schwankungen der Krümmerlufttemperatur kompensiert wird.

5. Bidirektionale Erfassungsvorrichtung für eine Massenluftströmung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Substrat einen beschichteten Wafer aus Silizium umfaßt, der eine wärmeisolierende Membran trägt, wobei das Silizi um bis zu der Membran in einem Bereich entgegengesetzt zu dem er sten und dem zweiten Sensorelement eingekerbt ist.

6. Bidirektionale Erfassungsvorrichtung für eine Massenluftströmung nach Anspruch 1,
umfassend ein drittes und ein viertes temperaturabhängiges Sensor element, die auf dem wärmeisolierenden Substrat in einer Linie mit der Krümmerluftströmung und in der Nähe zueinander angeordnet sind, so daß Wärme, die durch den Durchtritt von Strom durch das dritte Sensorelement entwickelt wird, sowohl das dritte Sensorele ment als auch das vierte Sensorelement erwärmt, und Wärme, die durch den Durchtritt von Strom durch das vierte Sensorelement entwickelt wird, sowohl das vierte Sensorelement als auch das dritte Sensorelement erwärmt, wobei das dritte und das vierte Sensorele ment thermisch von dem ersten und dem zweiten Sensorelement getrennt sind, und
wobei das Ausgangssignal, das von dem Ausgangsmittel entwickelt wird, zusätzlich auf einer Differenz der Temperaturen an dem drit ten und dem vierten Sensorelement beruht.

7. Bidirektionale Erfassungsvorrichtung für eine Massenluftströmung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Substrat einen beschichteten Wafer aus Silizium umfaßt, der eine wärmeisolierende Membran trägt, wobei das Silizi um bis zu der Membran in einem ersten Bereich entgegengesetzt zu dem ersten und dem zweiten Sensorelement und in einem zweiten Bereich entgegengesetzt zu dem dritten und dem vierten Sensorele ment eingekerbt ist.

8. Bidirektionale Erfassungsvorrichtung für eine Massenluftströmung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsmittel eine Wheatstone-Brücke umfaßt, die einen ersten, einen zweiten, einen dritten und einen vierten Zweig auf weist, wobei das erste Sensorelement in den ersten Zweig geschaltet ist, das zweite Sensorelement in den zweiten Zweig geschaltet ist, das dritte Sensorelement in den dritten Zweig geschaltet ist und das vierte Sensorelement in den vierten Zweig geschaltet ist.

9. Bidirektionale Erfassungsvorrichtung für eine Massenluftströmung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelemente ohne eine Krümmerluftströmung im we sentlichen gleiche Widerstände aufweisen, und daß mehrere leitfä hige Bahnen auf dem Substrat gebildet sind, um die Sensorelemente an jeweilige Brückenverbindungsstellen anzukoppeln, wobei minde stens eine der leitfähigen Bahnen trimmbar ist, um das Ausgangs signal zu nullen, wenn es keine Krümmerluftströmung gibt, um da durch die Brücke zu kalibrieren.

10. Bidirektionale Erfassungsvorrichtung für eine Massenluftströmung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsmittel eine Spannungsquelle umfaßt, um die Wheatstone-Brücke mit Energie zu beaufschlagen, und einen auf die Krümmerlufttemperatur empfindlichen Widerstand umfaßt, der zwischen die Quelle und die Wheatstone-Brücke geschaltet ist, um das Ausgangssignal in bezug auf Schwankungen der Krümmerluft temperatur zu kompensieren.

11. Bidirektionale Erfassungsvorrichtung für eine Massenluftströmung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsmittel einen Differenzverstärker umfaßt, der an eine Referenzspannung und an eine Verbindungsstelle zwischen dem ersten und dem zweiten Zweig angekoppelt ist, um ein Span nungsdifferenzsignal zu erzeugen, und einen Verstärker umfaßt, um eine von der Krümmerlufttemperatur abhängige Verstärkung an das Spannungsdifferenzsignal anzulegen und somit das Ausgangssignal zu bilden.