DE19838859A1

DE19838859A1 - Bidirektionaler Massenluftströmungssensor

Info

Publication number: DE19838859A1
Application number: DE1998138859
Authority: DE
Inventors: Michel Farid Sultan; Charles Robert Harrington
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1997-08-28
Filing date: 1998-08-26
Publication date: 1999-03-18

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 R_a und R_b 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 R_a und R_b 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

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.

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.

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.

4. Bidirektionale Erfassungsvorrichtung für eine Massenluftströmung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
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.

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.

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.

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.

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.