DE19838859A1 - Bidirektionaler Massenluftströmungssensor - Google Patents
Bidirektionaler MassenluftströmungssensorInfo
- Publication number
- DE19838859A1 DE19838859A1 DE1998138859 DE19838859A DE19838859A1 DE 19838859 A1 DE19838859 A1 DE 19838859A1 DE 1998138859 DE1998138859 DE 1998138859 DE 19838859 A DE19838859 A DE 19838859A DE 19838859 A1 DE19838859 A1 DE 19838859A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- air flow
- sensor
- sensor element
- conductive
- substrate
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
- G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
- G01F1/684—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
- G01F1/6845—Micromachined devices
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
- G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
- G01F1/684—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
- G01F1/688—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow using a particular type of heating, cooling or sensing element
- G01F1/69—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow using a particular type of heating, cooling or sensing element of resistive type
- G01F1/692—Thin-film arrangements
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Volume Flow (AREA)
Description
Diese Erfindung betrifft einen bidirektionalen Massenluftströmungssen
sor.
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, mißt der Sensor typischerweise sowohl eine Ein
strömung als auch eine Ausströmung, das heißt, der Sensor muß bidirek
tional sein.
Eine bekannte bidirektionale Sensoranordnung umfaßt zwei Temperatur
sensorelemente, die in einer Linie entlang des Einlaßluftstromes angeord
net 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 einer der Sensoren (der unterstromige Sensor)
mehr als der andere Sensor (der oberstromige Sensor) erwärmt, was zu
einer erfaßten Temperaturdifferenz führt, die mit der Luftströmung mo
noton schwankt. Die Temperatursensoren sind typischerweise mit zwei
externen Präzisionswiderständen verbunden, so daß eine Wheatstone-
Brückenschaltung gebildet ist, um die erfaßte Temperaturdifferenz in eine
entsprechende Spannung umzuwandeln. Repräsentative Sensorausge
staltungen dieses Typs sind in den U.S. Patentschriften Nr. 4 576 050,
5 243 858, 5 263 380, 5 629 481 und 5 631 417 gezeigt und beschrieben,
die alle dem Inhaber der vorliegenden Erfindung gehören.
Während die oben beschriebene Sensoranordnung in vieler Hinsicht vor
teilhaft ist, was die geringen Herstellungskosten und eine kleine Packungs
größe umfaßt, neigt sie dazu, ihr eigene Begrenzungen bei der Emp
findlichkeit und Genauigkeit aufgrund der Brückencharakteristiken, pa
rasitären Widerstandes und Fehlanpassungen des Temperaturkoeffizien
ten des Widerstandes (TCR) der Widerstände auf dem Chip und außerhalb
von diesem zu zeigen. Während diese Begrenzungen bis zu einem be
stimmten Ausmaß durch die Verwendung einer großen Verstärkung und
exotischer Materialien kompensiert werden können, erhöhen diese Tech
niken die Kosten des Sensors wesentlich. Es ist eine neue Erfassungsvor
richtung gewünscht, welche die Vorteile der Packung und der niedrigen
Kosten und die schnelle Antwortzeit und die weite Bandbreite der oben
beschriebenen Sensoranordnung beibehält, während sie diese Begrenzun
gen der Leistungsfähigkeit überwindet.
Es ist ein Ziel dieser Erfindung, eine bidirektionale Erfassungsvorrichtung
für eine Massenluftströmung nach Anspruch 1 zu schaffen.
Ein Vorteil dieser Erfindung ist eine verbesserte, billige, bidirektionale
Erfassungsvorrichtung für eine Luftströmung, die auf einer erfaßten Tem
peraturdifferenz in der Luftströmung beruht und eine verbesserte Emp
findlichkeit und Genauigkeit und verringerte Herstellungskosten im Ver
gleich mit früher bekannten Erfassungsvorrichtungen aufweist.
Gemäß einem Vorteil, der aus der Erfindung erhalten wird, werden die
Leistungsfähigkeits- und Kostenverbesserungen erreicht, indem zwei ge
trennte Paare von oberstromigen und unterstromigen Erfassungselemen
ten auf dem gleichen Substrat vorgesehen sind und die Erfassungsele
mente als die vier Zweige einer sich auf einem Chip befindlichen Wheat
stone-Brücke angeschlossen werden. Die Empfindlichkeit ist mindestens
verdoppelt, weil Sensorelemente in jeden der Brückenzweige geschaltet
sind, und die Genauigkeit und Kosten sind durch das Beseitigen von au
ßerhalb des Chips befindlichen Brückenwiderständen verbessert. Zusätz
lich bleiben die schnelle Antwortzeit und weite Bandbreite der früheren
Konstruktionen erhalten. Es sind zusätzliche Verbesserungen bei der An
fälligkeit gegenüber elektromagnetischer Interferenz (EMI) verwirklicht,
weil die Brücke vollständig auf dem Sensorsubstrat abgeschlossen ist und
die Brückenwiderstände in enger Nähe angeordnet sind.
