EP1917502A1 - HEIßFILMLUFTMASSENMESSER MIT STRÖMUNGSABLÖSUNGSELEMENT - Google Patents

HEIßFILMLUFTMASSENMESSER MIT STRÖMUNGSABLÖSUNGSELEMENT

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Publication number
EP1917502A1
EP1917502A1 EP06777326A EP06777326A EP1917502A1 EP 1917502 A1 EP1917502 A1 EP 1917502A1 EP 06777326 A EP06777326 A EP 06777326A EP 06777326 A EP06777326 A EP 06777326A EP 1917502 A1 EP1917502 A1 EP 1917502A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor chip
flow
air mass
separation element
film air
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Withdrawn
Application number
EP06777326A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hans Hecht
Bernhard Opitz
Klaus Reymann
Ulrich Wagner
Christoph Gmelin
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1917502A1 publication Critical patent/EP1917502A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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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
    • G01F1/6842—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow with means for influencing the fluid flow
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a H preciselyfileinuftmassenmesser with a flow separation element to prevent surface contamination and caused by surface contamination signal drift.
  • Such H comprehensivefileinuftmassenmesser be used in particular for the measurement of air mass flows in the intake of internal combustion engines.
  • gas mass in particular an air mass
  • gases which take place under controlled conditions.
  • An important example is the combustion of fuel in internal combustion engines of motor vehicles, in particular with subsequent catalytic emission control.
  • Various types of sensors are used to measure the air mass flow rate.
  • HFM hot film air mass meter
  • a thin sensor membrane is usually applied to a sensor chip, for example a silicon sensor chip.
  • On the sensor membrane is typically arranged at least one heating resistor, which is surrounded by two or more temperature resistors.
  • the temperature distribution changes, which in turn can be detected by the temperature measuring resistors.
  • an air mass flow can be determined.
  • Such sensors are for example directly in Intake tract of an internal combustion engine or used in a bypass duct.
  • An embodiment in which a sensor chip is used in a bypass channel is described, for example, in DE 103 48 400 A1.
  • a problem with this type of sensor which is known for example from DE 101 11 840 C2 is that frequent contamination of the sensor chip can occur, for example due to oil.
  • the sensor chip is usually used directly in the intake tract of the internal combustion engine or in a bypass duct to the intake tract of the internal combustion engine.
  • oil may precipitate on the sensor chip and in particular on the sensor membrane. This oil precipitate can lead to an undesired measurement signal influencing of the sensor chip, in particular since an oil film acts on the surface of the sensor chip on the thermal conductivity of the surface, which leads to distortions of the measurement signals or a signal drift.
  • the proposed hot film air mass meter has a greatly reduced surface contamination and reduced signal instabilities due to surface contamination compared to hot film air mass meters known in the art.
  • the hot-film air mass meter is particularly suitable for the measurement of air mass flows in the range between zero and sixty meters per second and can be used in particular in the intake tract of an internal combustion engine.
  • the invention is based on the finding that even dirt deposits of small height, for example above about 15 ⁇ m, can have a considerable influence on the flow behavior of the air mass flow over the surface of the hot-air mass meter.
  • the impurities lead to a flow separation with delayed flow of the flow to the - A -
  • a basic idea of the present invention is thus to minimize any kind of influence by dirt deposits on the velocity profile of the flow of the air mass flow.
  • the hot-film air mass meter serves for measuring an air mass flow flowing with a main flow direction and has a sensor chip with a measuring surface.
  • the air mass flow should flow substantially parallel over a surface of the sensor chip, of which the measuring surface is a component.
  • “Substantially” is to be understood as meaning that even slight deviations from a parallel flow can be tolerated, for example deviations of less than 10.degree ..
  • the hot-film air mass meter can be used, for example, to measure air mass flows directly in the intake tract of an internal combustion engine or in a bypass. Channel of the intake tract What is meant by the term "main flow direction" is therefore dependent on the place of use.
  • the "main flow direction” should essentially be understood as the transport direction of the air mass flow in the section of the bypass channel in which the hot film air mass meter, in particular the sensor chip, is arranged under a “main flow direction” are understood in each case the main transport direction of the air mass flow at the location of the sensor chip.
  • local turbulences should be neglected.
  • the sensor chip In principle, almost all sensor chips known from the prior art can be used as the sensor chip, for example the sensor chips proposed in DE 196 01 791 A1. In principle, however, other types of H combinfileinuftmassenmesser sensor chips can be used. However, what is essential is the presence of a measuring surface on the sensor chip. This measuring surface should be distinguished by the fact that the sensor chip in the area of the measuring surface has a significantly lower transverse thermal conductivity than in the surrounding area of the sensor chip (chip mainland). The sensor chip may preferably have a transverse thermal conductivity which is at least one order of magnitude smaller in the region of the measurement surface than in the surrounding region of the sensor chip.
  • the sensor chip may have a transverse conductivity of 0.1 to 2 W / m K in the region of the measurement surface, compared to air at 0.026 W / m K and a surrounding silicon mainland of 156 W / m K.
  • This can be, for example , as in the sensor chip disclosed in DE 196 01 791 A1, by means of a silicon membrane, which, since the transverse conductivity is determined essentially by the ambient air, has a significantly lower transverse thermal conductivity compared to the surrounding silicon mainland ,
  • the measuring range of the sensor chip can be made porous, the pores effecting a reduction in the thermal conductivity.
  • At least one heating element and at least two measuring resistors may be arranged on the measuring surface of the sensor chip, which are configured, for example, as substantially parallel conductor tracks extending substantially perpendicular to the main flow direction.
  • the individual strip conductors can also be slightly tilted relative to each other, "substantially parallel” here preferably being a tilt of not more than ⁇ 3 °.
  • “4m substantially vertical” is to be understood as meaning that an angle of the strip conductors of 90 ° ° to the main flow direction is preferred, with angular tolerances of up to 5 °, preferably of up to 2 °, are still tolerable.
  • a core element of the present invention is that the measuring surface is preceded by at least one flow separation element with respect to the main flow direction.
  • This at least one flow separation element is designed such that the air mass flow is removed by the flow separation element before reaching the measurement surface in at least one separation region of the surface of the sensor chip.
  • a core idea of this flow separation element is therefore to interpret the region described above at the transition between the measurement surface and the chip mainland of the sensor chip, in particular upstream of the measurement surface, as a "dead water area" from the outset, whereby the flow separation element is designed in such a way that the at least one separation element
  • the measurement signal of the hot-film air-mass meter configured in accordance with the invention is thus considerably more stable than conventional hot-film air mass meter. Signal drifts occur only to a greatly reduced extent. Furthermore, the at least one flow separation element causes the risk that impurities are driven by the air mass flow onto the measurement surface of the sensor chip to be greatly reduced. Overall, the inventive design of the H thoroughlyfileinuftmassenmessers thus also causes a greatly reduced susceptibility to interference and increased robustness of the system according to the invention.
  • the at least one flow separation element may have at least one elevation, wherein the at least one elevation has at least one upper edge spaced from the surface of the sensor chip at right angles to the main flow direction.
  • the term "spaced apart" does not necessarily mean that the flow separation element is arranged on the surface of the sensor chip, it is preferred if the at least one flow separation element is arranged upstream of the sensor chip on the hot film air mass meter It is preferred if this upper edge projects beyond the surface of the sensor chip by at least 15 ⁇ m, preferably by at least 30 ⁇ m and particularly preferably by at least 40 ⁇ m, ie perpendicular to the main flow direction of this upper edge. surface is spaced. This dimensioning of the at least one flow separation element has proven advantageous in view of typical deposits on the sensor chip.
  • the at least one flow separation element may comprise, for example, a flowwall, a wire, an auxiliary plate, a step and / or an overhang, as well as combinations of said elements. It is particularly preferred if the at least one flow separation element extends substantially parallel to the surface of the sensor chip, so that in particular the upper edge of the elevation extends substantially parallel to the surface of the sensor chip. As with the definition of "substantially” with respect to the parallel flow of the air mass flow over the measuring surface, deviations from a parallelism of up to approximately 10 ° should also be tolerable here Extends substantially perpendicular to the main flow direction. Again, deviations of up to 10 ° can be tolerated.
  • the measurement surface can have at least one conductor track.
  • This may in particular be a conductor track of one or more temperature sensors and / or one or more heating elements.
