EP2912413A1 - Luftmassenmesser - Google Patents

Luftmassenmesser

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Publication number
EP2912413A1
EP2912413A1 EP13770666.9A EP13770666A EP2912413A1 EP 2912413 A1 EP2912413 A1 EP 2912413A1 EP 13770666 A EP13770666 A EP 13770666A EP 2912413 A1 EP2912413 A1 EP 2912413A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor element
temperature sensor
air mass
temperature
width
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13770666.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thorsten Knittel
Stephen Setescak
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.)
Aumovio Germany GmbH
Original Assignee
Continental Automotive Technologies 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 Continental Automotive Technologies GmbH filed Critical Continental Automotive Technologies GmbH
Publication of EP2912413A1 publication Critical patent/EP2912413A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G01F1/684—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
    • G01F1/6845—Micromachined devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G01F1/684—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
    • G01F1/688—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow using a particular type of heating, cooling or sensing element
    • G01F1/6888—Thermoelectric elements, e.g. thermocouples, thermopiles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/18—Circuit arrangements for generating control signals by measuring intake air 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 an air mass meter with a trained in micro-electro-mechanical design sensor element.
  • Air mass meters are used, for example, in motor vehicles for determining the intake of an internal combustion engine air mass.
  • On the basis of the most reliable possible information on an intake air mass combustion by an electronic control of the internal combustion engine can be then optimized ⁇ a way that an exactly to the air mass coordinated quantity of fuel to the respective combustion chambers supplied ⁇ leads is. As a result, thereby a better energy ⁇ utilization is achieved with reduced pollutant emissions.
  • an air mass meter which is inserted into an intake passage for determining an air mass, wherein a defined proportion of the total flow flows through the air mass sensor.
  • this is designed as a plug-in duct air mass meter.
  • the air mass meter comprises a sensor element arranged in a measuring channel, electronics arranged in a housing for evaluating and / or detecting the measured values of the sensor element, and an outlet channel beyond the sensor element.
  • the said channels or air guide paths U-, S- or C-shaped so that a total of compact, designed as a plug-in device is formed.
  • the object is achieved in that the first width of the first temperature sensor element is greater than the second width of the second temperature sensor element. This has the advantage that dirt hardly settle in the edge region of the less wide second temperature sensor element.
  • the second length of the second temperature sensor element is greater than the first length of the first temperature sensor element.
  • the first width of the first temperature sensor element is at least 10% greater than the second width of the second temperature sensor element and the second length of the second temperature sensor element is at least 10% greater than the first length of the first temperature ⁇ sensor element.
  • the first width of the first temperature sensor element is at least 30% greater than the second width of the second temperature sensor element and the second length of the second temperature sensor element is at least 30% greater than the first length of the first temperature ⁇ tursensoriatas.
  • the first width of the first temperature sensor element is at least 50% greater than the second width of the second temperature sensor element and the second length of the second temperature sensor element is min ⁇ least 50% greater than the first length of the first temperature ⁇ tursensoriatas.
  • the product of the first width and the first length of the first temperature sensor element is equal to the product of the second width and the second length of the second temperature sensor element. In this way, the most uniform possible signal strength of the first temperature sensor element and the second temperature sensor element can be achieved.
  • FIG. 1 shows an air mass meter, Figure 2 a as a microelectromechanical system (MEMS) from ⁇ formed sensor element,
  • MEMS microelectromechanical system
  • Figure 3 is a as a microelectromechanical system (MEMS) from ⁇ formed sensor element which is arranged in an auxiliary tube of the air mass meter
  • 4 shows a situation in which the air mass flow flowing through the inlet port into the auxiliary tube of the mass air flow sensor
  • Figure 5 the as microelectromechanical system (MEMS) from ⁇ formed sensor element in an air-mass meter, which is integrated as an insertion finger in an intake pipe
  • Figure 6 the sensor element having the first temperature sensor element and the second temperature sensor element
  • FIG. 7 shows the sensor element of an air mass meter
  • FIG. 8 shows the sensor element known from the preceding figures
  • FIG. 1 shows a mass flow sensor which is designed here as an air mass meter 2.
  • the air mass meter 2 is shown in this example as Einsteckfinger which is inserted into an intake pipe 1 and fixedly connected to the intake pipe 1.
  • the intake pipe 1 carries a mass flow, which here is an air mass flow 10, towards the cylinders of an internal combustion engine.
  • a mass flow which here is an air mass flow 10
  • the air mass meter 2 in Figure 1 shows a first temperature sensor element 7 and a second temperature sensor ⁇ element 8.
  • the first temperature sensor element 7 and the second Temperature sensor element 8 are arranged at different locations ⁇ .
  • the temperature sensor elements 7, 8 are formed from resistors or thermopiles which assume different resistance values in accordance with the temperature prevailing at the respective temperature sensor element.
  • a heating element 12 is formed between the first temperature sensor element 7 and the second temperature sensor element 8, a heating element 12 is formed.
  • the part of the air ⁇ mass flow 10 which enters through the inlet opening 4 in the housing 3 of the air flow sensor 2, first flows over the first temperature sensor element 7, and then the heater 12, after which the air mass flow 10 reaches the second temperature sensor element 8 and along the auxiliary pipe 5 to the outlet opening 6 of the air-mass meter ⁇ 2 is passed.
  • the air mass flow 10 reaches the first temperature sensor element 7 at a certain temperature.