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-2B eine erfindungsgemäße beispielhafte Erfassungsvorrichtung
für eine Massenluftströmung,
Fig. 3 eine andere erfindungsgemäße beispielhafte Erfassungsvor
richtung für eine Massenluftströmung,
Fig. 4A-4C eine andere erfindungsgemäße beispielhafte Erfassungsvor
richtung für eine Massenluftströmung,
Fig. 5A-5B erfindungsgemäße beispielhafte Erfassungsvorrichtungen für
eine Massenluftströmung und
Fig. 6A-6B weitere erfindungsgemäße beispielhafte Erfassungsvorrich
tungen für eine Massenluftströmung.
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 r1⁻, r2⁻, r1⁺ bzw. r2⁺ be
zeichnet.
Wie es im besonderen in Fig. 1B gezeigt ist, wird angenommen, daß die
Luftströmung in der Richtung nach unten erfolgt, wenn dies in den Figu
ren betrachtet wird. Nach dieser Übereinkunft wird das Sensorelement 12
als der oberstromige Sensor betrachtet, während das Sensorelement 14
als der unterstromige Sensor betrachtet wird, unter der Voraussetzung,
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 niedrigen Strompegeln arbeiten, um eine Eigenerwärmung
zu minimieren. Wenn keine Luftströmung über dem Sensor vorhanden ist,
erreichen gleiche Mengen an Wärme von dem Heizungselement 10 beide
Sensoren, was zu keiner detektierbaren Temperaturdifferenz an den bei
den Elementen führt. Wenn eine Luftströmung über dem Sensor vorhan
den ist, wird mehr Wärme zu dem unterstromigen Sensor als zu dem ober
stromigen Sensor transportiert, was den unterstromigen Widerstand R⁺ in
bezug auf den oberstromigen Widerstand R⁻ vergrößert. Dies führt zu einer
erfaßten Temperaturdifferenz, deren Vorzeichen die Richtung der Luftströ
mung anzeigt und deren Größe die Größe der Luftströmung anzeigt.
Die Temperaturdifferenz wird in eine Spannungsdifferenz 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 Ra und Rb bezeichnet sind, von
denen einer zum Zweck des Abgleichs der Brücke lasertrimmbar ist. Wenn
parasitäre Widerstände eingeschlossen werden, ist der oberstromige Sen
sorzweig der Brücke die Summe von R⁺, r1⁺ und r2⁺, und der unterstromi
ge Sensorzweig der Brücke ist die Summe von R⁻, r1⁻ und r2⁻. An die An
schlüsse D und B der Brücke wird eine bekannte Spannung V0 angelegt,
und die Brückenwiderstände Ra und Rb werden getrimmt, so daß die Aus
gangsspannungen V1 und V2 gleich sind, wenn es keine Luftströmung
gibt. Wenn eine Luftströmung vorhanden ist und unter der Annahme, daß
die parasitären Widerstände alle gleich r sind, kann die Spannungsdiffe
renz V2-V1 durch den folgenden Ausdruck angegeben werden:
V2-V1 = V0 [ΔR/(2R0+4r)] (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 Luftströmung ist. Der inkremen
telle Widerstand ΔR nimmt, während die Luftströmung zunimmt, typi
scherweise mit einer logarithmischen Abhängigkeit zu, die eine proportio
nal zunehmende Spannungsdifferenz erzeugt. Die Spannungsdifferenz V2-V1
wird typischerweise mit einem Differenzverstärker erfaßt, und aufgrund
der niedrigen Signalspannungen ist eine wesentliche Verstärkung erfor
derlich.
Zusätzlich zu den niedrigen Signalpegeln wird die Verwendung der oben
beschriebenen Sensoranordnung auch nachteilig von den TCR-Kennlinien
der unterschiedlichen Erfassungs- und Abgleichwiderstände in der Brücke
beeinflußt. Bei unterschiedlichen TCR-Kennlinien zeigen die verschiede
nen Widerstände unterschiedliche Widerstandsänderungen während sich
die Umgebungstemperatur in dem Krümmer verändert, wodurch die
Brücke möglicherweise aus dem Gleichgewicht gebracht und am Ausgang
des Sensors ein fehlerhaftes Signal erzeugt wird. Während diese Fehler
vermieden werden können, indem Widerstände mit passenden TCR-Kenn
linien ausgewählt werden, würde der Grad einer Anpassung, der erforder
lich ist, um eine hohe Genauigkeit aufrechtzuerhalten, teure Hochlei
stungswiderstände erfordern.