  • the at least one flow separation element of the at least one interconnect is at least 30 ⁇ m, and preferably at least 50 ⁇ m, with respect to the main flow direction. Since, as a rule, the at least one flow separation element itself has a finite extent, these minimum values preferably refer to the above-described upper edge of the at least one flow separation element, in particular to the distance along the main flow direction between this upper edge and the foremost upstream flow or at least one part of the at least one flow separation element which is closest to the at least one conductor track, this embodiment of the invention prevents the separation area from overstressing the area I extends the at least one conductor track, in which case over the at least one conductor track no laminar flow of the air mass
  • the detachment area would then protrude beyond the at least one interconnect and falsify measurements there. However, slight overlaps of the detachment area with the at least one conductor track are still tolerable. Apart from this minimum distance to the interconnects, however, there are also other preferred arrangements of the at least one flow separation element. So it is particularly preferred if the sensor chip at the transition between the measuring surface and the chip mainland has a boundary line that the at least one flow separation element of the
  • Borderline (or the most upstream portion of this boundary line) upstream of the main flow direction by a maximum of 500 microns, preferably by a maximum of 300 microns and more preferably by a maximum of 200 microns.
  • This maximum distance to the (upstream) limit line results from the fact that, as described above, contaminants (in particular oil droplets) accumulate preferentially at the boundary line which is exposed to a high temperature gradient. If the at least one flow separation element is arranged too far upstream of this boundary line, this has the effect that the flow has already re-established itself against the chip surface when the impurities have reached the boundary line. Thus, this flow in the region of the boundary line is already influenced again by impurities at the boundary line, so that the at least one flow separation element has lost its effect.
  • the term "maximum” should be understood as including a distance between the boundary line and said top edge and / or a distance between the boundary line and the furthest from the boundary line Part of at least one flow separation element is subsumed.
  • the at least one flow separation element can furthermore be realized by recessing the sensor chip into a chip carrier.
  • the sensor chip is held in a chip carrier, with the chip carrier having a carrier surface substantially overflowed in parallel by the air mass flow (deviation tolerance again about 10 °).
  • the sensor chip with a surface recessed in relation to the carrier surface is embedded in the chip carrier, whereby at the transition between the chip carrier and sensor chip on the inflow side (ie located upstream with respect to the main flow direction) forms a step.
  • the step acts as a flow separation element and forms a separation region in the edge region of the sensor chip.
  • the surface of the sensor chip is at least 15 ⁇ m relative to the carrier surface, in particular at least 30 ⁇ m, and especially preferably recessed by at least 40 microns.
  • This embodiment is particularly (but not exclusively) advantageous if dirt deposits due to thermogradient forces are also to be expected in the vicinity of the edge of the sensor chip and not further inside the surface of the sensor chip. In particular, this is the case when the measuring surface z. B. is produced over a large area by porosification (in contrast to a membrane which is usually not generated over a large area) and extends to near the edge region of the chip surface.
  • FIG. 1 shows an exemplary division of a sensor chip of a hot-film air mass meter into a measuring surface and a chip mainland;
  • Figure 2A is a schematic representation of the influence of an air mass flow over a surface by an impurity applied to the surface;
  • FIG. 2B shows the arrangement according to FIG. 2A with a flow separation element applied before the contamination
  • FIGS. 3A to 3D show various embodiments of the embodiment of a flow separation element
  • FIG. 4 shows an embodiment of a flow separation element in the form of a sensor chip recessed into a chip carrier.
  • FIG. 1 shows a configuration of a sensor chip 110 (only hinted at) of a hot-film air-mass meter (with the exception of an inventive flow-separation element, see below).
  • the sensor chip 110 can be used, for example, in the intake tract of an internal combustion engine or in a bypass channel to the intake tract of an internal combustion engine. Such devices are known for example from DE 196 01 791 Al.
  • the sensor chip according to the embodiment in FIG. 1 has a Chip mainland with a continental surface 112 in the plane of the drawing (only partially shown). In this embodiment, it is assumed that the sensor chip 110 is a silicon sensor chip. Furthermore, the sensor chip 110 has a measuring area with a measuring surface 114 in the plane of the drawing.
  • the measuring surface 114 is configured in this embodiment in the form of a rectangle 116, which has longer sides L M 118, 120 perpendicular to a main flow direction 122 of an air mass flow.
  • the longer side 118 thus represents the furthest upstream part of the rectangle 116 and thus the boundary line of the measurement surface 114.
  • the shorter sides 1 M of the rectangle 116 are designated by the reference numerals 124, 126 and are arranged parallel to the main flow direction 122.
  • the sensor chip 110 has a thermal conductivity in the region of the measurement surface 114 which is approximately 0.1 to 2 W / m K compared to the surrounding mainland at 126 W / m K. This can be achieved by porosification of the silicon in the range the measuring surface 114 can be achieved.
  • a sensor membrane with a laterally substantially determined by the surrounding air thermal conductivity of 0.026 W / m K can be used.
  • Conductor tracks 128 of a central hot-film air mass meter circuit are arranged in the region of the measuring surface 114.
  • These printed conductors 128 are composed of a central heating element 130 and two temperature sensors 132, 134.
  • a temperature sensor 132 is arranged upstream of the central heating element 130 and a temperature sensor 134 downstream.
  • the printed conductors 128 define in their outer dimensions on the measuring surface 114 a sensor region 136.
  • This sensor region 136 is likewise configured in the form of a rectangle 138, which has the longer sides 140, 142 and shorter sides 144, 146.
  • the connection-side shorter side 144 of the rectangle lies on the connection-side shorter side 124 of the rectangle 116 of the measurement surface.
  • the side lengths of the rectangle 138 of the sensor region 136 are denoted by L 8 and l s in FIG.
  • the printed conductors 128 of the central HFM circuit extend almost to the outer rectangle 116 of the measuring surface 114.
  • the rectangle 138 of the sensor region 136 is dimensioned only insignificantly smaller, for example, L 8 is about 0.9 to 0.95 x L M and l s is about 0.7 x 1 M.
  • oil droplets 148 are thus arranged in the immediate vicinity of the printed conductors 128.
  • a slight external force for example due to the air mass flow, causes oil droplets 148 to be driven onto the printed conductors 128.
  • the accumulation of oil droplets 148 also causes a change in the thermal conductivity of the sensor chip 110 in the region of the edge of the rectangle 116 of the measuring surface 114.
  • the oil droplets 148 can increase the conductivity at the transition between the measuring surface 114 and the mainland surface 112. This has a significant influence on the temperature distribution on the measuring surface 114.
  • oil droplets 148 often form a bonding agent for dust and soot.
  • an "oilwall" with a height of about 15 to 30 microns in the region of the edge of the rectangle 116 of the measuring surface is formed, which leads to air turbulence in this area, which calmed down again after a certain distance 2A shows the effect of dirt deposits in the inflow region of a hot film air mass meter on the velocity profile of the air mass meter above the sensor chip 110 of the hot film air mass meter.
  • fouling wall 210 In addition to oil droplets 148, further impurities can also be added to this fouling wall 210 contribute, for example, dust or other flying particles.
  • FIG. 2A shows flow lines 212 of an air mass flow, which flows in parallel with the main flow direction 122 over a surface 214 of the sensor chip 110.
  • airfoils 216 which symbolize the velocity profile of the air mass flow over the surface 214.
  • the detachment area 218 As can be seen from the illustration according to FIG. 2A, behind (ie with respect to the main flow direction 122 downstream) of the soiling wall 210, a soiling condition is formed. the detachment area 218. The boundary of this contamination-related detachment area 218 is shown symbolically by the dashed line 220. While a substantially laminar flow over the surface 214 prevails outside of the contamination-related detachment region 218 in the example according to FIG. 2A, this flow is removed in the polluting detachment region 218, whereby air turbulences 222 form in this detachment region 218.
  • the soiling separation region 218 extends to the measuring surface 114 and into the range of Conductor tracks 128.
  • the contamination-related detachment area 210 has an extent parallel to the main flow direction 122 of approximately 200 to 300 ⁇ m. Since the longer side 118 of the rectangle 116 in FIG.
  • FIG. 2B shows an example in which, in a modification to FIG. 2A, the contamination wall 210 is preceded by an inventive flow separation element 224.