  • This temperature is detected by the first temperature sensor element 7 as the absolute temperature. Thereafter, the air mass flow 10 passes over the heating element 12, wherein the air ⁇ mass flow 10 is heated more or less depending on the passing mass. When the heated air mass flow 10 reaches the second temperature sensor element 8, which is now located in front ⁇ temperature of the air mass flow 10 is determined by the second temperature sensor element 8 as an absolute temperature. From the difference of ge from the first temperature sensor element 7 ⁇ absolute measured temperature and the measured temperature from the second sensor element 8 absolute temperature by the flowed air mass can be determined. For this purpose, the air mass meter ⁇ 2 itself may include a transmitter 13, which evaluates the measuring signals of the first temperature sensor element 7 and the second temperature sensor element. 8 The information thus obtained about the air mass flow 10 is forwarded to an engine control, not shown here.
  • FIG. 2 shows a sensor element 15 for an air mass meter 1.
  • the sensor element 15 is embodied as a microelectromechanical system (MEMS) on a single silicon chip.
  • MEMS microelectromechanical system
  • the sensor element 15 operates on the differential temperature method, whereby the mass of the passing air quantity 10 is determined.
  • a first temperature ⁇ tursensorelement 7 and a second temperature sensor element 8 formed on a thin membrane 17th
  • the first and the second temperature sensor element 7, 8 are located at different locations on the surface 16 of the membrane 17.
  • a heating element 12 is arranged between the first temperature sensor element 7 and the second temperature sensor element 8, a heating element 12 is arranged.
  • a transmitter 13 is integrated, which evaluate the measurement signals of the temperature sensor elements 7, 8 immediately and can convert a signal that is proportional to the air mass flow 10.
  • the transmitter 13 may just as well be integrated in a downstream electronic device. The information about the air mass flow 10 are then forwarded via connection pads 19 and connecting wires 18 to a subsequent electronic engine control, not shown here.
  • FIG. 3 a as a microelectromechanical system (MEMS) is formed sensor element 15 shown for an air mass flow sensor 2 which is formed on a single substrate, wherein the substrate is ⁇ arranged in an auxiliary tube 5 of the air flow sensor 2 at.
  • MEMS microelectromechanical system
  • FIG. 4 shows a situation in which an air mass flow 10 flows through the inlet opening 4 into the auxiliary pipe 5 of the air mass meter 2.
  • the temperature distribution 20 around the heating element 12 is now clearly displaced in the direction of the second temperature sensor element 8.
  • the second temperature sensor element 8 measures a significantly higher temperature than the first temperature sensing element 7.
  • the air mass flow can be determined 10th
  • the effects of contamination on the sensor element would still be effective and they would superimpose the measurement ⁇ results.
  • the sum of the temperatures also reacts to the mass flow 10.
  • the sum of the temperatures also reacts to the thermal properties of the air mass, such as the heat capacity and / or the thermal conductivity of the passing air mass flow 10. Increases, for example, at the same air mass flow 10 the thermal conductivity of the air mass, the system cools down and the sum of the temperatures is significantly lower.
  • the differential temperature of the first temperature sensor element 7 and the second temperature sensor element 8 remains unchanged in a first approximation.
  • a change of the thermal properties such as the heat capacity or the thermal conductivity of the air mass can be measured by the sum signal of the first temperature sensor element 7 and the second temperature ⁇ tursensoriatas. 8 If one now calculates the differential temperature signal with the sum temperature signal, one can count on the changed thermal conductivity signal. ability and / or the changed heat capacity of the past ⁇ flowing air mass are closed.
  • FIG. 5 shows the sensor element 15 of the air mass meter, which is designed as a microelectromechanical system (MEMS), in an air mass meter 2, which is integrated as an insertion finger in an intake pipe 1.
  • MEMS microelectromechanical system
  • the air mass flow 10 reaches the inlet opening 4 and enters the auxiliary tube 5.
  • the first temperature sensor element 7 and the second temperature sensor element 8 can be seen.
  • the heating element 12 is arranged.
  • the air mass flow 10 initially reaches the first temperature sensor element 7, then flows over the heating element 12, in order then to reach the second temperature sensor element 8.
  • the air mass flow 10 also contains contaminants 9.
  • contaminants 9 With the air mass flow 10, for example, water droplets 26, oil droplets 11 and / or dust particles 14 are transported to the air mass meter 2.
  • the contaminants 9 pass through the inlet opening 4 of the air mass meter 2 to the sensor element 15. If the contaminants 9 deposit in the region of the first temperature sensor element 7 and the second temperature sensor element 8, a massive falsification of the measured value for the air mass flow 10 can occur over time , Since this adulteration continues to build up over a long period of time due to the accumulation of soiling on the sensor element 15, this is also referred to as a single drift of the air mass meter 2. This signal drift is undesirable and should be suppressed and / or compensated.
  • Figure 6 shows the sensor element 15 with the first temperature ⁇ sensor element 7 and the second temperature sensor element 8 and the disposed between the temperature sensing elements 7 and 8 the heating element 12.
  • the direction of the air mass ⁇ stream 10 is shown. This is in the flow Direction of the air mass flow 10, the first temperature ⁇ sensor element 7 in front of the heating element 12 and the second Tem ⁇ temperature sensor element 8 behind the heating element 12.
  • Both the first temperature sensor element 7 and the second temperature ture sensorelement 8 set in this example as electrical series circuits of a measuring resistor 22 and at least two comparison resistors 21 together. It can be seen that the measuring resistors 22 are arranged in the inner region of the thin membrane, and the comparison resistors 21 are arranged in the edge region of the membrane 17.
  • FIG. 6 shows that contaminants 9, and in this case primarily oil droplets 11, are transported to the mass flow 10 to the sensor element 15.