Die beispielhafte Erfassungsvorrichtung minimiert die inhärenten Begren
zungen der oben beschriebenen Erfassungsvorrichtung, indem zwei ge
trennte Paare von oberstromigen und unterstromigen Erfassungselemen
ten auf dem gleichen Substrat vorgesehen und die Erfassungselemente als
die vier Zweige einer auf einem Chip befindlichen Wheatstone-Brücke ver
bunden werden. Dementsprechend sind beide Äste der Wheatstone-
Brücke aktive Erfassungsäste, wobei alle vier Widerstände ihren Wert ver
ändern, wenn sie einer Strömung ausgesetzt sind.
Der Trennungsabstand zwischen den beiden Heizungs/Detektoren-Sätzen
muß größer als ein minimaler Wert sein, um eine thermische Kopplung
zwischen den beiden Ästen zu vermeiden. Der minimale Abstand hängt
von der Wahl des Substratmaterials und dessen Geometrie ab. Bei einem
Sensor, der auf einem Siliziumsubstrat mit einer dünnen Beschichtung
aus wärmeisolierendem Material, wie Polyimid, Siliziumdioxid, Siliziumni
trid oder Oxynitrid, gebildet ist, fällt beispielsweise die Oberflächentempe
ratur auf jeder Seite der Heizungselemente sehr schnell ab. Dies bedeutet
auch, daß die Temperatursensorelemente für jede Heizung/Detektor sehr
nahe an das jeweilige Heizungselement gesetzt werden sollten. In der Pra
xis ist herausgefunden worden, daß der Zwischenraum zwischen dem
Sensorelement und seinem zugeordneten Heizungselement kleiner als 75
Mikron sein sollte. Andererseits ist eine Verschiebung von 500 Mikron
oder mehr zwischen Heizungs/Detektor-Sätzen erwünscht, um eine ther
mische Kopplung von Satz zu Satz zu minimieren, obwohl kleinere Ver
schiebungen möglich sind.
Eine erste Ausführung, die in den Fig. 2A-2C abgebildet ist, umfaßt einen
ersten Heizungs/Detektor-Satz, der ein Heizungselement 31, ein oberstro
miges Sensorelement 30 und ein unterstromiges Sensorelement 32 um
faßt, und einen zweiten Heizungs/Detektor-Satz, der ein Heizungselement
35, ein oberstromiges Sensorelement 34 und ein unterstromiges Sensor
element 36 umfaßt, die alle auf dem Substrat 48 angebracht sind. Die Wi
derstände der oberstromigen und unterstromigen Sensorelemente 30 und
32 in dem ersten Paar sind als R1⁻ und R1⁺ bezeichnet, während die Wider
stände der oberstromigen und unterstromigen Sensorelemente 34 und 36
in dem zweiten Paar als R2⁻ und R2⁺ bezeichnet sind. Leitfähige Bahnen
40, 42, 44 und 46 koppeln ein Ende der Sensorelemente 30, 32, 34 und
36 an Bondingflächen an, die mit B2, B1, D1 bzw. D2 bezeichnet sind. Die
entgegengesetzten Enden der Sensorelemente 30 und 36 sind wechselsei
tig durch die leitfähige Bahn 50 an die Bondingfläche C angekoppelt, und
die entgegengesetzten Enden der Sensorelemente 32 und 34 sind wechsel
seitig durch eine leitfähige Bahn 52 an die Bondingfläche A angekoppelt.
Die parasitären Widerstände der leitfähigen Bahnen 50 und 52 sind je
weils als R4 und R3 bezeichnet. Die Heizungselemente 31 und 35 sind
durch die leitfähigen Bahnen 54, 56 und 58 in Reihe zwischen die Bon
dingflächen H1 und H2 geschaltet. Wie bei der Erfassungsvorrichtung von
Fig. 1A können die Sensor- und Heizungselemente 30-36 aus Platin gebil
det sein, und das Substrat 48 kann ein Wafer aus Silizium sein, der mit
Polyimid, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder Oxynitrid oder irgendeiner
Kombination derartiger Materialien beschichtet ist.
Fig. 2B ist ein elektrisches Schema der oben beschriebenen Sensoranord
nung, die veranschaulicht, daß die Sensorelemente in der Form einer
Wheatstone-Brücke mit Sensorelemente in jedem der vier Zweige der
Brücke verbunden sind. Die Bondingflächen B1 und B2 sind verbunden,
ebenso wie die Bondingflächen D1 und D2, und eine bekannte Spannung
V0 wird über die Bondingflächen B1/B2 und D1/D2 hinweg angelegt. Die
Bondingflächen B1/B2 und D1/D2 können auf dem Chip verbunden sein,
wie es beispielsweise in der Ausführungsform von Fig. 3 gezeigt ist, oder
durch Drahtbonden an einen gemeinsamen Punkt auf einer darunter lie
genden Schaltung. Eine oder mehrere der leitfähigen Bahnen 40-46 sind
trimmbar (beispielsweise mit einem Laser), wie es in Fig. 2A gezeigt ist, so
daß die Ausgangsspannungen V1 und V2 an den Bondingflächen A und C
gleich sind, wenn es keine Luftströmung gibt.