  • this flow separation element 224 has the shape of a wall with a rectangular cross section and an upper edge 226 which, in this exemplary embodiment, lies at a height H (reference numeral 228) of approximately 30 ⁇ m above the surface 214 of the sensor chip 110.
  • H reference numeral 2228
  • the flow separation element 224 is about twice the height of the contaminant wall 210 (about 15 ⁇ m, see above).
  • a detachment region 230 forms with a boundary 232 of the detachment region 230, which virtually completely encloses the contamination-dependent detachment region 218.
  • the detachment region 230 of the flow detachment element 224 does not depend on the height of the impurity wall 210 and is therefore constant in time.
  • this separation region 230 although this also has an extent up to the tracks 128, be taken into account in a calibration of the hot-air mass meter.
  • the effects of the contamination-related detachment region 218 are not or only slightly noticeable, so that the calibration of the hot-film air mass meter is independent of the height of the impurity wall 210.
  • An additional effect of the flow separation element 224 is that the clogging wall 210 is prevented from passing through the mass air flow is driven onto the sensor area 136 of the sensor chip 110.
  • the position of the flow separation element 224 (which does not correspond to the state of the art) is shown symbolically by the dashed line 150. It can be seen that in this preferred embodiment, the flow separation element 224 extends substantially parallel to the conductor track loops 128, that is, substantially perpendicular to the main flow direction 122 of the air mass flow. The distance between the longer side 118 of the rectangle 116 and the flow separation element 224 is denoted symbolically d in the illustration according to FIG. 1 and in this exemplary embodiment is approximately 200 ⁇ m.
  • FIG. 3A to 3D Various embodiments for realizing the flow separation element 224, which may be used as an alternative to the "wall" used in Figure 2B, are shown in Figures 3A to 3D, but it should be understood that other embodiments of the flow separation element 224 are possible 3A to 3C each show a chip carrier 310, which is flowed or overflowed by the air mass flow (symbolically represented by the flow direction 122) via a leading edge 312.
  • the chip carrier 310 is designed, for example, as an injection-molded plastic part.
  • the sensor chip 110 is embedded according to the above description, wherein the surface 214 of the sensor chip 110 is substantially flush with the support surface 314 of the chip carrier 310.
  • the embodiment of the measuring surface 114 of the sensor chip 110 entspri For example, the embodiment in FIG. 1
  • Embodiment 3A the flow separation element 224 designed as a long wire which extends parallel to the leading edge 312.
  • the flow separation element 224 is designed in the form of an adhesive bead, which can be produced for example by applying a self-curing, a UV-curing or a temperature-curing adhesive. This embodiment is technically comparatively simple and inexpensive to implement.
  • a chip is applied to the chip carrier 310 upstream of the sensor chip 110, which acts as a whole as a flow separation element 224.
  • the flow separation element 224 is designed as an overhang, which projects beyond the sensor chip 110 by approximately 100 ⁇ m.
  • This overhang can be formed, for example, as an integral part of the chip carrier 310 and, for example, already formed during the manufacture (for example injection molding) of the chip carrier 310. Alternatively or additionally, the overhang can also be applied as a separate component to the chip carrier 310.
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of a hot-air air mass meter, in which the sensor chip 110 is recessed into the chip carrier 310.
  • the sensor chip 110 is in turn configured analogously to the representation in FIG. 1 and has a chip surface 214 with a measurement surface 114 and a mainland surface 112.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 4 is particularly advantageous for sensor chips 110, in which the measurement surface 114 approaches (eg, ⁇ 400 .mu.m) the edge of the chip surface 214, that is to say, for example, measurement surfaces 114 produced by porosification.
  • the surface 114 of the sensor chip 110 is recessed relative to the carrier surface 314 in this embodiment by approximately 60 ⁇ m, so that the edge 410 forms the flow separation element 224 and corresponds to the top edge 226 in the illustration according to FIG. 2B.
  • a detachment region 230 is formed behind the edge 410.
  • This separation region 230 comprises the contamination wall 210 and an optional contamination-related separation region 218 of the contamination wall 210.
  • the flow separation element 224 has the same effect in this embodiment as in the above described cases.
  • the sensor chip 110 is connected to the chip carrier 310 via a connection layer 412 (for example an adhesive) and firmly embedded in it. By changing the thickness of the connection layer 412, the thickness of the depression of the surface 214 of the sensor chip 110 with respect to the support surface 314, and thus the size of the detachment region 230, can be adjusted.

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Abstract

Es wird ein Heißfilmluftmassenmesser zur Messung eines mit einer Hauptströmungsrichtung strömenden Luftmassenstroms vorgeschlagen, welcher insbesondere im Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine eingesetzt werden kann. Der Heißfilmluftmassenmesser weist einen Sensorchip (110) mit einer Messoberfläche (114) auf. Der Luftmassenstrom strömt im Wesentlichen parallel über ein Oberfläche (214) des Sensorchips (110). Der Messoberfläche (114) ist bezüglich der Hauptströmungsrichtung (122) ein Strömungsablösungselement (224) vorgelagert. Das mindestens eine Strömungsablösungselement (224) ist ausgestaltet, um den Luftmassenstrom vor Erreichen der Messoberfläche (114) in mindestens einem Ablösebereich (230) von der Oberfläche (214) des Sensorchips (110) abzulösen.

Description

Hcißfilmluftmasscnmcsscr mit Strömungsablösungsclcmcnt
Die Erfindung betrifft einen Heißfilmluftmassenmesser mit einem Strömungsablösungselement zur Vermeidung von Oberflächenkontamination und durch Oberflächenkontamination bedingte Signaldrift. Derartige Heißfilmluftmassenmesser werden insbesondere zur Messung von Luftmassenströmen im Ansaugtrakt von Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt.
Stand der Technik
Bei vielen Prozessen, beispielsweise auf dem Gebiet der Verfahrenstechnik, Chemie oder dem Maschinenbau, muss definiert eine Gasmasse, insbesondere eine Luftmasse, zugeführt werden. Hierzu zählen insbesondere Verbrennungsprozesse, welche unter geregelten Bedingungen ablau- fen. Ein wichtiges Beispiel ist dabei die Verbrennung von Kraftstoff in Verbrennungskraftmaschinen von Kraftfahrzeugen, insbesondere mit anschließender katalytischer Abgasreinigung. Zur Messung des Luftmassendurchsatzes werden dabei verschiedene Typen von Sensoren eingesetzt.
Ein aus dem Stand der Technik bekannter Sensortyp ist der so genannte Heißfilmluftmassenmes- ser (HFM), welcher beispielsweise in DE 196 01 791 Al in einer Ausführungsform beschrieben ist. Bei derartigen Heißfilmluftmassenmessern wird üblicherweise eine dünne Sensormembran auf einen Sensorchip, beispielsweise einen Silizium-Sensorchip, aufgebracht. Auf der Sensormembran ist typischerweise mindestens ein Heizwiderstand angeordnet, welcher von zwei oder mehr Temperaturwiderständen umgeben ist. In einem Luftstrom, welcher über die Membran geführt wird, ändert sich die Temperaturverteilung, was wiederum von den Temperaturmesswiderständen erfasst werden kann. Somit kann, z.B aus der Widerstandsdifferenz der Temperaturmesswiderstände, ein Luftmassenstrom bestimmt werden. Verschiedene andere Varianten dieses Sensortyps sind aus dem Stand der Technik bekannt. Derartige Sensoren werden beispielsweise direkt im Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine oder in einem Bypasskanal eingesetzt. Ein Ausführungsbeispiel, in welchem ein Sensorchip in einem Bypasskanal eingesetzt wird, ist beispielsweise in DE 103 48 400 Al beschrieben.
Eine beispielsweise aus DE 101 11 840 C2 bekannte Problematik bei diesem Typ von Sensoren besteht jedoch darin, dass häufig Kontaminationen des Sensorchips auftreten können, beispielsweise durch Öl. Der Sensorchip wird üblicherweise direkt im Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine oder in einem Bypasskanal zum Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine eingesetzt. Dabei kann sich im Betrieb oder kurz nach dem Abschalten der Verbrennungskraftma- schine Öl auf dem Sensorchip und dabei insbesondere auf der Sensormembran niederschlagen. Dieser Ölniederschlag kann zu einer unerwünschten Messsignalbeeinflussung des Sensorchips führen, insbesondere da ein Ölfilm auf der Oberfläche des Sensorchips auf die Wärmeleitfähigkeit der Oberfläche einwirkt, was zu Verfälschungen der Messsignale oder einer Signaldrift führt.