  • the oil droplets 11 deposit on the sensor element 15.
  • the deposition of the oil droplets 11 on the sensor element 15 is particularly strong in the region of the second sensor element 8, which is downstream of the heating element 12 in the flow direction of the air mass flow 10.
  • This asymmetrical deposition of oil droplets 11 on the sensor element 15 leads to a signal drift, which ultimately leads to Ver ⁇ falsification of the detected by the sensor element 15 absolute temperature and thus to the falsification of the measured value for the air mass flow 10.
  • the deposition of the contaminants preferably takes place in the edge region of the membrane 17.
  • the asymmetrical deposition of the oil droplets 11 has physical reasons that originate in particular in the higher temperature in the region of the second sensor element 8 and in the temperature gradient in the edge region of the membrane 17.
  • Figure 7 shows the sensor element 15 of a mass air flow sensor 2.
  • the first temperature sensing element 7 and the second temperature sensor element ⁇ 8 of this sensor element 15 are formed as a thermopile 23.
  • Thermopiles 23, also referred to as thermocouples 23, convert heat into electrical energy.
  • Thermocouples 23 are made of two different metals, which are connected together at one end. A tempera turdifferenz generated due to the heat flow in the metal, an electrical voltage.
  • thermocouple 23 is formed. In measurement systems based on the Seebeck effect, a large number of individual thermoelements 23 are usually connected in series.
  • thermoelectric voltage When selecting material pairs for measurement purposes, the highest possible generated thermoelectric voltage should be achieved, together with a high linearity between the temperature change and the voltage change.
  • the thermopile 23 shown in Figure 7 consist of a sequence of a respective first metal 24, which is connected at a junction 28 with a second metal 25.
  • deposited 11 in the region of the second temperature sensor element 8, which is built from thermocouples 23 to ⁇ contamination 9 principally in the form of droplets of oil.
  • Figure 8 shows the known sensor of the preceding Figures element 15.
  • the sensor element 15 is designed in microelectronic mechanical design and has a first Tempe ⁇ ratursensorelement 7 and a second temperature sensor element 8. Between the first temperature sensor element 7 and the second temperature sensor element 8, the heating element 12 is arranged.
  • the first temperature sensor element 7, the second Temperature sensor element 8 and the heating element 12 are formed on a thin membrane 17.
  • the first temperature element 7 has a first width BT 1 and a first length LT 1.
  • the second temperature sensor element 8 has a second width BT2 and a second length LT2.
  • the first length LT 1 of the first temperature sensor element 7 within the manufacturing tolerances equal to the second length LT2 of the second temperature sensor element 8.
  • the first width BT 1 of the first temperature sensor element 7 is equal to the second widths BT2 of the second temperature sensor element 8.
  • the first temperature sensor element 7 and the second temperature sensor element 8 can be configured as measuring resistors 22 or thermo-piles 23.
  • the arrangement of the first temperature sensor element 7 and the second temperature sensor element 8 on the thin membrane 17 is axially symmetrical, wherein the heating element 12 forms the Sym ⁇ metric axis for the two temperature sensor elements 7, 8.
  • FIG. 9 shows an asymmetrical design of the first temperature sensor element 7 and of the second temperature sensor element 8 with respect to the symmetry axis formed by the heating element 12.
  • the temperature sensor element 15 shown in FIG. 9 largely corresponds to the temperature sensor element 15 shown in FIG. 8, wherein, however, the first width BT 1 of the first temperature sensor element 7 is substantially larger than the second width BT 2 of the second temperature sensor element 8.
  • the first length LT 1 of the first temperature sensor element 7 is substantially smaller than the second length LT 2 of the second temperature sensor element 8.
  • the pollution-induced signal drift of the air mass meter 2 can be effectively suppressed, so that the measurement results of the air mass meter 2 are very stable over a long time available.
  • the suppression of the signal drift in the asymmetrically formed sensor element is therefore successful because of thermodynamic reasons dirt 9 and in particular oil droplets 11 can not accumulate in the edge region of the second temperature sensor element 8.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Luftmassenmesser mit einem in mikroelektromechanischer Bauweise ausgebildetem Sensorelement, das ein Heizelement aufweist, wobei auf dem Sensorelement ein erstes Temperatursensorelement stromaufwärts bezogen auf das Heizelement angeordnet ist und ein zweites Temperatursensorelement stromabwärts bezogen auf das Heizelement angeordnet ist, wobei der erste Temperatursensorelement eine erste Breite (BT1) und eine erste Länge (LT1) aufweist und der zweite Temperatursensorelement eine zweite Breite (BT2) und eine zweite Länge (LT2) aufweist. Um die Verfälschung der Messergebnisse durch die Verschmutzung des Sensorelementes zu beseitigen oder zumindest in engen Grenzen zu halten, ist die erste Breite (BT1) des ersten Temperatursensorelementes größer als die zweite Breite (BT2) des zweiten Temperatursensorelementes.

Description

Beschreibung
Luftmassenmesser
Die Erfindung betrifft einen Luftmassenmesser mit einem in mikroelektromechanischer Bauweise ausgebildetem Sensorelement.
Luftmassenmesser werden beispielsweise in Kraftfahrzeugen zur Ermittlung der von einer Brennkraftmaschine angesaugten Luftmasse verwendet. Auf der Basis einer möglichst zuverlässigen Information über eine angesaugte Luftmasse kann eine Verbrennung durch eine elektronische Steuerung der Brennkraftmaschine dahin¬ gehend optimiert werden, dass eine genau auf die Luftmasse abgestimmte KraftStoffmenge den jeweiligen Brennräumen zuge¬ führt wird. Im Ergebnis wird dadurch eine bessere Energie¬ ausnutzung bei verringertem Schadstoffausstoß erzielt.