Wenn eine Luftströmung vorhanden ist und unter der Annahme, daß die
parasitären Widerstände alle gleich r sind, kann die Spannungsdifferenz
V2-V1 der in Fig. 2B gezeigten Brücke durch den folgenden Ausdruck an
gegeben werden:
V2-V1 = V0 [ΔR/(R0+r)] (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 mehr als verdoppelt. Mit ande
ren Worten wird eine gegebene inkrementelle Widerstandsänderung ΔR
eine Spannungsdifferenz V2-V1 erzeugen, die mehr als doppelt so groß
wie bei der Sensoranordnung nach dem Stand der Technik ist. Wenn die
parasitären Widerstände r sehr klein sind, ist die Empfindlichkeit nähe
rungsweise verdoppelt, wenn die parasitären Widerstände mit den Wider
ständen der Sensorelemente vergleichbar sind, ist die Empfindlichkeit nä
herungsweise verdreifacht.
Bei der oben beschriebenen Ausgestaltung ist zu sehen, daß keine Ab
gleichwiderstände erforderlich sind, und daß die vier Zweige der Brücke
beinahe identische Kennlinien des Temperaturkoeffizienten des Wider
standes (TCR) aufweisen, weil sie gleichzeitig auf dem gleichen Substrat
unter Verwendung des gleichen Herstellungsprozesses hergestellt werden.
Infolgedessen befindet sich die Brücke näher bei einem abgeglichenen Zu
stand und ist viel leichter und schneller abzugleichen. Jegliches Trimmen
zum Abgleichen kann auf dem Chip und auf dem Waferniveau vorgenom
men werden, indem die Anordnung derart entworfen wird, daß einer der
parasitären Widerstände zusammen mit seinem jeweiligen Sensorelement
einen kleineren Gesamtwiderstand im Vergleich mit den anderen Brücken
widerständen aufweist. Dies kann erreicht werden, wie es in Fig. 2A zu
sehen ist, indem die Breite der leitfähigen Bahn 40 im Vergleich mit den
Breiten der leitfähigen Bahnen 42, 44 und 46 vergrößert wird. Dann kann
während des Abgleichens die breitere leitfähige Bahn 40 auf dem Chip auf
einen höheren Wert getrimmt werden, wodurch ein teurer Kalibrierungs
schritt während des Zusammenbaus des Luftmessers beseitigt wird. Fer
ner wird die Immunität gegenüber elektromagnetischer Interferenz (EMI)
vergrößert, weil sich alle Brückenwiderstände in enger Nähe auf dem glei
chen Substrat befinden.
Fig. 3 veranschaulicht eine zweite Ausführungsform des Sensors, bei der
die Bondingflächen B1/B2 und D1/D2 auf dem Chip verbunden sein
können, um eine Brücke vorzusehen, die vollständig auf dem Chip abge
schlossen ist. Dies ist vorteilhaft, weil es die Stabilität des Sensors und
dessen Immunität gegenüber EMI verbessert. In anderer Hinsicht ist die
Ausführungsform von Fig. 3 gleich wie die Ausführungsform, die oben
unter Bezugnahme auf die Fig. 2A-2B beschrieben ist.
Die Fig. 4A-4C beschreiben eine dritte Ausführungsform des Sensors, bei
der seitliche leitfähige Nebenschlußbahnanordnungen (shunting) verwen
det wird, um die Sensorelemente zu verbinden und somit die Brückenan
ordnung zu bilden, wodurch die Breite des Sensors verringert wird. Wie es
am besten in dem Querschnitt von Fig. 4B zu sehen ist, sind die leitfähi
gen Bahnen 40 und 42 durch die seitliche leitfähige Nebenschlußbahn
(shunt) 60 verbunden, und die leitfähigen Bahnen 44 und 46 sind durch
die seitliche leitfähige Nebenschlußbahn 62 verbunden. Somit sind die
Längen der leitfähigen Bahnen 40 und 46 beträchtlich verkürzt und tra
gen nicht notwendigerweise zur Gesamtbreite des Sensors bei, wie es in
Fig. 4A gezeigt ist. Analog zu der ersten und der zweiten Ausführungsform
kann die eine der Bahnen (Bahn 46 in Fig. 4A) breiter als die anderen ge
staltet sein, um ein Trimmen auf dem Chip zu ermöglichen und somit die
Brücke abzugleichen. Außerdem ist zu sehen, daß die Kontaktpunkte zwi
schen Sensorelementen viel enger bei den Sensorelementen selbst liegen.