Weiterhin ist bekannt, dass Flüssigkeiten auf Oberflächen mit einem Temperaturgradienten eine Kraft in Richtung kälterer Regionen erfahren (siehe z.B. V.G. Levich, „Physicochemical Hydro- dynamics," Prentice-Hall, N.J.,1962, S. 384 f. Dies ist einer der Gründe, warum sich beim Betrieb eines thermischen Luftmassenmessers am Grenzbereich des beheizten Messbereichs Flüssigkeiten wie z.B. Öl ansammeln und so mit der Zeit zu einer Drift des Messsignals des Heißfilm- luftmassenmessers führen. Die Luftströmung treibt an der Oberfläche befindliche Flüssigkeitstropfen und andere Verunreinigungen bis zur Begrenzung des beheizten Messbereichs, an welcher ein starker Temperaturgradient auftritt. Dort bewirkt der starke Temperaturgradient eine Gegenkraft zur Kraft durch die Luftströmung. An der Grenzlinie sammeln sich somit Flüssigkeitstropfen an, welche bei Erreichen einer gewissen Größe leicht wieder vom Luftstrom mitgenommen werden können, um dann die Oberfläche des Messbereichs zu kontaminieren. Neben den Öltröpf- chen gelangen durch diesen Effekt auch typischerweise an den Öltröpfchen anhaftende andere Verschmutzungen (z. B. Staub) auf die Oberfläche des Messbereichs.
Dieser Effekt, bei dem in unregelmäßigen Abständen Öl und andere Verunreinigungen durch den Luftmassenstrom auf die Oberfläche des Messbereichs getrieben werden, verursacht insbesondere kurzfristige und unvorhersehbare Signalinstabilitäten des Heißfilmluftmassenmessers. Dies ist insbesondere dadurch bedingt, dass die sporadisch auftretenden Kontaminationen die thermische Leitfähigkeit der Oberfläche des Messbereichs verändern, wodurch eine zuvor durchgeführte Kalibration des Heißfilmluftrnassenmessers ihre Gültigkeit einbüßt. Neben kurzfristigen Änderungen können auch länger andauernde Änderungen der Signalcharakteristik der Heißfilmluft- massenmesser auftreten, insbesondere wenn die auf die Messoberfläche getriebenen Kontaminati- onen dort für längere Zeit anhaften.
Eine weitere Problematik, die daraus entsteht, dass sich insbesondere an der Grenze des Messbereichs Kontaminationen aufbauen, besteht in der Beeinflussung der Strömungsdynamik des Heiß- filmluftmassenmessers. Der Heißfilmluftmassenmesser wird vor Inbetriebnahme kalibriert, wobei die Kalibration von einem bestimmten Strömungsverhalten des Luftmassenstromes über der O- berfläche des Heißfilrnluftmassenmessers ausgeht. Wenn sich jedoch im Betrieb an der Grenzfläche des Messbereichs eine Kontamination, insbesondere ein Flüssigkeitswall, aufbaut, so beein- flusst diese auch das das Geschwindigkeitsprofil des Luftmassenstromes über der Messoberfläche und damit das Temperaturprofil. Da der Wärmetransport an der Messoberfläche jedoch von der Form des Geschwindigkeits- und Temperaturprofils abhängt, führt dies zu einer Signaldrift des Heißfilmlufbnassenmessers.
Vorteile der Erfindung
Es wird daher erfindungsgemäß ein Heißfilmluftmassenmesser vorgeschlagen, welcher die
Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Heißfilmluftmassenmesser vermeidet. Insbesondere weist der vorgeschlagene Heißfilmluftmassenmesser in einer seiner Ausgestaltungen eine gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Heißfilmluftmassenmessern stark verringerte Oberflächenkontamination und durch Oberflächenkontamination verringerte Signalinstabilitäten auf. Der Heißfilmluftmassenmesser ist insbesondere geeignet für die Messung von Luftmassenströmen im Bereich zwischen Null und sechzig Metern pro Sekunde und kann insbesondere im Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine eingesetzt werden.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass schon Schmutzablagerungen geringer Höhe, bei- spielsweise ab ca. 15 μm, einen erheblichen Einfluss auf das Strömungsverhalten des Luftmassenstroms über der Oberfläche des Heißfilrnluftmassenmessers haben können. Die Verunreinigungen führen zu einer Strömungsablösung mit verzögerter Wideranlage der Strömung an den - A -
Sensorchip des Heißfilmluftmassenmessers und einem veränderten Turbulenzverhalten zur Veränderung der Grenzschicht. Dies wiederum fuhrt zu einer Signaldrift. Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, jede Art der Einflussnahme durch Schmutzablagerungen auf das Geschwindigkeitsprofll der Strömung des Luftmassenstroms zu minimieren.
Der erfindungsgemäße Heißfilmluftmassenmesser dient zur Messung eines mit einer Hauptströmungsrichtung strömenden Luftmassenstroms und weist einen Sensorchip mit einer Messoberfläche auf. Dabei soll der Luftmassenstrom im Wesentlichen parallel über eine Oberfläche des Sensorchips, deren Bestandteil die Messoberfläche ist, strömen. Unter „im Wesentlichen" ist dabei zu verstehen, dass auch leichte Abweichungen von einer parallelen Strömung tolerierbar sind, beispielsweise Abweichungen von unter 10°. Der Heißfilmluftmassenmesser kann beispielsweise zum Messen von Luftmassenströmen unmittelbar im Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine eingesetzt werden, oder auch in einem Bypass-Kanal des Ansaugtraktes. Was unter dem Begriff „Hauptströmungsrichtung" zu verstehen ist, ist somit abhängig vom Einsatzort. Beim Einsatz im Ansaugtrakt kann hierunter insbesondere die Strömungsrichtung im Leitungsrohr des Ansaugtraktes verstanden werden. Beim Einsatz in einem Bypass-Kanal, welcher abschnittsweise gekrümmt sein kann, soll unter , ,Hauptströmungsrichtung" im Wesentlichen die Transportrichtung des Luftmassenstromes in dem Teilabschnitt des Bypass-Kanals verstanden werden, in welchem der Heißfilmluftmassenmesser, insbesondere der Sensorchip, angeordnet ist. Insgesamt kann unter einer , ,Hauptströmungsrichtung" jeweils die Haupt-Transportrichtung des Luftmassenstromes am Ort des Sensorchips verstanden werden. Dabei sollen lokale Verwirbelungen vernachlässigt werden.
Als Sensorchip können dabei grundsätzlich nahezu alle aus dem Stand der Technik bekannten Sensorchips eingesetzt werden, beispielsweise die in DE 196 01 791 Al vorgeschlagenen Sensorchips. Grundsätzlich können jedoch auch andere Arten von Heißfilmluftmassenmesser- Sensorchips eingesetzt werden. Wesentlich ist dabei jedoch das Vorhandensein einer Messoberfläche auf dem Sensorchip. Diese Messoberfläche soll sich dadurch auszeichnen, dass der Sensorchip im Bereich der Messoberfläche eine erheblich geringere transversale thermische Leitfä- higkeit aufweist als im umgebenden Bereich des Sensorchips (Chipfestland). Vorzugsweise kann der Sensorchip im Bereich der Messoberfläche eine um mindestens eine Größenordnung geringere transversale thermische Leitfähigkeit aufweisen als im umgebenden Bereich des Sensorchips. Beispielsweise kann der Sensorchip im Bereich der Messoberfläche eine transversale Leitfähigkeit von 0,1 bis 2 W/m K aufweisen, im Vergleich zu Luft mit 0,026 W/m K und einem umgebenden Silizium-Festland von 156 W/m K. Dies lässt sich beispielsweise, wie in dem in der DE 196 01 791 Al offenbarten Sensorchip, mittels einer Silizium-Membran realisieren, welche, da hier die transversale Leitfähigkeit im Wesentlichen durch die Umgebungsluft bestimmt ist, im Vergleich zum umgebenden Silizium-Festland eine erheblich geringere transversale thermische Leitfähigkeit aufweist. Es lassen sich jedoch auch andere Vorrichtungen einsetzen bei denen der Messbereich eine stark verringerte transversale thermische Leitfähigkeit hat. Beispielsweise lässt sich der Messbereich des Sensorchips porös ausgestalten, wobei die Poren eine Verringerung der thermi- sehen Leitfähigkeit bewirken.
Auf der Messoberfläche des Sensorchips können insbesondere mindestens ein Heizelement und mindestens zwei Messwiderstände angeordnet sein, welche beispielsweise als im Wesentlichen parallele, sich im Wesentlichen senkrecht zur Hauptströmungsrichtung erstreckende Leiterbahnen ausgestaltet sind. Die einzelnen Leiterbahnen können dabei auch leicht gegeneinander verkippt sein, wobei „im Wesentlichen parallel" hierbei vorzugsweise eine Verkippung von nicht mehr als ± 3° zu verstehen ist. Unter ,4m Wesentlichen senkrecht" ist dabei zu verstehen, dass ein Winkel der Leiterbahnen von 90° zur Hauptströmungsrichtung bevorzugt ist, wobei Winkeltoleranzen von bis zu 5°, vorzugsweise von bis zu 2°, noch tolerabel sind.
Ein Kernelement der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass der Messoberfläche bezüglich der Hauptströmungsrichtung mindestens ein Strömungsablösungselement vorgelagert ist. Dieses mindestens eine Strömungsablösungselement ist derart ausgestaltet, dass der Luftmassenstrom durch das Strömungsablösungselement vor Erreichen der Messoberfläche in mindestens einem Ablösebereich von der Oberfläche des Sensorchips abgelöst wird. Ein Kerngedanke dieses Strömungsablösungselement besteht somit darin, den oben beschriebenen Bereich am Übergang zwischen der Messoberfläche und dem Chipfestland des Sensorchips, insbesondere stromaufwärts der Messoberfläche, von vorneherein strömungstechnisch als „Totwassergebiet" auszulegen. Dabei wird das Strömungsablösungselement derart ausgelegt, dass der mindestens eine Ablösebe- reich den Bereich in welchem bekanntermaßen im Betrieb verstärkt Verschmutzungen auftreten, möglichst ganz oder teilweise bedeckt. Das mindestens eine Strömungsablösungselement wirkt somit als „Schutzwall", welcher vor dem Grenzbereich zwischen Messoberfläche und Chipfest- land aufgebaut wird, und welcher zu einer Strömungsablösung („Totwasser") führt, welche jedoch, im Gegensatz zu den durch die Verunreinigungen bedingten Strömungsablösungen, definiert und zeitlich konstant ist. Diese Strömungsablösung, also die Ausbildung eines Ablösebereichs hinter dem mindestens einen Strömungsablösungselement, kann aufgrund ihrer Definiertheit und zeitlichen Konstanz bei der Sensorkalibrierung des Heißfϊlmluftmassenmessers mit berücksichtigt werden. Eine Anhäufung von Schmutz im Ablösebereich hat somit nur einen vergleichsweise geringen Einfluss auf das Geschwindigkeitsprofϊl des Luftmassenstroms über dem Sensorchip, insbesondere über der Messoberfläche, und führt somit nur zu einer stark verringerten Signaldrift.
Das Messsignal des derart erfindungsgemäß ausgestalteten Heißfilmluftmassenmessers ist somit gegenüber herkömmlichen Heißfilmluftmassenmesser erheblich stabiler. Signaldriften treten nur in stark verringertem Maße auf. Weiterhin bewirkt das mindestens eine Strömungsablösungselement, dass die Gefahr, dass Verunreinigungen durch den Luftmassenstrom auf die Messoberfläche des Sensorchips getrieben werden, stark verringert ist. Insgesamt bewirkt die erfindungsge- mäße Ausgestaltung des Heißfilmluftmassenmessers somit auch eine stark verringerte Störungsanfälligkeit und erhöhte Robustheit des erfindungsgemäßen Systems.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben und können einzeln oder in Kombination verwirklicht sein. Diese vorteilhaften Weiterbildungen des erfin- dungsgemäßen Heißfilmluftmassenmessers beziehen sich insbesondere auf die Art und Ausgestaltung sowie auf die Anordnung des mindestens einen Strömungsablösungselements. So kann das mindestens eine Strömungsablösungselement mindestens eine Erhebung aufweisen, wobei die mindestens eine Erhebung mindestens eine senkrecht zur Hauptströmungsrichtung von der Oberfläche des Sensorchips beabstandete Oberkante aufweist. Unter „beabstandet" ist dabei jedoch nicht notwendigerweise zu verstehen, dass das Strömungsablösungselement auf der Oberfläche des Sensorchips angeordnet ist. Es ist vielmehr bevorzugt, wenn das mindestens eine Strömungsablösungselement auf dem Heißfilmluftmassenmesser dem Sensorchip vorgelagert angeordnet ist. Die Oberkante soll dementsprechend lediglich im Vergleich zur Oberfläche des Sensorchips erhöht angeordnet sein. Dabei ist es bevorzugt, wenn diese Oberkante um mindestens 15 μm, vor- zugsweise um mindestens 30 μm und besonders bevorzugt um mindestens 40 μm über die Oberfläche des Sensorchips herausragt, also senkrecht zur Hauptströmungsrichtung von dieser Ober- fläche beabstandet ist. Diese Dimensionierung des mindestens einen Strömungsablösungselements hat sich angesichts typischer Ablagerungen auf dem Sensorchip als vorteilhaft erwiesen.
Das mindestens eine Strömungsablösungselement kann beispielsweise einen Strömungswall, einen Draht, eine Hilfsplatte, eine Stufe und/oder einen Überhang aufweisen, sowie Kombinationen der genannten Elemente. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn sich das mindestens eine Strömungsablösungselement im Wesentlichen parallel zur Oberfläche des Sensorchips erstreckt, so dass insbesondere die Oberkante der Erhebung sich im Wesentlichen parallel zur Oberfläche des Sensorchips erstreckt. Wie auch bei der Definition von „im Wesentlichen" bezüglich der paralle- len Strömung des Luftmassenstroms über der Messoberfläche sollen auch hier Abweichungen von einer Parallelität von bis zu ca. 10° tolerierbar sein. Weiterhin ist es bevorzugt, wenn sich das mindestens eine Strömungsablösungselement im Wesentlichen senkrecht zur Hauptströmungsrichtung erstreckt. Auch hier sind wiederum Abweichungen von bis zu 10° tolerierbar.
Weiterhin kann, wie oben beschrieben, die Messoberfläche mindestens eine Leiterbahn aufweisen. Dabei kann es sich insbesondere um eine Leiterbahn eines oder mehrerer Temperaturfühler und/oder eines oder mehrerer Heizelemente handeln. In diesem Fall wird es erfindungsgemäß bevorzugt, wenn das mindestens eine Strömungsablösungselement der mindestens einen Leiterbahn (bzw. der am weitesten „stromaufwärts" bezüglich der Hauptströmungsrichtung gelegenen Leiterbahn) bezüglich der Hauptströmungsrichtung um mindestens 30 μm, vorzugsweise um mindestens 50 μm und besonders bevorzugt um mindestens 60 um vorgelagert ist. Da in der Regel das mindestens eine Strömungsablösungselement selbst eine endliche Ausdehnung aufweist, beziehen sich diese Mindestangaben vorzugsweise auf die oben beschriebene Oberkante des mindestens einen Strömungsablösungselements, insbesondere auf den Abstand entlang der Haupt- Strömungsrichtung zwischen dieser Oberkante und der vordersten stromaufwärts gelegenen Leiterbahn, oder auf den der mindestens einen Leiterbahn nächstgelegenen Teil des mindestens einen Strömungsablösungselements. Diese Weiterbildung der Erfindung verhindert, dass der Ablösebereich sich zu stark auf den Bereich der mindestens einen Leiterbahn erstreckt, in welchem Falle über der mindestens einen Leiterbahn keine laminare Strömung des Luftmassenstroms mehr an- zunehmen wäre. Der Ablösebereich würde dann bis über die mindestens eine Leiterbahn ragen und Messungen dort verfälschen. Leichte Überdeckungen des Ablösebereichs mit der mindestens einen Leiterbahn sind jedoch noch tolerierbar. Abgesehen von diesem Minimalabstand zu den Leiterbahnen ergeben sich jedoch auch andere bevorzugte Anordnungen des mindestens einen Strömungsablösungselements. So ist es insbesondere bevorzugt, wenn der Sensorchip am Übergang zwischen der Messoberfläche und dem Chip- festland eine Grenzlinie aufweist, dass das mindestens eine Strömungsablösungselement der
Grenzlinie (bzw. dem am meisten stromaufwärts gelegenen Abschnitt dieser Grenzlinie) bezüglich der Hauptströmungsrichtung um maximal 500 μm, vorzugsweise um maximal 300 μm und besonders bevorzugt um maximal 200 μm vorgelagert ist. Dieser Maximalabstand zur (stromaufwärts gelegenen) Grenzlinie ergibt sich dadurch, dass sich, wie oben beschrieben, Verunreinigun- gen (insbesondere Öltröpfchen) bevorzugt an der mit einem starken Temperaturgradienten beaufschlagten Grenzlinie ansammeln. Wird das mindestens eine Strömungsablösungselement zu weit stromaufwärts von dieser Grenzlinie angeordnet, so bewirkt dies, dass die Strömung sich bei Erreichen der Verunreinigungen an der Grenzlinie bereits wieder an die Chipoberfläche angelegt hat. Somit wird diese Strömung im Bereich der Grenzlinie bereits wieder durch Verunreinigungen an der Grenzlinie beeinflusst, so dass das mindestens eine Strömungsablösungselement seine Wirkung verloren hat. Analog zum oben gesagten ist bei einer endlichen Ausdehnung des mindestens einen Strömungsablösungselements insbesondere der Begriff „maximal" so zu verstehen, dass hierunter ein Abstand zwischen der Grenzlinie und der genannten Oberkante und/oder ein Abstand zwischen der Grenzlinie und dem am weitesten von der Grenzlinie entfernten Teil des min- destens einen Strömungsablösungselements zu subsumieren ist.
Neben den bereits oben genannten Ausfuhrungsformen des mindestens einen Strömungsablösungselements kann das mindestens eine Strömungsablösungselement weiterhin dadurch realisiert werden, dass der Sensorchip in einen Chipträger vertieft eingelassen ist. Zu diesem Zweck wird der Sensorchip in einem Chipträger gehaltert, wobei der Chipträger eine vom Luftmassenstrom im Wesentlichen parallel überströmte Trägeroberfläche aufweist (Abweichungstoleranz wiederum ca. 10°). Dabei ist der Sensorchip mit einer Oberfläche bezüglich der Trägeroberfläche vertieft in den Chipträger eingelassen, wodurch sich am Übergang zwischen Chipträger und Sensorchip am anströmseitig (d.h. bezüglich der Hauptströmungsrichtung stromaufwärts gelegen) eine Stufe ausbildet. Die Stufe wirkt als Strömungsablösungselement und bildet einen Ablösebereich im Randbereich des Sensorchips aus. Vorzugsweise ist die Oberfläche des Sensorchips relativ zur Trägeroberfläche um mindestens 15 μm, insbesondere um mindestens 30 μm und besonders be- vorzugt um mindestens 40 μm vertieft. Diese Ausführungsform ist insbesondere (aber nicht ausschließlich) dann von Vorteil, wenn Schmutzablagerungen aufgrund von Thermogradientenkräf- ten auch wirklich in Randnähe des Sensorchips zu erwarten sind und nicht weiter im Inneren der Oberfläche des Sensorchips. Insbesondere ist dies dann der Fall, wenn die Messoberfläche z. B. durch Porösifizierung großflächig hergestellt wird (im Gegensatz zu einer Membran, welche i. d. R. nicht großflächig erzeugt wird) und sich bis in die Nähe des Randbereichs der Chipoberfläche ausdehnt.
Zeichnung
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläutert. Es zeigt:
Figur 1 eine beispielhafte Aufteilung eines Sensorchips eines Heißfilmluftmassen- messers in eine Messoberfläche und ein Chipfestland; Figur 2A eine schematische Darstellung der Beeinflussung eines Luftmassenstroms über einer Oberfläche durch eine auf der Oberfläche aufgebrachte Verunreinigung;
Figur 2B die Anordnung gemäß Figur 2A mit einem vor der Verunreinigung aufgebrachten Strömungsablösungselement; Figuren 3A bis 3D verschiedene Ausführungsbeispiele der Ausgestaltung eines Strömungsablö- sungselements; und
Figur 4 eine Ausgestaltung eines Strömungsablösungselements in Form eines vertieft in einen Chipträger eingebrachten Sensorchips.
Ausführungsbeispiele
In Figur 1 ist eine (bis auf ein erfindungsgemäßes Strömungsablösungselement, siehe unten) dem Stand der Technik entsprechende Ausgestaltung eines Sensorchips 110 (nur andeutungsweise dargestellt) eines Heißfilmluftmassenmessers abgebildet. Der Sensorchip 110 kann beispielsweise im Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine oder in einem Bypass-Kanal zum Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine eingesetzt werden. Derartige Vorrichtungen sind beispielsweise aus DE 196 01 791 Al bekannt. Der Sensorchip gemäß der Ausgestaltung in Figur 1 weist ein Chip-Festland mit einer Festlandsoberfläche 112 in der Zeichenebene (nur ansatzweise dargestellt) auf. In diesem Ausführungsbeispiel sei angenommen, dass sich bei dem Sensorchip 110 um einen Silizium-Sensorchip handelt. Weiterhin weist der Sensorchip 110 einen Messbereich mit einer Messoberfläche 114 in der Zeichenebene auf. Die Messoberfläche 114 ist in diesem Ausfüh- rungsbeispiel in Form eines Rechtecks 116 ausgestaltet, welches längere Seiten LM 118, 120 senkrecht zu einer Hauptströmungsrichtung 122 eines Luftmassenstroms aufweist. Die längere Seite 118 stellt also den am weitesten stromaufwärts gelegenen Teil des Rechtecks 116 und somit der Grenzlinie der Messoberfläche 114 dar. Die kürzeren Seiten 1M des Rechtecks 116 sind mit den Bezugsziffern 124, 126 bezeichnet und sind parallel zur Hauptströmungsrichtung 122 ange- ordnet. Der Sensorchip 110 weist im Bereich der Messoberfläche 114 eine thermische Leitfähigkeit auf, welche bei ca. 0,1 bis 2 W/m K liegt, im Vergleich zum umgebenden Festland mit 126 W/m K. Dies kann durch eine Porosifizierung des Siliziums im Bereich der Messoberfläche 114 erreicht werden. Alternativ kann eine Sensormembran mit einer lateral im Wesentlichen durch die umgebende Luft bestimmten Wärmeleitfähigkeit von 0,026 W/m K eingesetzt werden.
Im Bereich der Messoberfläche 114 sind Leiterbahnen 128 einer zentralen Heißfilmluftmassen- messerschaltung angeordnet. Diese Leiterbahnen 128 setzen sich aus einem zentralen Heizelement 130 und zwei Temperaturfühlern 132, 134 zusammen. Dabei ist ein Temperaturfühler 132 stromaufwärts zum zentralen Heizelement 130 angeordnet und ein Temperaturfühler 134 strom- abwärts. Die Leiterbahnen 128 begrenzen in Ihren äußeren Abmessungen auf der Messoberfläche 114 einen Sensorbereich 136. Dieser Sensorbereich 136 ist in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls in Form eines Rechtecks 138 ausgestaltet, welches die längeren Seiten 140, 142 und kürzere Seiten 144, 146 aufweist. Die anschlussseitige kürzere Seite 144 des Rechtecks liegt dabei auf der anschlussseitigen kürzeren Seite 124 des Rechtecks 116 der Messoberfläche. Die Seitenlän- gen des Rechtecks 138 des Sensorbereichs 136 sind in Figur 1 mit L8 und ls bezeichnet. In dem im Stand der Technik entsprechenden Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 erstrecken sich die Leiterbahnen 128 der zentralen HFM-Schaltung bis nahezu an das äußere Rechteck 116 der Messoberfläche 114 heran. Typischerweise haben die längeren Seiten 118, 120 des Rechtecks 116 eine Länge LM von ca. 1.600 μm und die kürzeren Seiten 124, 126 des Rechtecks 116 eine Länge von 1M = 450 bis 500 μm. Das Rechteck 138 des Sensorbereichs 136 ist dabei nur unwesentlich kleiner dimensioniert, wobei beispielsweise L8 ungefähr 0,9 bis 0,95 x LM ist und ls ungefähr 0,7 x 1M ist. Weiterhin ist in Figur 1 auch die Problematik der Ansammlung von Öltröpfchen 148 entlang des Rechtecks 116 der Messoberfläche 114 dargestellt. Diese Öltröpfchen 148 sind somit in unmittelbarer Nachbarschaft der Leiterbahnen 128 angeordnet. Eine leichte äußere Krafteinwirkung, bei- spielsweise durch den Luftmassenstrom, bewirkt, dass Öltröpfchen 148 auf die Leiterbahnen 128 getrieben werden. Weiterhin bewirkt die Ansammlung von Öltröpfchen 148 auch eine Veränderung der thermischen Leitfähigkeit des Sensorchips 110 im Bereich des Randes des Rechtecks 116 der Messoberfläche 114. Insbesondere kann durch die Öltröpfchen 148 die Leitfähigkeit am Übergang zwischen Messoberfläche 114 und Festlandsoberfläche 112 erhöht werden. Dies hat einen signifikanten Einfluss auf die Temperaturverteilung auf der Messoberfläche 114. Zudem bilden die Öltröpfchen 148 häufig einen Haftvermittler für Staub und Ruß. Weiterhin bildet sich in vielen Fällen ein „Ölwall" mit einer Höhe von ca. 15 bis 30 μm im Bereich des Randes des Rechtecks 116 der Messoberfläche aus, was zu Luftverwirbelungen in diesem Bereich führt, die sich erst nach einer gewissen Laufstrecke wieder beruhigen. Dieser Effekt ist in Figur 2A im De- tail dargestellt. Die Figur 2A zeigt den Einfluss von Schmutzablagerungen im Anströmbereich eines Heißfilmluftmassenmessers auf das Geschwindigkeitsprofil des Luftmassenmessers über dem Sensorchip 110 des Heißfilmluftmassenmessers.
Bei der Darstellung in Figur 2A ist vereinfachend angenommen, dass sich die Öltröpfchen 148 (siehe Figur 1) auf der anströmseitigen längeren Seite 140 des Rechtecks 138 nunmehr zu einem „Verschmutzungswall" 210 aufgestaut haben. Neben Öltröpfchen 148 können auch weitere Verunreinigungen zu diesem Verschmutzungswall 210 beitragen, beispielsweise Staub oder andere Flugpartikel.
Weiterhin sind in Figur 2A Strömungslinien 212 eines Luftmassenstroms dargestellt, welcher mit der Hauptströmungsrichtung 122 parallel über eine Oberfläche 214 des Sensorchips 110 strömt. Zusätzlich zu den Strömungslinien sind für eine Auswahl von Orten auf der Oberfläche 214 Strömungsprofile 216 dargestellt, welche das Geschwindigkeitsprofil des Luftmassenstroms über der Oberfläche 214 symbolisieren.
Wie aus der Darstellung gemäß Figur 2A hervorgeht, bildet sich hinter (d.h. bezüglich der Hauptströmungsrichtung 122 stromabwärts) des Verschmutzungswalls 210 ein verschmutzungsbeding- ter Ablösebereich 218 aus. Die Grenze dieses verschmutzungsbedingten Ablösebereichs 218 ist symbolisch durch die gestrichelte Linie 220 dargestellt. Während außerhalb des verschmutzungsbedingten Ablösebereichs 218 in dem Beispiel gemäß Figur 2 A eine im Wesentlichen laminare Strömung über der Oberfläche 214 herrscht, wird diese Strömung im verschmutzungsbedingten Ablösebereich 218 abgelöst, wodurch sich in diesem Ablösebereich 218 Luftverwirbelungen 222 ausbilden. Da sich, wie in Figur 1 dargestellt, die Öltröpfchen 148 und somit der Verschmutzungswall 210 aufgrund des oben beschriebenen Temperaturgradienten überwiegend entlang der Seite 118 des Rechtecks 116 der Messoberfläche 114 ausbilden, reicht der verschmutzungsbedingte Ablösebereich 218 auf die Messoberfläche 114 und bis in den Bereich der Leiterbahnen 128. Typischerweise hat bei Luftströmungen von ca. 60 m/s der verschmutzungsbedingte Ablösebereich 210 eine Ausdehnung parallel zur Hauptströmungsrichtung 122 von ca. 200 bis 300 μm. Da die längere Seite 118 des Rechtecks 116 in Figur 1 lediglich um eine Distanz Δ von ca. 68 bis 150 μm von der längeren Seite 140 des Rechtecks 138 beabstandet ist, beeinflusst somit der verschmutzungsbedingte Ablösebereich 218 das Strömungsverhalten oberhalb der Leiterbah- nen 128. Da die Höhe des Verschmutzungswalls 210, wie oben beschrieben, zeitlich nicht konstant ist, ist somit auch das Geschwindigkeitsprofil 216 über dem Sensorbereich 136 zeitlich nicht konstant, was zu einer Drift und zeitlichen Instabilitäten des Messsignals des Heißfilmluftmas- senmessers führt. In Figur 2B ist hingegen ein Beispiel dargestellt, bei welchem, in Abwandlung zur Figur 2 A, dem Verschmutzungswall 210 ein erfindungsgemäßes Strömungsablösungselement 224 vorgelagert ist. Dieses Strömungsablösungselement 224 hat in der Darstellung gemäß Figur 2B die Form einer Wand mit rechteckigem Querschnitt und einer Oberkante 226, welche in diesem Ausführungsbeispiel um eine Höhe H (Bezugsziffer 228) von ca. 30 μm oberhalb der Oberfläche 214 des Sensorchips 110 liegt. Somit hat das Strömungsablösungselement 224 in diesem Ausführungsbeispiel etwa die doppelte Höhe des Verschmutzungswalls 210 (ca. 15 μm, siehe oben).
Wie in Figur 2B dargestellt, bildet sich, analog zur Beschreibung der Figur 2A, nunmehr auch hinter dem Strömungsablösungselement 224 ein Ablösebereich 230 mit einer Grenze 232 des Ablösebereichs 230 aus, welcher den verschmutzungsbedingten Ablösebereich 218 praktisch vollständig einschließt. Im Gegensatz zur Darstellung gemäß Figur 2A und dem verschmutzungsbedingten Ablösebereich 218 ist jedoch der Ablösebereich 230 des Strömungsablösungselements 224 nicht von der Höhe des Verschmutzungswalls 210 abhängig und somit zeitlich konstant. Somit kann dieser Ablösungsbereich 230, obwohl dieser ebenfalls eine Erstreckung bis hin zu den Leiterbahnen 128 aufweist, bei einer Kalibrierung des Heißfϊlmluftmassenmessers mit berücksichtigt werden. Die Effekte des verschmutzungsbedingten Ablösebereichs 218 machen sich nicht oder nur unwesentlich zusätzlich bemerkbar, so dass die Kalibrierung des Heißfilmluftmassen- messers unabhängig ist von der Höhe des Verschmutzungswalls 210. Ein zusätzlicher Effekt des Strömungsablösungselements 224 besteht darin, dass verhindert wird, dass der Verschmutzungswall 210 durch den Luftmassenstrom auf den Sensorbereich 136 des Sensorchips 110 getrieben wird.
In Figur 1 ist die Lage des (nicht dem Stand der Technik entsprechenden!) Strömungsablösungselements 224 symbolisch durch die gestrichelte Linie 150 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass sich in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel das Strömungsablösungselement 224 im Wesentlichen parallel zu den Leiterbahnschleifen 128, also im Wesentlichen senkrecht zur Hauptströmungsrichtung 122 des Luftmassenstroms, erstreckt. Der Abstand zwischen der längeren Seite 118 des Rechtecks 116 und dem Strömungsablösungselement 224 ist in der Darstellung gemäß Figur 1 symbolische mit d bezeichnet und beträgt in diesem Ausführungsbeispiel ca. 200 μm.
In den Figuren 3A bis 3D sind verschiedene Ausführungsbeispiele zur Realisierung des Strömungsablösungselements 224 dargestellt, welche alternativ zu der in Figur 2B eingesetzten „Wand" verwendet werden können. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass auch andere Ausführungsformen des Strömungsablösungselements 224 möglich sind. Dabei weist der Heißfϊlmluft- massenmesser in den Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren 3A bis 3D jeweils einen Chipträger 310 auf, welcher über eine Anströmkante 312 vom Luftmassenstrom (symbolisch dargestellt durch die Strömungsrichtung 122) angeströmt bzw. überströmt wird. Der Chipträger 310 ist beispielsweise als Spritzguss-Kunststoffteil ausgestaltet. In den Chipträger 310 ist der Sensorchip 110 gemäß der obigen Beschreibung eingelassen, wobei die Oberfläche 214 des Sensorchips 110 im Wesentlichen bündig ist mit der Trägeroberfläche 314 des Chipträgers 310. Die Ausgestaltung der Messoberfläche 114 des Sensorchips 110 entspricht beispielsweise der Ausgestaltung in Figur 1.
Die Ausführungsbeispiele der Heißfilmluftmassenmesser gemäß den Figuren 3A bis 3D unterscheiden sich in der Ausgestaltung des Strömungsablösungselements 224. So ist in der bevorzug- ten Ausgestaltung gemäß Figur 3A das Strömungsablösungselement 224 als langer Draht ausgestaltet, welcher sich parallel zur Anströmkante 312 erstreckt. Dieses Ausfuhrungsbeispiel ist bevorzugt, da sich diese Form des Strömungsablösungselements 224 technisch einfach realisieren lässt und somit zuverlässig und kostengünstig hergestellt werden kann. In Figur 3B ist das Strö- mungsablösungselement 224 in Form einer Kleberaupe ausgestaltet, welche beispielsweise durch Aufbringen eines selbsthärtenden, eines UV-härtenden oder eines temperaturhärtenden Klebstoffes erzeugt werden kann. Auch dieser Ausgestaltung ist technisch vergleichsweise einfach und kostengünstig realisierbar.
In der Ausgestaltung gemäß Figur 3C ist anströmseitig vor dem Sensorchip 110 ein Plättchen auf den Chipträger 310 aufgebracht, welches als Ganzes als Strömungsablösungselement 224 fungiert. In der Ausgestaltung gemäß Figur 3D hingegen ist das Strömungsablösungselement 224 als Überhang ausgebildet, welcher um ca. 100 μm über den Sensorchip 110 ragt. Dieser Überhang kann beispielsweise als integraler Bestandteil des Chipträgers 310 ausgebildet sein und zum Bei- spiel bereits beim Fertigen (zum Beispiel Spritzgießen) des Chipträgers 310 angeformt werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Überhang auch als separates Bauelement auf den Chipträger 310 aufgebracht werden.
In Figur 4 ist schließlich ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Heißfϊlmluftmassenmessers dar- gestellt, bei welchem der Sensorchip 110 vertieft in den Chipträger 310 eingebracht ist. Der Sensorchip 110 ist wiederum analog zur Darstellung in Figur 1 ausgestaltet und weist eine Chipoberfläche 214 mit einer Messoberfläche 114 und einer Festlandsoberfläche 112 auf. Das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 ist, wie oben beschrieben, insbesondere vorteilhaft für Sensorchips 110, bei denen die Messoberfläche 114 nahe (d. h. z. B. < 400 μm) an den Rand der Chipoberflä- che 214 heranreicht, also beispielsweise bei durch Porösifizierung hergestellten Messoberflächen 114. Die Oberfläche 114 des Sensorchips 110 ist gegenüber der Trägeroberfläche 314 in diesem Ausführungsbeispiel um ca. 60 μm vertieft, so dass die Kante 410 das Strömungsablösungselement 224 bildet und der Oberkante 226 in der Darstellung gemäß Figur 2B entspricht. Somit bildet sich hinter der Kante 410, analog zur Figur 2B, ein Ablösebereich 230 aus. Dieser Ablöse- bereich 230 umfasst den Verschmutzungswall 210 und einen gegebenenfalls vorhandenen verschmutzungsbedingten Ablösebereich 218 des Verschmutzungswalls 210. Somit hat das Strömungsablösungselement 224 in diesem Ausführungsbeispiel die gleiche Wirkung wie in den oben beschriebenen Fällen. Der Sensorchip 110 ist in diesem Beispiel über eine Verbindungsschicht 412 (beispielsweise einen Klebstoff) mit dem Chipträger 310 verbunden und fest in diesen eingelassen. Durch Veränderung der Dicke der Verbindungsschicht 412 kann die Stärke der Vertiefung der Oberfläche 214 des Sensorchips 110 gegenüber der Trägeroberfläche 314, und somit die Größe des Ablösebereichs 230, eingestellt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Heißfilmluftmassenmesser zur Messung eines mit einer Hauptströmungsrichtung (122) strömenden Luftmassenstroms, insbesondere zum Einsatz im Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Heißfilmluftmassenmesser einen Sensorchip (110) mit einer Messoberfläche (114) aufweist, wobei der Luftmassenstrom im Wesentlichen parallel über eine Oberfläche (214) des Sensorchips (110) strömt, gekennzeichnet durch mindestens ein der Messoberfläche (114) bezüglich der Hauptströmungsrichtung (122) vorgelagertes Strö- mungsablösungselement (224), wobei das mindestens eine Strömungsablösungselement (224) ausgestaltet ist, um den Luftmassenstrom vor Erreichen der Messoberfläche (114) in mindestens einem Ablösebereich (230) von der Oberfläche (214) des Sensorchips (110) ab- zulösen.
2. Heißfilmluftmassenmesser gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Strömungsablösungselement (224) mindestens eine Erhebung aufweist, wobei die mindestens eine Erhebung mindestens eine senkrecht zur Hauptströmungs- richtung (122) von der Oberfläche (214) des Sensorchips (110) beabstandete Oberkante
(226; 410) aufweist.
3. Heißfilmluftmassenmesser gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberkante (226; 410) der Erhebung um eine Höhe H von mindestens 15 μm senk- recht zur Hauptströmungsrichtung (122) von der Oberfläche (214) des Sensorchips (110) beabstandet ist, vorzugsweise um mindestens 30 μm und besonders bevorzugt um mindestens 40 μm.
4. Heißfilmluftmassenmesser gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass das mindestens eine Strömungsablösungselement (224) mindestens eines der folgenden Elemente aufweist: einen Strömungswall; einen Draht; eine Hilfsplatte; eine Stufe; einen Überhang.
5. Heißfilmluftmassenmesser gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das mindestens eine Strömungsablösungselement (224) im Wesentlichen parallel zur Oberfläche (214) des Sensorchips (110) und/oder im Wesentlichen senkrecht zur Hauptströmungsrichtung (122) erstreckt.
6. Heißfilmluftmassenmesser gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messoberfläche (114) mindestens eine Leiterbahn (128) aufweist, wobei das mindestens eine Strömungsablösungselement (224) der mindestens einen Leiterbahn (128) bezüglich der Hauptströmungsrichtung (122) um mindestens 30 μm, vorzugsweise um mindestens 50 μm und besonders bevorzugt um mindestens 60 μm vorgelagert ist.
7. Heißfilmluftmassenmesser gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorchip (110) weiterhin ein die Messoberfläche (114) umgebende Fest- landsoberfläche (112) aufweist, wobei ein Übergang zwischen der Messoberfläche (114) und der Festlandsoberfläche (112) Chipfestland eine Grenzlinie (118) definiert, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Strömungsablösungselement (224) der Grenzlinie (118) bezüglich der Hauptströmungsrichtung (122) um maximal 5Öμm, vorzugsweise um maximal 300 μm und besonders bevorzugt um maximal 200 μm vorgelagert ist.
8. Heißfilmluftmassenmesser gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, zusätzlich aufweisend einen Chipträger (310), wobei der Sensorchip (110) in dem Chipträger (310) gehaltert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Chipträger (310) eine vom Luftmassenstrom im Wesentlichen parallel überströmte Trägeroberfläche (314) aufweist, wobei der Sensorchip (110) mit seiner Oberfläche (214) bezüglich der Trägeroberfläche (314) vertieft in den Chipträger
(310) eingelassen ist, wobei am Übergang zwischen Chipträger (310) und Sensorchip (110) anströmseitig eine Kante (410) ausgebildet ist.
9. Heißfilmluftmassenmesser gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Sensorchips (110) relativ zur Trägeroberfläche (314) um mindestens
15 μm, vorzugsweise um mindestens 30 μm und besonders bevorzugt um mindestens 40 μm, vertieft ist.
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