Aus der DE 44 07 209 AI ist ein Luftmassenmesser bekannt, der in einen Ansaugkanal zur Bestimmung einer Luftmasse eingesteckt wird, wobei ein definierter Anteil der GesamtStrömung den Luftmassensensor durchströmt. Hierzu ist dieser als Einsteck- kanal-Luftmassenmesser ausgebildet. Der Luftmassenmesser um- fasst ein in einem Messkanal angeordnetes Sensorelement, eine in einem Gehäuse angeordnete Elektronik zur Auswertung und/oder Erfassung der Messwerte des Sensorelementes, sowie einen Auslasskanal jenseits des Sensorelements. Für eine platzsparende Anordnung werden die genannten Kanäle bzw. Luftführungswege U-, S- oder C-förmig ausgebildet, so dass eine insgesamt kompakte, als Einsteckelement ausgebildete, Vorrichtung gebildet wird.
Ein gemäß der Lehre der WO 03/089884 AI ausgebildeter Luftmassenmesser, der als Heißfilmanemometer ausgebildet ist, hat sich prinzipiell bewährt.
Bei der Entwicklung moderner Luftmassenmesser, die auf der Grundlage von Sensorelementen arbeiten, die als mikroelek- tromechanische Systeme (MEMS) ausgebildet sind, hat sich herausgestellt, dass die Messergebnisse der Sensorelemente besonders von Verschmutzungen nachteilig beeinflusst werden. Durch Verschmutzungen, die zum Beispiel von Öltröpfchen im Luftmassenstrom hervorgerufen werden, entsteht im Sensorelement über die Zeit eine Signaldrift, die zu falschen Messwerten für den Luftmassenstrom führen kann. Als mikroelektromechanische Systeme ausgebildete Sensorelemente besitzen jedoch eine Vielzahl von Vorteilen, auf die nicht verzichtet werden soll, und daher ist es eine Aufgabe der Erfindung, die Verfälschung der Messergebnisse durch die Verschmutzung des Sensorelementes zu beseitigen oder zumindest in engen Grenzen zu halten.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die erste Breite des ersten Temperatursensorelements größer ist als die zweite Breite des zweiten Temperatursensorelementes. Diese hat den Vorteil, dass sich Verschmutzungen kaum im Randbereich des weniger Breiten zweiten Temperatursensorelements ablagern.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist die zweite Länge des zweiten Temperatursensorelementes größer als die erste Länge des ersten Temperatursensorelementes. Diese Weiterbildung ermög¬ licht die Anpassung der Flächen der Temperatursensorelemente aneinander, wodurch die Signalqualität des Luftmassenmessers entscheidend verbessert werden kann.
Hierzu ist es vorteilhaft, wenn die erste Breite des ersten Temperatursensorelementes mindestens 10 % größer ist als die zweite Breite des zweiten Temperatursensorelementes und die zweite Länge des zweiten Temperatursensorelementes mindestens 10 % größer ist als die erste Länge des ersten Temperatur¬ sensorelementes . In Rahmen einer Ausgestaltung der Erfindung ist erste Breite des ersten Temperatursensorelementes mindestens 30 % größer als die zweite Breite des zweiten Temperatursensorelementes und die zweite Länge des zweiten Temperatursensorelementes ist min- destens 30 % größer als die erste Länge des ersten Tempera¬ tursensorelementes .
Bei einer weiteren Ausgestaltung ist die erste Breite des ersten Temperatursensorelementes mindestens 50 % größer ist als die zweite Breite des zweiten Temperatursensorelementes und die zweite Länge des zweiten Temperatursensorelementes ist min¬ destens 50 % größer als die erste Länge des ersten Tempera¬ tursensorelementes . Bei einer Weiterbildung ist das Produkt aus der ersten Breite und der ersten Länge des ersten Temperatursensorelementes gleich dem Produkt aus der zweiten Breite und der zweiten Länge des zweiten Temperatursensorelementes. Hierdurch kann eine möglichst gleichmäßige Signalstärke des ersten Temperatursensorelementes und des zweiten Temperatursensorelementes erreicht werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend unter Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit Bezugnahme auf die Figuren in den Zeichnungen angegeben. Über die verschiedenen Figuren hinweg werden nachfolgend gleiche Begriffe und Be¬ zugszeichen für gleiche Bauelemente verwendet. Dabei zeigt:
Figur 1 einen Luftmassenmesser, Figur 2 ein als mikroelektromechanisches System (MEMS) aus¬ gebildetes Sensorelement,
Figur 3 ein als mikroelektromechanisches System (MEMS) aus¬ gebildetes Sensorelement, das in einem Hilfsrohr des Luftmassenmessers angeordnet ist, Figur 4 eine Situation, bei der der Luftmassenstrom durch die Einlassöffnung in das Hilfsrohr des Luftmassenmessers einströmt , Figur 5 das als mikroelektromechanisches System (MEMS) aus¬ gebildete Sensorelement in einem Luftmassenmesser, der als Einsteckfinger in einem Ansaugrohr integriert ist , Figur 6 das Sensorelement mit dem ersten Temperatursensorelement und dem zweiten Temperatursensorelement,
Figur 7 das Sensorelement eines Luftmassenmessers mit
Thermopiles ,
Figur 8 das aus den vorhergehenden Figuren bekannte Sensorelement ,
Figur 9 eine unsymmetrische Ausbildung des ersten Temperatur- sensorelementes und des zweiten Temperatursensorelementes .