Dies minimiert die Anfälligkeit gegenüber EMI und minimiert, wie es
schematisch in der Brückenschaltung von Fig. 4C gezeigt ist, den parasi
tären Widerstand in der Brückenschaltung. Weil alle Bondingflächen
ebenso außerhalb der Brückenschaltung liegen, sind die Auswirkungen
der Verschiebung eines Kontaktwiderstandes aufgrund des Drahtbondens
beseitigt.
Wie es in Fig. 4B zu sehen ist, sind die leitfähigen Bahnen 54 und 58 je
weils von den darunter liegenden leitfähigen Nebenschlußbahnen 60 bzw.
62 durch elektrische Isolationsschichten 64 und 66 getrennt. Bei einer
Ausführung der veranschaulichten Ausführungsform wären die elektri
schen Isolationsschichten 64 und 66 aus Dünnfilmtantaloxid gebildet, die
Nebenschlußbahnen 60-62 wären aus Platin (Pt) gebildet und die leitfähi
gen Bahnen 40-52 wären aus Platin gebildet, über das Gold (Au) gelegt
wäre. Wie es oben beschrieben ist, umfaßt das Substrat 48 ein Silizium
substrat, das mit einer wärmeisolierenden Schicht aus Polyimid, Silizium
dioxid, Siliziumnitrid oder Oxynitrid beschichtet ist.
Die Fig. 5A-5B beschreiben ein Beispiel, bei dem der Sensor vier Hei
zungs/Detektoren-Sätze umfaßt. In diesem Fall gibt es acht Sensorele
mente, so daß jeder Zweig der Brückenschaltung zwei in Reihe geschaltete
Sensorelemente umfaßt. Die Gesamtbreite dieser Sensoren ist im wesent
lichen unverändert, wobei sie minimalen Abstandserfordernissen von Hei
zung zu Heizung unterworfen ist, und die zusätzlichen leitfähigen Bahnen
70-80 koppeln die in Reihe geschalteten Sensorelemente. Die Anordnung
des Sensors von Fig. 5A ist sonst analog zu derjenigen von Fig. 3, indem
die Brückenverbindungen auf dem Chip in einer Schicht hergestellt sind,
und die Anordnung des Sensors von Fig. 5B ist sonst analog zu derjenigen
von Fig. 4A, indem die Brückenverbindungen auf dem Chip unter Verwen
dung von seitlichen leitfähigen Nebenschlußbahnen hergestellt sind.
Schließlich zeigen die Fig. 6A-6B ein fünftes Beispiel dieser Erfindung, bei
dem weitere Verringerungen der Gesamtsensorbreite erreicht sind, indem
Bondingflächen an beiden Enden des Substrats 48 vorgesehen sind. Die
Anordnung des Sensors von Fig. 6A ist im allgemeinen analog zur derjeni
gen von Fig. 3 mit der Ausnahme, daß die leitfähige Bahn 50 sich nach
rechts erstreckt und in einer Bondingfläche C an dem am weitesten rechts
liegenden Ende des Substrats 48 endet. Die Anordnung des Sensors von
Fig. 6B ist im allgemeinen analog zu derjenigen von Fig. 2 mit der Ausnah
me, daß die leitfähigen Bahnen 40, 46 und 50 sich nach rechts erstrecken
und in den Bondingflächen B2, D2 und C an dem am weitesten rechts lie
genden Ende des Substrats 48 enden.
Es ist zu verstehen, daß die Erfassungsvorrichtung für eine Massenluft
strömung dieser Erfindung nicht auf die Verwendung mit einem Verbren
nungsmotor begrenzt ist und in jeder Anwendung verwendet werden
kann, bei der es erwünscht ist, die Massenluftströmung durch einen
Krümmer oder ein Rohr zu messen.
Claims (9)
1. Bidirektionale Erfassungsvorrichtung für eine Massenluftströmung,
um eine Luftströmung durch ein Rohr zu messen, umfassend:
ein erstes und ein zweites wärmeisoliertes Heizelement (31, 35), die auf einem wärmeisolierenden Substrat (48) in einer Linie mit einer Luftströmung in dem Rohr angeordnet sind,
ein erstes und ein zweites temperaturabhängiges Sensorelement (30, 32), die entgegengesetzt um das erste Heizelement herum auf dem Substrat in einer Linie mit der Luftströmung angeordnet sind, so daß Wärme, die durch den Durchtritt von Strom durch das erste Heizelement entwickelt wird, sowohl das erste Sensorelement als auch das zweite Sensorelement erwärmt,
ein drittes und ein viertes temperaturabhängiges Sensorelement (34, 36), die entgegengesetzt um das zweite Heizelement herum auf dem Substrat in einer Linie mit der Luftströmung angeordnet sind, so daß Wärme, die durch den Durchtritt von Strom durch das zweite Heizelement entwickelt wird, sowohl das dritte Sensorelement als auch das vierte Sensorelement erwärmt, und
ein Ausgangsmittel, um auf der Grundlage von Differenzen der Tem peratur an dem ersten und zweiten und dem dritten und vierten Sensorelement ein die Luftströmung in dem Rohr anzeigendes Aus gangssignal zu entwickeln, das eine Wheatstone-Brückenschaltung umfaßt, die einen ersten, einen zweiten, einen dritten und einen vierten Zweig (40, 42, 44, 46, 30, 32, 34, 36, 50) aufweist, wobei das erste Sensorelement in den ersten Zweig geschaltet ist, das zweite Sensorelement in den zweiten Zweig geschaltet ist, das dritte Sen sorelement in den dritten Zweig geschaltet ist und das vierte Sensor element in den vierten Zweig geschaltet ist.
ein erstes und ein zweites wärmeisoliertes Heizelement (31, 35), die auf einem wärmeisolierenden Substrat (48) in einer Linie mit einer Luftströmung in dem Rohr angeordnet sind,
ein erstes und ein zweites temperaturabhängiges Sensorelement (30, 32), die entgegengesetzt um das erste Heizelement herum auf dem Substrat in einer Linie mit der Luftströmung angeordnet sind, so daß Wärme, die durch den Durchtritt von Strom durch das erste Heizelement entwickelt wird, sowohl das erste Sensorelement als auch das zweite Sensorelement erwärmt,
ein drittes und ein viertes temperaturabhängiges Sensorelement (34, 36), die entgegengesetzt um das zweite Heizelement herum auf dem Substrat in einer Linie mit der Luftströmung angeordnet sind, so daß Wärme, die durch den Durchtritt von Strom durch das zweite Heizelement entwickelt wird, sowohl das dritte Sensorelement als auch das vierte Sensorelement erwärmt, und
ein Ausgangsmittel, um auf der Grundlage von Differenzen der Tem peratur an dem ersten und zweiten und dem dritten und vierten Sensorelement ein die Luftströmung in dem Rohr anzeigendes Aus gangssignal zu entwickeln, das eine Wheatstone-Brückenschaltung umfaßt, die einen ersten, einen zweiten, einen dritten und einen vierten Zweig (40, 42, 44, 46, 30, 32, 34, 36, 50) aufweist, wobei das erste Sensorelement in den ersten Zweig geschaltet ist, das zweite Sensorelement in den zweiten Zweig geschaltet ist, das dritte Sen sorelement in den dritten Zweig geschaltet ist und das vierte Sensor element in den vierten Zweig geschaltet ist.
2. Bidirektionale Erfassungsvorrichtung für eine Massenluftströmung
nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Sensorelemente ohne eine Luftströmung im wesentlichen gleiche Widerstände aufweisen, und daß eine Vielzahl von leitfähi gen Bahnen (40, 42, 44, 46) auf dem Substrat gebildet sind, um die Sensorelemente an jeweilige Brückenverbindungsstellen anzukop peln, wobei mindestens eine der leitfähigen Bahnen trimmbar ist, um das Ausgangssignal zu nullen, wenn es keine Luftströmung gibt, und dadurch die Brücke zu kalibrieren.
daß die Sensorelemente ohne eine Luftströmung im wesentlichen gleiche Widerstände aufweisen, und daß eine Vielzahl von leitfähi gen Bahnen (40, 42, 44, 46) auf dem Substrat gebildet sind, um die Sensorelemente an jeweilige Brückenverbindungsstellen anzukop peln, wobei mindestens eine der leitfähigen Bahnen trimmbar ist, um das Ausgangssignal zu nullen, wenn es keine Luftströmung gibt, und dadurch die Brücke zu kalibrieren.
3. Bidirektionale Erfassungsvorrichtung für eine Massenluftströmung
nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die mindestens eine leitfähige Bahn (40) eine Breite aufweist, die größer als die Breiten der anderen der Vielzahl von leitfähigen Bahnen ist.
daß die mindestens eine leitfähige Bahn (40) eine Breite aufweist, die größer als die Breiten der anderen der Vielzahl von leitfähigen Bahnen ist.
4. Bidirektionale Erfassungsvorrichtung für eine Massenluftströmung
nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das erste und das zweite Heizelement elektrisch in Reihe ge schaltet sind.
daß das erste und das zweite Heizelement elektrisch in Reihe ge schaltet sind.