Figur 1 zeigt einen Massenstromsensor der hier als Luftmassenmesser 2 ausgebildet ist. Der Luftmassenmesser 2 ist in diesem Beispiel als Einsteckfinger gezeigt, der in ein Ansaugrohr 1 eingesteckt wird und mit dem Ansaugrohr 1 fest verbunden ist . Das Ansaugrohr 1 führt einen Massenstrom, der hier ein Luftmassenstrom 10 ist, hin zu den Zylindern einer Brennkraftmaschine. Zur effizienten Verbrennung des Treibstoffes in den Zylindern einer Brennkraftmaschine ist es notwendig, eine genaue In¬ formation über die zur Verfügung stehende Luftmasse zu erhalten. Anhand der zur Verfügung stehenden Luftmasse kann auf den verfügbaren Sauerstoff geschlossen werden, der zur Verbrennung des in die Zylinder eingespritzten Kraftstoffes notwendig ist. Darüber hinaus zeigt der Luftmassenmesser 2 in Figur 1 ein erstes Temperatursensorelement 7 und ein zweites Temperatursensor¬ element 8. Das erste Temperatursensorelement 7 und das zweite Temperatursensorelement 8 sind an unterschiedlichen Orten an¬ geordnet. Die Temperatursensorelemente 7, 8 werden in der Regel aus Widerständen oder Thermopiles gebildet, die entsprechend der am jeweiligen Temperatursensorelement herrschenden Temperatur unterschiedliche Widerstandswerte annehmen . Zwischen dem ersten Temperatursensorelement 7 und dem zweiten Temperatursensorelement 8 ist ein Heizelement 12 ausgebildet. Der Teil des Luft¬ massenstromes 10, der durch die Einlassöffnung 4 in das Gehäuse 3 des Luftmassenmessers 2 eintritt, überströmt zunächst das erste Temperatursensorelement 7 und dann das Heizelement 12, wonach der Luftmassenstrom 10 das zweite Temperatursensorelement 8 erreicht und entlang des Hilfsrohres 5 zur Auslassöffnung 6 des Luft¬ massenmessers 2 geleitet wird. Der Luftmassenstrom 10 erreicht das erste Temperatursensorelement 7 mit einer bestimmten Temperatur. Diese Temperatur wird vom ersten Temperatursensorelement 7 als Absoluttemperatur erfasst. Danach überstreicht der Luftmassenstrom 10 das Heizelement 12, wobei der Luft¬ massenstrom 10 je nach vorbeiströmender Masse mehr oder weniger aufgeheizt wird. Wenn der aufgeheizte Luftmassenstrom 10 das zweite Temperatursensorelement 8 erreicht, wird die nun vor¬ liegende Temperatur des Luftmassenstroms 10 mit dem zweiten Temperatursensorelement 8 als Absoluttemperatur bestimmt. Aus der Differenz der vom ersten Temperatursensorelement 7 ge¬ messenen Absoluttemperatur und der vom zweiten Temperatur- sensorelement 8 gemessenen Absoluttemperatur kann die vorbeigeströmte Luftmasse bestimmt werden. Dazu kann der Luft¬ massenmesser 2 selber eine Auswerteelektronik 13 enthalten, die die Messsignale des ersten Temperatursensorelementes 7 und des zweiten Temperatursensorelementes 8 auswertet. Die so gewonnene Information über den Luftmassenstrom 10 wird an eine hier nicht dargestellte Motorsteuerung weitergeleitet.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Erfindung beispielhaft anhand eines Luftmassenmessers beschrieben wird, was jedoch keine Einschränkung der Erfindung auf die Messung von Luftmassenströmen bedeutet. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können auch andere Massenströme vorteilhaft erfasst und vermessen r
werden. Es ist zum Beispiel denkbar mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung den Massenstrom von KohlenwasserstoffVerbindung in einer Spülleitung eines Kohlenwasserstofftanks zu messen. Figur 2 zeigt ein Sensorelement 15 für einen Luftmassenmesser 1. Das Sensorelement 15 ist in als mikroelektromechanisches System (MEMS) auf einem einzigen Silizium-Chip ausgebildet. Das Sensorelement 15 arbeitet nach dem Differenztemperaturverfahren, womit die Masse der vorbeiströmenden Luftmenge 10 bestimmt wird. Hierzu sind auf einer dünnen Membran 17 ein erstes Tempera¬ tursensorelement 7 und ein zweites Temperatursensorelement 8 ausgebildet. Das erste und das zweite Temperatursensorelement 7, 8 befinden sich an unterschiedlichen Orten auf der Oberfläche 16 der Membran 17. Zwischen dem ersten Temperatursensorelement 7 und dem zweiten Temperatursensorelement 8 ist ein Heizelement 12 angeordnet. Auf dem als mikroelektromechanisches System auf¬ gebauten Sensorelement 15 ist zudem eine Auswerteelektronik 13 integriert, die die Messsignale der Temperatursensorelemente 7, 8 sofort auswerten und in ein Signal, das proportional zum Luftmassenstrom 10 ist, umwandeln kann. Die Auswerteelektronik 13 kann jedoch ebenso gut in einem nachgeschalteten elektronischen Gerät integriert sein. Die Informationen über den Luftmassenstrom 10 werden dann über Anschlusspads 19 und Anschlussdrähte 18 an eine hier nicht dargestellte nachfolgende elektronische Motorsteuerung weitergeleitet.
In Figur 3 wird ein als mikroelektromechanisches System (MEMS) ausgebildetes Sensorelement 15 für einen Luftmassenmesser 2 gezeigt, das auf einem einzigen Substrat ausgebildet ist, wobei das Substrat in einem Hilfsrohr 5 des Luftmassenmessers 2 an¬ geordnet ist. In Figur 3 strömt durch die Einlassöffnung 4 kein Luftmassenstrom 10, was zum Beispiel bei ausgestellter Brennkraftmaschine der Fall sein wird. Dieser Zustand wird auch als Nullmassenstrom bezeichnet. Wenn das Heizelement 12 auf dem Sensorelement 15 mit elektrischer Energie versorgt wird, entsteht um das Heizelement 12 die hier dargestellte symmetrische Temperaturverteilung 20. Damit misst das erste Temperatur- ^
sensorelement 7 und das zweite Temperatursensorelement 8 die gleiche Absoluttemperatur und nach der Differenzbildung der Temperaturmesssignale der Temperatursensorelemente 7, 8 wird von der Auswerteelektronik 13 erkannt, dass kein Luftmassenstrom 10 im Hilfsrohr 5 des Luftmassenmessers 2 vorliegt. Diese ideale Gleichheit der Temperaturmesssignale bei einem Nullmassenstrom kann jedoch zum Beispiel durch Verunreinigungen auf dem Sensorelement 15 gestört werden. Figur 4 zeigt eine Situation, bei der ein Luftmassenstrom 10 durch die Einlassöffnung 4 in das Hilfsrohr 5 des Luftmassenmessers 2 einströmt. Die Temperaturverteilung 20 um das Heizelement 12 wird nun deutlich sichtbar in Richtung des zweiten Temperatursensorelementes 8 verschoben. Damit misst das zweite Temperatur- sensorelement 8 eine deutlich höhere Temperatur als das erste Temperatursensorelement 7. Durch die Feststellung der Diffe¬ renztemperatur der beiden Temperatursensorelemente 7, 8 in der Auswerteelektronik 13 lässt sich nun der Luftmassenstrom 10 bestimmen. Jedoch wären die Einflüsse von Verschmutzungen auf dem Sensorelement nach wie vor wirksam und sie würden die Mess¬ ergebnisse überlagern. Die Summe der Temperaturen reagiert ebenfalls auf den Massenstrom 10. Darüber hinaus reagiert jedoch die Summe der Temperaturen auch auf die thermischen Eigenschaften der Luftmasse, wie zum Beispiel die Wärmekapazität und/oder die thermische Leitfähigkeit des vorbeiströmenden Luftmassenstromes 10. Erhöht sich zum Beispiel bei gleichem Luftmassenstrom 10 die thermische Leitfähigkeit der Luftmasse, so kühlt das System ab und die Summe der Temperaturen wird deutlich geringer. Die Differenztemperatur des ersten Temperatursensorelementes 7 und des zweiten Temperatursensorelementes 8 bleibt jedoch in erster Näherung unverändert. Somit kann durch das Summensignal des ersten Temperatursensorelementes 7 und des zweiten Tempera¬ tursensorelementes 8 eine Änderung der thermischen Eigenschaften, wie zum Beispiel der Wärmekapazität, oder der thermischen Leitfähigkeit der Luftmasse gemessen werden. Verrechnet man nun das Differenztemperatursignal mit dem Summen- temperatursignal , kann auf die veränderte thermische Leitfä- higkeit und/oder die veränderte Wärmekapazität der vorbei¬ strömenden Luftmasse geschlossen werden.
Figur 5 zeigt das Sensorelement 15 des Luftmassenmessers, das als mikroelektromechanisches System (MEMS) ausgebildet ist, in einem Luftmassenmesser 2, der als Einsteckfinger in einem Ansaugrohr 1 integriert ist. Der Luftmassenstrom 10 erreicht auch hier die Einlassöffnung 4 und tritt in das Hilfsrohr 5 ein. Auf der Oberfläche 16 der Membran 17 sind das erste Temperatursensor- element 7 und das zweite Temperatursensorelement 8 zu erkennen. Zwischen dem ersten Temperatursensorelement 7 und dem zweiten Temperatursensorelement 8 ist das Heizelement 12 angeordnet. Der Luftmassenstrom 10 erreicht zunächst das erste Temperatursensorelement 7, überströmt dann das Heizelement 12, um danach das zweite Temperatursensorelement 8 zu erreichen.
In Figur 5 ist zu erkennen, dass der Luftmassenstrom 10 auch Verschmutzungen 9 beinhaltet. Mit dem Luftmassenstrom 10 werden zum Beispiel Wassertröpfchen 26, Öltröpfchen 11 und/oder Staub- teilchen 14 hin zum Luftmassenmesser 2 transportiert. Die Verschmutzungen 9 gelangen durch die Einlassöffnung 4 des Luftmassenmessers 2 bis zum Sensorelement 15. Wenn sich die Verschmutzungen 9 im Bereich des ersten Temperatursensorelementes 7 und des zweite Temperatursensorelementes 8 ablagern, kann es mit der Zeit zu einer massiven Verfälschung des Messwertes für den Luftmassenstrom 10 kommen. Da sich diese Verfälschung durch die Akkumulation der Verschmutzung auf dem Sensorelement 15 über einem langen Zeitraum immer weiter aufbaut, spricht man in diesem Zusammenhang auch von einer Singaldrift des Luft- massenmessers 2. Dieser Signaldrift ist unerwünscht und sie sollte unterdrückt und/oder kompensiert werden.
Figur 6 zeigt das Sensorelement 15 mit dem ersten Temperatur¬ sensorelement 7 und dem zweiten Temperatursensorelement 8 sowie dem zwischen den Temperatursensorelementen 7 und 8 angeordneten Heizelement 12. Mit dem Pfeil ist die Richtung des Luftmasse¬ stromes 10 dargestellt. Damit befindet sich in der Strömungs- richtung des Luftmassenstromes 10 das erste Temperatur¬ sensorelement 7 vor dem Heizelement 12 und das zweite Tem¬ peratursensorelement 8 hinter dem Heizelement 12. Sowohl das erste Temperatursensorelement 7 als auch das zweite Tempera- tursensorelement 8 setzen sich in diesem Beispiel als elektrische Reihenschaltungen aus einem Messwiderstand 22 und mindestens zwei Vergleichswiderständen 21 zusammen. Es ist zu erkennen, dass die Messwiderstände 22 im inneren Bereich der dünnen Membran angeordnet sind, und die Vergleichswiderstände 21 im Randbereich der Membran 17 angeordnet sind.
Weiterhin zeigt die Figur 6, dass Verschmutzungen 9, und hierbei vornehmlich Öltröpfchen 11, mit dem Massenstrom 10 zu dem Sensorelement 15 transportiert werden. Insbesondere die Öl- tröpfchen 11 lagern sich auf dem Sensorelement 15 ab. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Ablagerung der Öltröpfchen 11 auf dem Sensorelement 15 besonders stark im Bereich des zweiten Sensorelements 8 erfolgt, welches in Strömungsrichtung des Luftmassenstromes 10 dem Heizelement 12 nachgelagert ist. Diese unsymmetrische Ablagerung von Öltröpfchen 11 auf dem Sensorelement 15 führt zu einer Signaldrift, die letztlich zur Ver¬ fälschung der vom Sensorelement 15 erfassten Absoluttemperatur und damit zur Verfälschung des Messwertes für den Luftmassenstrom 10 führt. Darüber hinaus erfolgt die Ablagerung der Ver- schmutzungen bevorzugt im Randbereich der Membran 17. Die unsymmetrische Ablagerung der Öltröpfchen 11 hat physikalische Gründe, die ihren Ursprung insbesondere in der höheren Temperatur im Bereich des zweiten Sensorelementes 8 und im Temperaturgradienten im Randbereich der Membran 17 finden.
Figur 7 zeigt das Sensorelement 15 eines Luftmassenmessers 2. Das erste Temperatursensorelement 7 und das zweite Temperatur¬ sensorelement 8 dieses Sensorelementes 15 sind als Thermopiles 23 ausgebildet. Thermopiles 23, die auch als Thermoelemente 23 bezeichnet werden, wandeln Wärme in elektrische Energie um. Thermoelemente 23 bestehen aus zwei unterschiedlichen Metallen, die an einem Ende miteinander verbunden sind. Eine Tempera- turdifferenz erzeugt aufgrund des Wärmeflusses im Metall eine elektrische Spannung.
Als Seebeck-Effekt wird das Auftreten einer elektrischen Po¬ tentialdifferenz zwischen zwei Stellen unterschiedlicher Temperatur eines Leiters bezeichnet. Die Potentialdifferenz ist annähernd proportional zur Temperaturdifferenz und sie hängt vom Leitermaterial ab. Wenn die Enden eines einzigen Leiters zur Messung auf gleicher Temperatur liegen, heben sich die Potentialdifferenzen stets auf. Verbindet man jedoch zwei unter- schiedliche Leitermaterialien miteinander, entsteht ein Thermoelement 23. Bei Messsystemen auf der Basis des Seebeck-Effektes werden in der Regel sehr viele einzelne Thermoelemente 23 in Reihe geschaltet .
Bei der Auswahl von Materialpaaren zu Messzwecken sollte eine möglichst hohe erzeugte Thermospannung verbunden mit einer hohen Linearität zwischen Temperaturänderung und Spannungsänderung erreicht werden. Die in Figur 7 gezeigten Thermopiles 23 bestehen aus einer Abfolge eines jeweils ersten Metalls 24, das an einer Verbindungsstelle 28 mit einem zweiten Metall 25 verbunden ist. In Figur 7 ist deutlich zu erkennen, dass im Bereich des zweiten Temperatursensorelementes 8, das aus Thermoelementen 23 auf¬ gebaut ist, Verschmutzungen 9 vornehmlich in Form von Öl- tröpfchen 11 abgelagert sind. Diese Verschmutzungen 9 führen zu einer Verfälschung der von den Temperatursensorelementen 7 und 8 gemessenen Absolut-Temperatur . Die hieraus resultierende
Signaldrift wurde schon in der Beschreibung der vorgenannten Figuren erwähnt.
Figur 8 zeigt das aus den vorhergehenden Figuren bekannte Sensorelement 15. Das Sensorelement 15 ist in mikroelektro- mechanischer Bauweise ausgeführt und weist ein erstes Tempe¬ ratursensorelement 7 und ein zweites Temperatursensorelement 8 auf. Zwischen dem ersten Temperatursensorelement 7 und dem zweiten Temperatursensorelement 8 ist das Heizelement 12 an- geordnet. Das erste Temperatursensorelement 7, das zweite Temperatursensorelement 8 und das Heizelement 12 sind auf einer dünnen Membran 17 ausgebildet. Das erste Temperaturelement 7 weist eine erste Breite BT 1 und eine erste Länge LT 1 auf. Das zweite Temperatursensorelement 8 weist eine zweite Breite BT2 und eine zweite Länge LT 2 auf. In diesem Beispiel ist die erste Länge LT 1 des ersten Temperatursensorelementes 7 im Rahmen der Herstellungstoleranzen gleich der zweiten Länge LT2 des zweiten Temperatursensorselementes 8. Auch die erste Breite BT 1 des ersten Temperatursensorelementes 7 ist im Rahmen der Her- Stellungstoleranz gleich der zweiten Breiten BT2 des zweiten Temperatursensorelementes 8. Das erste Temperatursensorelement 7 und das zweite Temperatursensorelement 8 können als Mess¬ widerstände 22 oder Thermo-Piles 23 ausgebildet sein. Die Anordnung des ersten Temperatursensorselementes 7 und des zweiten Temperatursensorelementes 8 auf der dünnen Membran 17 erfolgt axial symmetrisch, wobei das Heizelement 12 die Sym¬ metrieachse für die beiden Temperatursensorelemente 7, 8 bildet.
Figur 9 zeigt eine unsymmetrische Ausbildung des ersten Tem- peratursensorelementes 7 und des zweiten Temperatursensor- elementes 8 im Bezug auf die von dem Heizelement 12 gebildete Symmetrieachse. Das in Fig. 9 gezeigte Temperatursensorelement 15 entspricht weitgehend dem in Fig. 8 gezeigten Temperatursensorelement 15, wobei jedoch die erste Breite BT 1 des ersten Temperatursensorelementes 7 wesentlich größer ist als die zweite Breite BT 2 des zweiten Temperatursensorelementes 8. Zudem ist in Fig. 9 die erste Länge LT 1 des ersten Temperatursensorelementes 7 wesentlich kleiner als die zweite Länge LT 2 des zweiten Temperatursensorelementes 8. Durch die unterschiedliche Dimensionierung der ersten Breite BT 1 und der zweiten Breite BT 2 sowie der ersten Länge LT 1 und der zweiten Länge LT 2 des ersten Temperatursensorelementes 7 und des zweiten Temperatursensor¬ elementes 8 kann die verschmutzungsbedingte Signaldrift des Luftmassenmessers 2 wirkungsvoll unterdrückt werden, womit die Messergebnisse des Luftmassenmessers 2 über eine lange Zeit sehr stabil zur Verfügung stehen. Die Unterdrückung der Signaldrift beim unsymmetrisch ausgebildeten Sensorelement ist deshalb erfolgreich, weil sich aus thermodynamischen Gründen Verschmutzungen 9 und insbesondere Öltröpfchen 11 nicht im Randbereich des zweiten Temperatursensorelementes 8 anlagern können.

Claims

Patentansprüche
Luftmassenmesser (2) mit einem in mikroelektromechanischer Bauweise ausgebildetem Sensorelement (15), das ein Heiz¬ element (12) aufweist, wobei auf dem Sensorelement (15) ein erstes Temperatursensorelement (7) stromaufwärts bezogen auf das Heizelement (12) angeordnet ist und ein zweites Temperatursensorelement (8) stromabwärts bezogen auf das Heizelement (12) angeordnet ist, wobei der erste Tempe¬ ratursensorelement (7) eine erste Breite (BT1) und eine erste Länge (LTl) aufweist und der zweite Temperatur¬ sensorelement (8) eine zweite Breite (BT2) und eine zweite Länge (LT2) aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die erste Breite (BT1) des ersten Tempera¬ tursensorelementes (7) größer ist als die zweite Breite (BT2) des zweiten Temperatursensorelementes (8).
Luftmassenmesser (2) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die zweite Länge (LT2) des zweiten Temperatursensorelementes (8) größer ist als die erste Länge (LTl) des ersten Temperatursensorelementes (7).
Luftmassenmesser (2) nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass erste Breite (BT1) des ersten Temperatursensorelementes (7) mindestens 10 % größer ist als die zweite Breite (BT2) des zweiten Temperatur¬ sensorelementes (8).
Luftmassenmesser (2) nach Anspruch 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die zweite Länge (LT2) des zweiten Temperatursensorelementes (8) mindestens 10 % größer ist als die erste Länge (LTl) des ersten Tempe¬ ratursensorelementes (7).
5. Luftmassenmesser (2) nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass erste Breite (BT1) des ersten Temperatursensorelementes (7) mindestens 30 % größer ist als die zweite Breite (BT2) des zweiten Temperatur¬ sensorelementes (8).
6. Luftmassenmesser (2) nach Anspruch 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die zweite Länge (LT2) des zweiten Temperatursensorelementes (8) mindestens 30 % größer ist als die erste Länge (LT1) des ersten Tempe¬ ratursensorelementes (7).
7. Luftmassenmesser (2) nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die erste Breite (BTl) des ersten Temperatursensorelementes (7) mindestens 50 % größer ist als die zweite Breite (BT2) des zweiten Temperatur¬ sensorelementes (8).
8. Luftmassenmesser (2) nach Anspruch 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die zweite Länge (LT2) des zweiten Temperatursensorelementes (8) mindestens 50 % größer ist als die erste Länge (LT1) des ersten Tempe¬ ratursensorelementes (7).
9. Luftmassenmesser (2) nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Produkt aus der ersten Breite (BTl) und der ersten Länge
(LT1) des ersten Temperatursensorelementes (7) gleich dem Produkt aus der zweiten Breite (BT2) und der zweiten Länge
(LT2) des zweiten Temperatursensorelementes (8) ist.
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