5. Bidirektionale Erfassungsvorrichtung für eine Massenluftströmung
nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Ausgangsmittel ein erstes sich auf dem Chip befindliches Kopplungsmittel umfaßt, das auf dem Substrat gebildet ist, um ein Ende des ersten Sensorelements an ein Ende des zweiten Sensorele ments (50) elektrisch anzukoppeln, und ein zweites auf dem Chip befindliches Kopplungsmittel umfaßt, das auf dem Substrat gebildet ist, um ein Ende des dritten Sensorelements an ein Ende des vierten Sensorelements (52) elektrisch anzukoppeln.
daß das Ausgangsmittel ein erstes sich auf dem Chip befindliches Kopplungsmittel umfaßt, das auf dem Substrat gebildet ist, um ein Ende des ersten Sensorelements an ein Ende des zweiten Sensorele ments (50) elektrisch anzukoppeln, und ein zweites auf dem Chip befindliches Kopplungsmittel umfaßt, das auf dem Substrat gebildet ist, um ein Ende des dritten Sensorelements an ein Ende des vierten Sensorelements (52) elektrisch anzukoppeln.
6. Bidirektionale Erfassungsvorrichtung für eine Massenluftströmung
nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß das erste und das zweite auf dem Chip befindliche Kopplungs mittel jeweils eine leitfähige Bahn umfassen, die auf dem Substrat gebildet ist.
daß das erste und das zweite auf dem Chip befindliche Kopplungs mittel jeweils eine leitfähige Bahn umfassen, die auf dem Substrat gebildet ist.
7. Bidirektionale Erfassungsvorrichtung für eine Massenluftströmung
nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß erste und zweite leitfähige Bahnen, die auf dem Substrat gebil det sind, das erste und zweite Heizelement an jeweilige Bondingflä chen (B2, B1) in einem Randbereich des Substrats ankoppeln, wobei das erste auf dem Chip befindliche Kopplungsmittel eine erste leit fähige Nebenschlußbahn (60) umfaßt, die seitlich von der ersten leitfähigen Bahn angeordnet ist und unter dieser liegt, und das zweite auf dem Chip befindliche Kopplungsmittel eine zweite leitfä hige Nebenschlußbahn (62) umfaßt, die seitlich von der zweiten leitfähigen Bahn angeordnet ist und unter dieser liegt.
daß erste und zweite leitfähige Bahnen, die auf dem Substrat gebil det sind, das erste und zweite Heizelement an jeweilige Bondingflä chen (B2, B1) in einem Randbereich des Substrats ankoppeln, wobei das erste auf dem Chip befindliche Kopplungsmittel eine erste leit fähige Nebenschlußbahn (60) umfaßt, die seitlich von der ersten leitfähigen Bahn angeordnet ist und unter dieser liegt, und das zweite auf dem Chip befindliche Kopplungsmittel eine zweite leitfä hige Nebenschlußbahn (62) umfaßt, die seitlich von der zweiten leitfähigen Bahn angeordnet ist und unter dieser liegt.
8. Bidirektionale Erfassungsvorrichtung für eine Massenluftströmung
nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die erste leitfähige Nebenschlußbahn in der Nähe zu dem ersten und dem zweiten Sensorelement angeordnet ist, und daß die zweite leitfähige Nebenschlußbahn in der Nähe zu dem dritten und dem vierten Sensorelement angeordnet ist, wodurch parasitärer Wider stand in der Wheatstone-Brückenschaltung minimiert ist.
daß die erste leitfähige Nebenschlußbahn in der Nähe zu dem ersten und dem zweiten Sensorelement angeordnet ist, und daß die zweite leitfähige Nebenschlußbahn in der Nähe zu dem dritten und dem vierten Sensorelement angeordnet ist, wodurch parasitärer Wider stand in der Wheatstone-Brückenschaltung minimiert ist.
9. Bidirektionale Erfassungsvorrichtung für eine Massenluftströmung
nach Anspruch 7, die eine erste elektrische Isolationsschicht (64)
zwischen dem ersten auf dem Chip befindlichen Kopplungsmittel
und der ersten leitfähigen Bahn und eine zweite elektrische Isolati
onsschicht (66) zwischen dem zweiten auf dem Chip befindlichen
Kopplungsmittel und der zweiten leitfähigen Bahn umfaßt.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US08/919,644 US5827960A (en) | 1997-08-28 | 1997-08-28 | Bi-directional mass air flow sensor having mutually-heated sensor elements |
US09/106,542 US6131453A (en) | 1997-08-28 | 1998-06-29 | Bi-directional mass airflow sensor having integral wheatstone bridge |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19838859A1 true DE19838859A1 (de) | 1999-03-18 |
Family
ID=26803785
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE1998138859 Withdrawn DE19838859A1 (de) | 1997-08-28 | 1998-08-26 | Bidirektionaler Massenluftströmungssensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19838859A1 (de) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102005061703A1 (de) * | 2005-12-21 | 2007-07-05 | Innovative Sensor Technology Ist Ag | Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgrösse und Verfahren zur Herstellung einer entsprechenden Sensoreinheit |
EP1962067A3 (de) * | 2007-02-19 | 2011-08-03 | Vaillant GmbH | Verfahren zur Kalibrierung eines Strömungssensors mit einem oder zwei temperatursensitiven Widerständen |
WO2014123481A1 (en) * | 2013-02-08 | 2014-08-14 | Provtagaren Ab | Enhanced differential thermal mass flow meter assembly and methods for measuring a mass flow using said mass flow meter assembly |
DE10324292B4 (de) | 2003-05-21 | 2018-03-15 | Robert Bosch Gmbh | Messelement für einen Durchflusssensor, insbesondere einen Luftmassensensor für Brennkraftmaschinen |
-
1998
- 1998-08-26 DE DE1998138859 patent/DE19838859A1/de not_active Withdrawn
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10324292B4 (de) | 2003-05-21 | 2018-03-15 | Robert Bosch Gmbh | Messelement für einen Durchflusssensor, insbesondere einen Luftmassensensor für Brennkraftmaschinen |
DE102005061703A1 (de) * | 2005-12-21 | 2007-07-05 | Innovative Sensor Technology Ist Ag | Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgrösse und Verfahren zur Herstellung einer entsprechenden Sensoreinheit |
EP1962067A3 (de) * | 2007-02-19 | 2011-08-03 | Vaillant GmbH | Verfahren zur Kalibrierung eines Strömungssensors mit einem oder zwei temperatursensitiven Widerständen |
WO2014123481A1 (en) * | 2013-02-08 | 2014-08-14 | Provtagaren Ab | Enhanced differential thermal mass flow meter assembly and methods for measuring a mass flow using said mass flow meter assembly |
US10598529B2 (en) | 2013-02-08 | 2020-03-24 | Provtagaren Ab | Enhanced differential thermal mass flow meter assembly and methods for measuring a mass flow using said mass flow meter assembly |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE19836547C2 (de) | Bidirektionale Erfassungsvorrichtung für eine Luftströmung | |
DE19527861B4 (de) | Massenflusssensor sowie Verfahren zur Herstellung | |
DE69830343T2 (de) | Thermischer druchflusssensor und sensor anderer eigenschaften eines fluids mit einem feedback loop der ein sensorelement in einer wheatstonebrücke zwingt dem widerstand eines variablen widerstandelements in the brücke zu folgen | |
DE102006062750B4 (de) | Vorrichtung zum Erfassen einer Änderung einer physikalischen Grösse mittels einer Stromleiterstruktur | |
EP0184011B1 (de) | Vorrichtung zur Luftmengenmessung | |
DE10306805B4 (de) | Durchflussmengen-Messgerät | |
DE2925975A1 (de) | Mengendurchflussmesser | |
DE4005801A1 (de) | Mikrobruecken-stroemungssensor | |
DE2433645C3 (de) | Magnetoresistives Bauelement | |
EP0235360B1 (de) | Messonde | |
DE4324040A1 (de) | Massenstromsensor | |
DE112016004756T5 (de) | Gassensorvorrichtung und Heizstromsteuerverfahren für eine Gassensorvorrichtung | |
DE4408270C2 (de) | Zweirichtungsluftstromdetektor | |
DE19942675A1 (de) | Strömungssensor | |
DE19509555A1 (de) | Durchflußsensor | |
DE3502440A1 (de) | Anordnung zur messung der waermeleitfaehigkeit von gasen | |
DE4439222C2 (de) | Massenflußsensor mit Druckkompensation | |
DE10324292B4 (de) | Messelement für einen Durchflusssensor, insbesondere einen Luftmassensensor für Brennkraftmaschinen | |
DE19722834A1 (de) | Magnetoresistives Gradiometer in Form einer Wheatstone-Brücke zur Messung von Magnetfeldgradienten | |
DE10297603T5 (de) | Vorrichtung und Verfahren zur thermischen Isolation eines thermischen Massenstrom-Sensors | |
DE19810218A1 (de) | Magnetfeldsensor auf Basis des magnetoresistiven Effektes | |
DE19838859A1 (de) | Bidirektionaler Massenluftströmungssensor | |
DE19800628C2 (de) | Luftdurchsatz-Meßelement und Luftdurchsatz-Meßvorrichtung | |
DE4115040A1 (de) | Messelement | |
AT5315U1 (de) | Verfahren zum kompensieren von mechanischen spannungen für die messung der magnetischen feldstärke mittels hallsonden |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |