JP2006349687A - Air mass meter with additional heater element for reducing surface contamination - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、主通流方向に通流する空気質量流を測定するためのホットフィルム空気質量計に関するものである。この種のホットフィルム空気質量計は例えば内燃機関の吸気管に使用される。 The present invention relates to a hot film air mass meter for measuring an air mass flow flowing in a main flow direction. This type of hot film air mass meter is used, for example, in an intake pipe of an internal combustion engine.
本発明はより詳細には、主通流方向に通流する空気質量流、とりわけ内燃機関の吸気管における空気質量流を測定するためのホットフィルム空気質量計であって、
ホットフィルム空気質量計は、空気質量流が通流可能なチップ表面を備えるセンサチップを有し、
チップ表面は測定表面とランド表面とを有し、
センサチップは、測定表面の領域ではランド表面の領域よりも少なくとも一桁だけ小さい伝熱性を有し、
前記測定表面には、少なくとも1つの中央加熱素子と少なくとも1つの温度センサを備える中央ホットフィルム空気質量計回路の導体路が取り付けられており、
中央ホットフィルム空気質量計回路の導体路の外寸は測定表面のセンサ領域を規定する形式のホットフィルム空気質量計に関する。
More particularly, the present invention is a hot film air mass meter for measuring an air mass flow flowing in a main flow direction, particularly an air mass flow in an intake pipe of an internal combustion engine,
The hot film air mass meter has a sensor chip with a chip surface through which air mass flow can flow.
The chip surface has a measurement surface and a land surface,
The sensor chip has a heat transfer property that is at least an order of magnitude less in the area of the measurement surface than in the area of the land surface,
The measuring surface is fitted with a conductor path of a central hot film air mass meter circuit comprising at least one central heating element and at least one temperature sensor,
The outer dimensions of the conductor path of the central hot film air mass meter circuit relate to a hot film air mass meter of the type that defines the sensor area of the measurement surface.
例えば方法技術、化学、または工作機械の分野で多くの処理では、ガス質量、とりわけ空気質量を規定して供給しなければならない。これにはとりわけ、制御された条件下で経過する燃焼プロセスも含まれる。ここでの重要な例は、燃料を自動車の内燃機関で燃焼し、引き続きとりわけ触媒的に排ガス清浄することである。ここでは通気質量流量を測定するための種々の形式のセンサが使用される。 In many processes, for example in the field of process technology, chemistry or machine tools, a gas mass, in particular an air mass, must be defined and supplied. This includes, inter alia, combustion processes that progress under controlled conditions. An important example here is the combustion of fuel in an internal combustion engine of a motor vehicle, followed by, inter alia, catalytic exhaust gas cleaning. Various types of sensors are used here for measuring the ventilation mass flow rate.
従来技術から公知のセンサ形式は前記のホットフィルム空気質量計(HFM)であり、例えばDE19601791A1の実施例に記載されている。この種のホットフィルム空気質量計では通常、薄膜センサメンブランを有するセンサチップ、例えばシリコンセンサチップが使用される。センサメンブランには典型的には少なくとも1つの加熱抵抗が配置されており、この加熱抵抗は2つまたはそれ以上の温度測定抵抗(温度センサ)により包囲されている。メンブラン上を案内される空気流中では温度分布が変化し、このことは温度測定抵抗により検出することができ、制御および評価回路によって評価することができる。例えば温度測定抵抗の抵抗差から空気質量流を検出することができる。このセンサ形式の他の種々の変形が従来技術から公知である。 A sensor type known from the prior art is the hot film air mass meter (HFM), which is described, for example, in the examples of DE 19601791 A1. In this type of hot film air mass meter, a sensor chip having a thin film sensor membrane, for example, a silicon sensor chip is usually used. The sensor membrane is typically provided with at least one heating resistor, which is surrounded by two or more temperature measuring resistors (temperature sensors). The temperature distribution changes in the air flow guided over the membrane, which can be detected by a temperature measuring resistor and can be evaluated by a control and evaluation circuit. For example, the air mass flow can be detected from the resistance difference of the temperature measurement resistance. Various other variations of this sensor type are known from the prior art.
この形式のセンサの、例えばDE10111840C2から公知の問題点は、センサの汚染が頻繁に、例えばオイル、他の流体、または他の不純物により発生することであるセンサチップは通常、内燃機関の吸気管、または内燃機関の吸気管へのバイパスで直接使用される。ここでは内燃機関の動作中にオイルがセンサチップに、とりわけセンサメンブランに沈着することがある。このオイル沈着はセンサチップの測定信号に不所望の影響を与えることがある。なぜならセンサチップ表面のオイル膜が表面の熱伝導に作用し、このことが測定信号に誤差を与えるからである。オイル汚染はさらに、内燃機関、例えばディーゼル機関の遮断時、または遮断直後にも発生し得る。これはとりわけ、内燃機関の遮断後にクランクケーシングに存在する過圧がクランクケーシング換気により内燃機関の吸気管へ(およびひいてはホットフィルム空気質量計のバイパスチャネルへ)排気される場合である。この場合、頻繁にオイル蒸気ないしはオイル霧が共に導かれる。 A problem known from DE 10111840C2, for example of this type of sensor, is that the sensor chip is usually caused by frequent contamination of the sensor, for example by oil, other fluids, or other impurities. Or it is used directly by the bypass to the intake pipe of an internal combustion engine. Here, during operation of the internal combustion engine, oil may deposit on the sensor chip, in particular on the sensor membrane. This oil deposition can undesirably affect the measurement signal of the sensor chip. This is because the oil film on the surface of the sensor chip acts on the heat conduction on the surface, which gives an error to the measurement signal. Oil contamination can also occur when an internal combustion engine, such as a diesel engine, is shut off or immediately after it is shut off. This is particularly the case when the overpressure present in the crank casing after the internal combustion engine is shut off is exhausted to the intake pipe of the internal combustion engine (and thus to the bypass channel of the hot film air mass meter) by crank casing ventilation. In this case, oil vapor or oil mist is frequently introduced together.
従ってDE10111840C2は、センサチップの汚染を、付加的ヒータを使用して回避する方法を提案する。センサチップはセンサ領域と、このセンサ領域の外に配置された付加的ヒータを有する。この付加的ヒータは、付加的ヒータの領域に熱勾配渦が発生するように加熱される。この熱勾配渦は、通流媒体の汚染物質が付加的ヒータの領域ではセンサ領域から離れて沈着するようにする。 DE 10111840C2 therefore proposes a method for avoiding contamination of the sensor chip using an additional heater. The sensor chip has a sensor area and an additional heater arranged outside the sensor area. This additional heater is heated so that a thermal gradient vortex is generated in the area of the additional heater. This thermal gradient vortex causes the flow medium contaminants to deposit away from the sensor area in the area of the additional heater.
しかしDE10111840C2に開示された装置および開示された方法は、実際には内燃機関の動作形式が種々異なるため欠点と結び付いている。例えば欠点として、DE10111840C2に開示された装置が目的とする熱勾配渦の位置を決めることは実際にはほとんど不可能である。シリコンの熱伝導性が高いので、付加的ヒータにより発生された熱は容易にチップ全体に広がる。このことは均一な温度分布を引き起こし、ひいてはチップ全体が加熱されることとなる。 However, the device and the method disclosed in DE 10111840C2 are actually associated with drawbacks due to the different modes of operation of internal combustion engines. For example, as a disadvantage, it is practically impossible to determine the position of the target thermal gradient vortex by the device disclosed in DE 10111840C2. Due to the high thermal conductivity of silicon, the heat generated by the additional heater is easily spread throughout the chip. This causes a uniform temperature distribution and thus the entire chip is heated.
メンブランないしセンサ表面の汚染問題は熱力学的作用によってより深刻化する。例えば、表面張力に勾配を有する流体滴は表面張力の比較的高い方向に力を受けることが公知である。このことにより通常は、滴が表面張力の低い方から高い方へ移動する。とりわけこの勾配は、流体滴が塗布される表面での温度勾配によって惹起される。滴は温度勾配とそこから生じる力によって通常は、表面の比較的暖かい領域から比較的冷えた領域に移動する。この作用は例えば、V.G. Levich著、“Physicochemical Hydrodynamics”, Prentice−Hall, N.J., 1962, pp.373−380に記載されている。 Membrane or sensor surface contamination problems are exacerbated by thermodynamic effects. For example, it is known that a fluid drop having a gradient in surface tension receives a force in a relatively high direction of surface tension. This usually causes the droplets to move from the lower surface tension to the higher one. In particular, this gradient is caused by a temperature gradient at the surface where the fluid drop is applied. The drop usually moves from a relatively warm area of the surface to a relatively cool area due to the temperature gradient and the resulting force. This effect is described in, for example, G. Levic, “Physicochemical Hydrodynamics”, Prentice-Hall, N .; J. et al. , 1962, pp. 373-380.
上に述べたように典型的なホットフィルム空気質量計は、これが伝熱性の小さいセンサメンブラン(例えばシリコンメンブラン)と、周囲のチップランドを有するように構成されている。従ってホットフィルム空気質量計の動作時に通常は、センサメンブランの縁部、すなわち周囲のチップランドへの境界部に温度勾配が形成され、相応にして例えばオイル滴の形態で流体壁が形成される。空気流によってこの流体壁の全体がまたは一部が引きずり込まれ、その結果、オイル滴がセンサメンブランに達し、そこで測定に影響を与えることがある。さらに流体壁はセンサメンブランの縁部での伝熱性を高める。このことも測定信号の誤差およびドリフトを引き起こし得る。
従来技術から公知の装置の欠点を回避することのできる、とりわけ内燃機関の吸気管において主通流方向に通流する空気質量流を測定するためのホットフィルム空気質量計を提供することである。 The object is to provide a hot film air mass meter for measuring the air mass flow flowing in the main flow direction in the intake pipe of an internal combustion engine, which can avoid the disadvantages of the devices known from the prior art.
このホットフィルム空気質量計は汎用的に使用することができ、とりわけ、通流速度が0から60m/sの間の空気質量流の測定に最適化されているようにする。 This hot film air mass meter can be used universally, in particular so that the flow velocity is optimized for the measurement of air mass flow between 0 and 60 m / s.
この課題は本発明により、冒頭に述べたホットフィルム空気質量計において、付加的に少なくとも1つの付加的加熱素子と少なくとも1つの付加的温度センサがセンサ領域の外の測定表面に配置されているように構成して解決される。 This object is achieved according to the invention in that in the hot film air mass meter mentioned at the outset, additionally at least one additional heating element and at least one additional temperature sensor are arranged on the measuring surface outside the sensor area. Solved by configuring.
ホットフィルム空気質量計は、空気質量流が通過するチップ表面を備えるセンサチップを有する。ここでセンサチップは、例えば上に述べたようにシリコンチップとすることができる。チップ表面はさらに測定表面とランド表面を有する。測定表面の領域にセンサチップは、ランド表面よりも少なくとも一桁だけ小さい横断伝熱性を有する。 A hot film air mass meter has a sensor chip with a chip surface through which air mass flow passes. Here, the sensor chip can be, for example, a silicon chip as described above. The chip surface further has a measurement surface and a land surface. In the area of the measuring surface, the sensor chip has a transverse heat transfer which is at least an order of magnitude smaller than the land surface.
横断伝熱性を小さくすることは種々のやり方で達成することができる。例えば従来技術から公知のように、および上に述べたように、数μmの厚さだけを有するセンサメンブランを備えるセンサチップを使用することができる。ここではセンサメンブランを取り囲む空気の伝熱性が小さいこと(約0.026W/mK)が利用される。択一的に、空気質量流に向いた側に測定表面を有する測定領域として多孔性領域をチップに作製することができる。これは例えばシリコンチップを多孔化することにより行われる。このようにして閉鎖された空洞により横断伝熱性が0.1から2W/mKである測定領域を作製することができる。これと比較してシリコンサブストレートの伝熱性は156W/nKである。 Reducing transverse heat transfer can be accomplished in various ways. For example, as known from the prior art and as described above, a sensor chip comprising a sensor membrane having a thickness of only a few μm can be used. Here, the fact that the heat conductivity of the air surrounding the sensor membrane is small (about 0.026 W / mK) is used. Alternatively, a porous region can be created on the chip as a measurement region having a measurement surface on the side facing the air mass flow. This is done, for example, by making the silicon chip porous. A measurement region with a transverse heat transfer of 0.1 to 2 W / mK can be produced by the closed cavity in this way. Compared to this, the heat conductivity of the silicon substrate is 156 W / nK.
測定表面には、中央ホットフィルム空気質量計回路の導体路が被着される。この中央ホットフィルム空気質量計回路は少なくとも1つの中央加熱素子と、少なくとも1つの、有利には少なくとも2つの温度センサを有する。例えばこれは上に述べたように2つの温度センサにより取り囲まれた1つの中央加熱素子とすることができる。他の幾何形状も考えられる。 The conductor surface of the central hot film air mass meter circuit is deposited on the measurement surface. The central hot film air mass meter circuit has at least one central heating element and at least one, preferably at least two temperature sensors. For example, this can be a central heating element surrounded by two temperature sensors as described above. Other geometric shapes are also conceivable.
中央ホットフィルム空気質量計回路の導体路の外部寸法は測定表面のセンサ領域を規定する。これにより測定表面は、センサ領域と、センサ領域の外にある領域とに分割される。例えばセンサ領域は、中央ホットフィルム空気質量計回路の導体路を丸く囲む(仮想)矩形の形状を取ることができ、この矩形は例えば測定表面内の中央に配置される。 The external dimensions of the conductor path of the central hot film air mass meter circuit define the sensor area of the measurement surface. Thereby, the measurement surface is divided into a sensor region and a region outside the sensor region. For example, the sensor area may take the form of a (virtual) rectangle that surrounds the conductor path of the central hot film air mass meter circuit, and this rectangle is arranged, for example, in the center in the measurement surface.
しかし実際には測定表面、とりわけメンブランまたは多孔性領域の製造は面倒で高価である。これはとりわけ、相応の半導体技術方法が使用されるためである。さらに通常は測定表面が障害に脆弱である。なぜならメンブランは容易に損傷を受けるからである。相応してシリコン内の多孔性領域は容易に汚染され、高い破壊危険性に晒されている。従って、測定表面の面積を通常のホットフィルム空気質量計において最小にする努力がなされている。従って通常のホットフィルム空気質量計では、測定表面が通常は中央ホットフィルム空気質量計回路の導体路によってほぼ完全に満たされている。ここで使用される測定表面は空間的に最適に利用され、センサ領域と測定表面は通常のセンサチップではほぼ同一である。 In practice, however, the production of measuring surfaces, in particular membranes or porous regions, is cumbersome and expensive. This is in particular because corresponding semiconductor technology methods are used. Furthermore, the measuring surface is usually vulnerable to obstacles. The membrane is easily damaged. Correspondingly, the porous regions in the silicon are easily contaminated and exposed to a high risk of destruction. Therefore, efforts are made to minimize the area of the measurement surface in a conventional hot film air mass meter. Thus, in a typical hot film air mass meter, the measurement surface is usually almost completely filled by the conductor path of the central hot film air mass meter circuit. The measurement surface used here is optimally used in terms of space, and the sensor area and the measurement surface are almost identical in a normal sensor chip.
本発明の第1の基本的技術思想は、測定表面を完全にセンサ領域により満たすのではなく、付加的に少なくとも1つの付加的加熱素子と少なくとも1つの付加的温度センサをセンサ領域の外の測定表面に配置することである。DE10111840C2とは異なりこの構成の重大な利点は、少なくとも1つの付加的加熱素子によりもたらされる熱が測定表面の伝熱性が小さいことにより空間的に十分に局所化されることである。従ってセンサチップ全体または測定表面全体は、少なくとも1つの付加的加熱素子の加熱の際には加熱されない。 The first basic technical idea of the invention is that the measurement surface is not completely filled with the sensor area, but additionally at least one additional heating element and at least one additional temperature sensor are measured outside the sensor area. Is to place on the surface. A significant advantage of this arrangement, unlike DE 10111840C2, is that the heat provided by the at least one additional heating element is spatially sufficiently localized due to the low heat transfer of the measuring surface. Thus, the entire sensor chip or the entire measurement surface is not heated during the heating of the at least one additional heating element.
さらに少なくとも1つの付加的温度センサは有利には少なくとも1つの付加的加熱素子の直接近傍に配置されており、少なくとも1つの付加的加熱素子の温度、ないしはこの少なくとも1つの付加的加熱素子または少なくとも1つの付加的温度センサの直接近傍の測定表面の温度を正確に調整することができる。例えば複数の付加的加熱素子を設けることができ、これらには例えばそれぞれ1つの付加的温度センサが配属されている。このようにしてセンサチップの測定表面の所定領域で定義された温度が調整される。これによりチップ表面の温度勾配渦の形成を、従来技術から公知の装置よりも格段に良好に調整することができる。 Furthermore, the at least one additional temperature sensor is preferably arranged in the immediate vicinity of the at least one additional heating element, the temperature of the at least one additional heating element or the at least one additional heating element or at least one The temperature of the measuring surface in the immediate vicinity of the two additional temperature sensors can be adjusted precisely. For example, a plurality of additional heating elements can be provided, each of which is assigned, for example, one additional temperature sensor. In this way, the temperature defined in the predetermined area of the measurement surface of the sensor chip is adjusted. Thereby, the formation of the temperature gradient vortex on the chip surface can be adjusted much better than the apparatus known from the prior art.
本発明の別の基本的技術思想は、ホットフィルム空気質量計の前記構造の改善形態を使用する。ここでは中央ホットフィルム空気質量計回路の導体路は空気質量流の測定を制御および評価する制御評価回路と接続されており、少なくとも1つの付加的加熱素子と少なくとも1つの付加的温度センサは、所定の温度Tfixを調整および/または制御するための温度制御回路と接続されている。この種の構成により、温度勾配により表面の流体滴に及ぼされる力作用効果を利用することで、ホットフィルム空気質量計のセンサ領域周囲に「温度壁」を形成することができる。例えば少なくとも1つの付加的温度センサは温度制御回路の制御入力端と接続することができ、少なくとも1つの付加的加熱素子は温度制御回路の相応の出力端(場合により例えば電流供給を介して間接的に)と接続することができる。このようにしてホットフィルム空気質量計の動作状態に依存せずに、測定表面の所定の領域に定義された温度を加えることができる。これにより例えば環境温度作用がセンサ領域から遮閉され、従ってセンサ領域は常に同じ熱的条件の下で動作する。これにより測定信号のドリフトが回避される。 Another basic technical idea of the present invention uses an improved form of the structure of a hot film air mass meter. Here, the conductor path of the central hot film air mass meter circuit is connected to a control evaluation circuit for controlling and evaluating the measurement of air mass flow, wherein at least one additional heating element and at least one additional temperature sensor are Is connected to a temperature control circuit for adjusting and / or controlling the temperature Tfix. With this type of configuration, a “temperature wall” can be formed around the sensor area of the hot film air mass meter by utilizing the force effect exerted on the surface fluid drop by the temperature gradient. For example, at least one additional temperature sensor can be connected to the control input of the temperature control circuit, and at least one additional heating element can be connected to a corresponding output of the temperature control circuit (possibly indirectly, for example via a current supply). Can be connected to). In this way, a defined temperature can be applied to a predetermined area of the measurement surface without depending on the operating state of the hot film air mass meter. Thereby, for example, environmental temperature effects are blocked from the sensor area, so that the sensor area always operates under the same thermal conditions. This avoids drift of the measurement signal.
さらに「温度壁」は、例えば空気質量流によってセンサ領域へ移動されるオイル滴が上記の表面張力作用に基づき対抗力を受け、これによりセンサ領域から遠ざけられるように作用する。所期のように温度勾配を調整することができ、この温度勾配によりオイル滴の温度勾配が所期のように影響を受け、オイル滴はセンサ領域から遠ざけられる。 Furthermore, the “temperature wall” acts so that, for example, an oil drop that is moved to the sensor region by an air mass flow receives a counter force based on the above-described surface tension action, and is thereby moved away from the sensor region. The temperature gradient can be adjusted as desired, and this temperature gradient influences the temperature gradient of the oil droplet as expected and the oil droplet is moved away from the sensor area.
ここで実際には、少なくとも1つの付加的加熱素子と少なくとも1つ付加的温度センサがセンサ領域を少なくとも部分的に縁取りすると特に効果的であることが示された。
ここで「部分的」とは、第1付加的加熱素子と第1付加的温度センサからなるペアが空気質量流の主通流方向を基準にしてセンサ領域の上流側に配置されており、第2付加的加熱素子と第2付加的温度センサからなるペアが空気質量流の主通流方向を基準にしてセンサ領域の下流側に配置されていることであると理解されたい。とりわけこの構成は、主通流方向に対して垂直に伸長するホットフィルム空気質量計の対称軸に対して対称とすることができる。ここで付加的加熱素子と付加的温度センサはそれぞれペアで対称軸を基準にして対称に配置することができる。例えばさらなる付加的温度センサと付加的加熱素子を使用する別の幾何学的構成も考えられる。
Here, in practice, it has been shown that it is particularly effective if at least one additional heating element and at least one additional temperature sensor at least partially border the sensor area.
Here, “partial” means that a pair of the first additional heating element and the first additional temperature sensor is arranged on the upstream side of the sensor region with respect to the main flow direction of the air mass flow. It should be understood that a pair of two additional heating elements and a second additional temperature sensor is disposed downstream of the sensor region with respect to the main flow direction of the air mass flow. In particular, this configuration can be symmetric with respect to the symmetry axis of a hot film air mass meter extending perpendicular to the main flow direction. Here, the additional heating element and the additional temperature sensor can be arranged symmetrically with respect to the symmetry axis in pairs. Other geometric configurations are possible, for example using additional temperature sensors and additional heating elements.
すでに示したようにセンサチップの対称構成は特に有利である。このことはとりわけ測定信号の評価を容易にする。なぜなら非対称性に起因する補正アルゴリズムを測定信号に適用する必要がないからである。しかし非対称形式の別の構成ももちろん同様に考えられる。 As already indicated, the symmetrical configuration of the sensor chip is particularly advantageous. This particularly facilitates the evaluation of the measurement signal. This is because it is not necessary to apply a correction algorithm due to asymmetry to the measurement signal. However, other asymmetrical configurations are of course conceivable as well.
有利な対称構成では、測定表面およびセンサ表面が実質的に矩形の形状を有し、各矩形の長辺は主通流方向に対して実質的に垂直に配置されている。とりわけセンサ領域の矩形は、主通流方向に対して垂直の対称軸を基準にして実質的に対称に測定表面の矩形内に配置することができる。少なくとも1つの付加的加熱素子は、この場合有利には主通流方向に対して垂直に配置された矩形の辺に対して平行に伸長する。ここで「実質的に」とは、10゜を越えない偏差、有利には5゜を越えない偏差であると理解されたい。 In an advantageous symmetrical configuration, the measuring surface and the sensor surface have a substantially rectangular shape, the long sides of each rectangle being arranged substantially perpendicular to the main flow direction. In particular, the sensor area rectangle can be arranged in the measurement surface rectangle substantially symmetrically with respect to an axis of symmetry perpendicular to the main flow direction. The at least one additional heating element in this case preferably extends parallel to the side of the rectangle arranged perpendicular to the main flow direction. Here, “substantially” should be understood as deviations not exceeding 10 °, preferably not exceeding 5 °.
とりわけセンサ領域が少なくとも1つの付加的加熱素子と少なくとも1つの付加的温度センサにより縁取りされている(すなわち主通流方向を基準にして少なくとも上流側および/または下流側)前記の有利な実施例では、温度Tfixが少なくとも1つの付加的温度センサの個所で少なくとも1つの付加的加熱素子によって所定値に調整されると有利であることが判明した。例えば中央ホットフィルム空気質量計回路の少なくとも1つの中央加熱素子が温度Tmaxで作動され、センサチップのランド表面が平均温度Toを有する場合、温度Tfixを次のように調整すると有利であることが判明した:
Tfix=To+k(Tmax−To)
ここでkはヘーベル係数であり、有利には0.1から0.7、とりわけ有利には0.2から0.6、特に有利には近似的に0.5の値を取る。固定温度Tfixをこのように選択すると、少なくとも1つの付加的加熱素子がセンサ領域の縁部と測定領域の縁部との間で近似的に中央に配置されている場合、センサ領域の遮閉がとりわけ効率的に達成されることが示された。このように調整された固定温度Tfixは通常、この個所で付加的加熱素子を使用せずに、すなわち少なくとも1つの中央加熱素子だけにより調整されることとなる温度よりも僅かに高い。従ってこの領域の温度Tfixは少なくとも1つの付加的加熱素子をオン/オフするだけで調整される。しかしこの固定温度Tfixは、中央ホットフィルム空気質量計回路の測定に有意な影響を与えるほど高くはない。しかし温度Tfixを別のやり方で調整することも可能である。
In particular, the sensor region is bordered by at least one additional heating element and at least one additional temperature sensor (ie at least upstream and / or downstream with respect to the main flow direction). It has proved advantageous if the temperature Tfix is adjusted to a predetermined value by means of at least one additional heating element at the location of at least one additional temperature sensor. For example, if at least one central heating element of the central hot film air mass meter circuit is operated at temperature Tmax and the land surface of the sensor chip has an average temperature To, it has proven advantageous to adjust the temperature Tfix as follows: did:
Tfix = To + k (Tmax−To)
Here, k is a Hebel coefficient, preferably taking a value of 0.1 to 0.7, particularly preferably 0.2 to 0.6, particularly preferably approximately 0.5. With this selection of the fixed temperature Tfix, if at least one additional heating element is approximately centered between the edge of the sensor area and the edge of the measurement area, the blocking of the sensor area will occur. It has been shown to be achieved particularly efficiently. The fixed temperature Tfix thus adjusted is usually slightly higher than the temperature that would be adjusted at this point without the use of an additional heating element, i.e. only with at least one central heating element. The temperature Tfix in this region is therefore adjusted by simply turning on / off at least one additional heating element. However, this fixed temperature Tfix is not high enough to significantly affect the measurement of the central hot film air mass meter circuit. However, it is also possible to adjust the temperature Tfix in other ways.
上記実施形態の1つの構成によって、とりわけ汚染による信号ドリフトも効果的に回避される。測定表面の縁部に沿った流体フィルムの上記構成は、ホットフィルム空気質量計の動作経過と共に伝熱性を変化させ得る。従って、少なくとも1つの中央加熱素子の動作に基づき形成される測定表面の温度分布が変化する。これは信号ドリフトに作用する。少なくとも1つの付加的加熱素子と少なくとも1つの付加的温度センサにより調整される固定温度を使用することによって、このドリフト、とりわけ汚染に起因する温度分布の変化がアクティブに補償される。従って提案されたホットフィルム空気質量計の信号品質は従来技術から公知の装置よりも格段に優れている。 One configuration of the above embodiment effectively avoids signal drift, especially due to contamination. The above configuration of the fluid film along the edge of the measurement surface can change the heat transfer as the hot film air mass meter operates. Accordingly, the temperature distribution of the measurement surface formed based on the operation of the at least one central heating element changes. This affects signal drift. By using a fixed temperature that is regulated by at least one additional heating element and at least one additional temperature sensor, this drift, in particular changes in temperature distribution due to contamination, are actively compensated. The signal quality of the proposed hot film air mass meter is therefore far superior to the devices known from the prior art.
図1には従来技術に相応するホットフィルム空気質量計のセンサチップ110の構成が示されている。センサチップ110は例えば内燃機関の吸気管または内燃機関の吸気管へのバイパスチャネルで使用することができる。この種の装置は例えばDE19601791A1から公知である。図1の構成によるセンサチップは、ランド表面112を備えるチップランドを図平面に有する(一部だけが示されている)。この実施例では、センサチップ110がシリコンセンサチップであることが前提である。
FIG. 1 shows the configuration of a
さらにセンサチップ110は、図平面の測定表面114を備える測定領域を有する。測定表面114はこの実施例では、矩形116に構成されており、その長片LM118,120は空気質量流の主通流方向122に対して垂直である。矩形116の短辺IMは参照符号124,126により示されており、主通流方向122に対して平行に配置されている。
Furthermore, the
センサチップ110は測定表面114の領域に0.5から2W/mKの伝熱性を有し、これと比較して周囲のランドの伝熱性は156W/mKである。このことは例えばシリコンを測定表面114の領域で多孔化することにより達成することができる。
The
測定表面114の領域には中央ホットフィルム空気質量計回路128の導体路が配置されている。この導体路128は、1つの中央加熱素子130と2つの温度センサ132,134から構成される。ここで温度センサ132は中央加熱素子130に対して上流側に、温度センサ134は下流側に配置されている。導体路128は、測定表面114でのその外寸でセンサ領域136を画定する。このセンサ領域136はこの実施例では同様に矩形138に構成されており、長片140,142と短辺144,146を有する。矩形138の接続側短辺144は、測定表面の矩形116の接続側短辺124にある。センサ領域136の矩形138の辺長は図1ではLsとIsにより示されている。
In the region of the
図1の従来技術に相応する実施例で、中央HFM回路の導体路128は、ほぼ測定表面114の外側矩形116まで伸長している。典型的には矩形116の長辺118,120は約1600μmの長さLMを有し、矩形116の短辺124,126はIM=450〜500μmの長さを有する。ここでセンサ領域136の矩形138は僅かだけ小さく構成されており、例えばLSは約0.9から0.95×LMであり、ISは約0.7×IMである。
In the embodiment corresponding to the prior art of FIG. 1, the
さらに図1にはオイル滴148が測定表面114の矩形116に沿って集結する問題が示されている。従ってこれらのオイル滴148は導体路128の直接近傍に存在する。例えば空気質量流による僅かな外部力作用によりオイル滴148は導体路128に達するようになる。さらにオイル滴148の集結は、測定表面114の矩形116の縁部領域においてセンサチップ110の伝熱性も変化させる。とりわけオイル滴148によって測定表面114とランド表面112との間の移行部で伝熱性が上昇することがある。このことは測定表面114での温度分布に有意に影響する。さらにオイル滴148は埃および煤に対する付着剤をしばしば形成する。付加的に多くの場合、約30μmの高さの「オイル壁」が測定表面の矩形116の縁部領域に形成され、このことはこの領域に空気渦を引き起こす。そしてこの空気渦は所定の区間を移動して初めて鎮静する。このことは測定信号にさらに誤差を与える。オイル滴148により惹起される熱効果と通流効果の両者はしばしば共に作用し、共通して測定信号を変化させる。
Further illustrated in FIG. 1 is the problem of
図1の上方領域には、測定表面114の主通流方向122に対して平行に温度分布が示されている。ここでは中央加熱素子130が温度Tmaxに加熱されることを前提にする。ランド表面112を有する周囲のチップランドは環境温度Toを有する。図1の上方領域の曲線150,152は測定表面114の主通流方向122に沿った温度分布を示すものであり、オイル滴148の集結のない場合(曲線150,実線)と、オイル滴148が集結した場合(曲線152,破線)とを示す。ここではオイル滴148により伝熱性が高まったため、温度センサ132,134の領域で温度が低下することが分る。従って温度センサ132,134では、オイル滴の汚染がない場合の測定よりも絶対値ΔTmessだけ低い温度が測定される。このことは種々の観点で負の作用を有する。作用として比較的に低い温度が測定されると比較的大きな測定誤差が生じる。別の作用は、オイル滴148による汚染の変動がΔTmessの温度降下を変動させることである。このことはホットフィルム空気質量計の信号のドリフトを引き起こす。
In the upper region of FIG. 1, the temperature distribution is shown parallel to the
図2には本発明によるセンサチップ110の構成が示されている。基本的にセンサチップ110の構成は、図1に示した従来技術の実施例の構成に相応する。しかし図2の本発明では、測定表面114ないしセンサ領域136の矩形116と138の寸法が図1の構成とは大きく異なっている。この実施例でセンサ領域136の矩形138は440μmの短辺Isを有し、これに対して測定領域114の矩形116の短辺は約IM=1500μmの長さを有する。矩形116,138の長辺の長さはLM=1800μm、およびLs=1600μmである。従って測定表面114の矩形116の面積はこの有利な実施例では、センサ領域136の矩形138の面積よりも係数3.8だけ大きい。有利には全体の面積比は1.5から4.5の領域である。短辺IM,Isに対する比は3.4、長辺LM,Lsに対する比は1.1である。
FIG. 2 shows the configuration of the
図2のオイル滴148の近似的に縮尺通りの表示から分るように、この実施例ではオイル滴148が測定領域114とランド表面112の間の移行部でセンサ領域136、従って導体路128からさらに格段に離されている。「さらに格段に」とはオイル滴148と導体路128との間の間隔がオイル滴148の直径を何倍も上回っていることであると理解されたい。どのような場合でも離散的オイル滴148が形成されるのではなく、連続的流体フィルムまたは流体バリアが形成されることもあるので、この定義はすべての場合に適用できる訳ではない。
As can be seen from the approximate scale representation of the
計算および流体力学的考察により、センサ領域136(すなわち矩形138の辺140)と測定表面114の境界(すなわちチップランドに向いた測定表面の境界、例えば矩形116の辺118)との間の最適間隔は約540μmであることが判明した。これは前記の幾何学的長さにより近似的に満たされる。
Through calculation and hydrodynamic considerations, the optimum spacing between the sensor region 136 (ie, the
図2の実施例による本発明のセンサチップ110は、センサ領域136にある中央HFM回路の導体路128に加えて、センサ領域136の外の測定表面114に別の導体路を有する。さらに測定表面114は2つの付加的加熱素子154,156と、2つの付加的温度センサ158,160を有する。付加的加熱素子154、156と付加的温度センサ158、160は実質的に中央HFM回路の導体路128に平行に配置されている。主通流方向に対して垂直にこれらの付加的加熱素子154、156と付加的温度センサ158、160は伸長しているが、導体路128を越えてほとんど矩形116の端子反対側短辺126まで伸長している。図2に概略的に示したように、中央HFM回路の導体路128は、空気質量流の測定を制御および評価するための制御評価回路162と接続されている。この種の制御評価回路162は従来技術から公知である。これに対して付加的加熱素子154,156と付加的温度センサ158、160は温度制御回路164と接続されている。
The
図2の上方領域には図1と同様に、空気質量流を測定する際のセンサチップ110の測定表面114における温度経過が示されている。ここでも破線の曲線152はオイル滴148により汚染されたときの測定の場合を示し、実線150は汚染のない測定の場合を示す。
The upper region of FIG. 2 shows the temperature course on the
ここで温度制御回路164は本発明により、付加的加熱素子154、156によって付加的温度センサ158、160の温度が所定の値Tfixに留まるよう制御する。有利にはこの一定の温度Tfixは、付加的加熱素子154、156が遮断され、中央加熱素子130だけが駆動される場合に付加的温度センサ158、160の個所で調整されることとなる温度よりも高い。このことは付加的加熱素子154、156だけで温度を値Tfixに制御できることを保証する。上に述べたように実際には、Tfixに対する温度値は、環境温度Toと中央加熱素子130の動作温度Tmaxとの差の約0.5だけ環境温度Toより高いと有利であることが判明した。典型的には環境温度Toは約20℃であり、動作温度Tmaxは約160℃である。従って固定温度Tfixは有利には約90℃に選択され、この値に制御される。
Here, the
図2の上方領域の温度経過が示すように、オイル滴148による汚染は、上流側にある温度センサ158の上流側の温度経過と、下流側にある温度センサ160の下流側の温度経過にだけ影響を及ぼす(曲線150,152の経過を参照)。温度センサ132,134の個所の測定温度Tmessは、オイル汚染によってはほとんど影響を受けない。従ってセンサチップ110の本発明の構成によって、センサ領域136から離れた領域でのオイル汚染158が排除されるだけでなく、付加的加熱素子154、156と付加的温度センサ158、160によって付加的な「温度バリア」がセンサ領域136の周囲に形成される。このことにより空気質量測定は、オイル汚染によっては実質的に影響を受けない。従って図2による本発明の構成によって、オイル滴148による汚染の影響および信号ドリフトはほとんど排除される。
As shown in the temperature course in the upper region of FIG. 2, the contamination by the
最後に図1と図2の実施例によるセンサチップ110の構成は、対称線166に対して対称であることを述べておく。この対称線166は空気質量流の主通流方向122に対して垂直に配置されている。このように導体路128および付加的加熱素子154、156並びに付加的温度センサ158、160を対称に配置することにより、ホットフィルム空気質量計の測定信号の評価が格段に容易になる。この場合、非対称性のアーティファクトに基づく測定信号の最終補正を省略することができる。これは評価を容易にする。しかしもちろん、センサチップ110と測定表面114を非対称に構成することも考えられる。
Finally, it should be noted that the configuration of the
110 センサチップ
112 ランド表面
114 測定表面
116 測定表面の矩形
118 矩形116の長辺
120 矩形116の長辺
122 主通流方向
124 矩形116の短辺
126 矩形116の短辺
128 中央ホットフィルム空気質量計の導体路
130 中央加熱素子
132 温度センサ
134 温度センサ
136 センサ領域
138 センサ領域136の矩形
140 矩形138の長辺
142 矩形138の長辺
144 矩形138の短辺
146 矩形138の短辺
148 オイル滴
150 オイル汚染がない場合の温度経過
152 オイル汚染がある場合の温度経過
154 付加的加熱素子
156 付加的加熱素子
158 付加的温度センサ
160 付加的温度センサ
162 制御評価回路
164 温度制御回路
166 対称軸
110
Claims (8)
ホットフィルム空気質量計は、空気質量流が通流可能なチップ表面を備えるセンサチップ(110)を有し、
チップ表面は測定表面(114)とランド表面(112)とを有し、
センサチップ(110)は、測定表面(114)の領域ではランド表面(112)の領域よりも少なくとも一桁だけ小さい伝熱性を有し、
前記測定表面(114)には、少なくとも1つの中央加熱素子(130)と少なくとも1つの温度センサ(132,134)を備える中央ホットフィルム空気質量計回路の導体路(130,132,134)が取り付けられており、
中央ホットフィルム空気質量計回路の導体路(130,132,134)の外寸は測定表面(114)のセンサ領域(136)を規定する形式のホットフィルム空気質量計において、
付加的に少なくとも1つの付加的加熱素子(154,156)と少なくとも1つの付加的温度センサ(158,160)がセンサ領域(136)の外の測定表面(114)に配置されている、ことを特徴とするホットフィルム空気質量計。 A hot film air mass meter for measuring an air mass flow flowing in a main flow direction (122), in particular an air mass flow in an intake pipe of an internal combustion engine,
The hot film air mass meter has a sensor chip (110) with a chip surface through which air mass flow can flow,
The chip surface has a measurement surface (114) and a land surface (112),
The sensor chip (110) has a heat transfer in the region of the measurement surface (114) that is at least an order of magnitude less than the region of the land surface (112),
Mounted on the measurement surface (114) is a conductor path (130, 132, 134) of a central hot film air mass meter circuit comprising at least one central heating element (130) and at least one temperature sensor (132, 134). And
In a hot film air mass meter of the type that defines the sensor area (136) of the measurement surface (114), the outer dimensions of the conductor path (130, 132, 134) of the central hot film air mass meter circuit,
In addition, at least one additional heating element (154, 156) and at least one additional temperature sensor (158, 160) are arranged on the measuring surface (114) outside the sensor area (136). Features a hot film air mass meter.
中央ホットフィルム空気質量計回路の導体路(130,132,134)は、空気質量流の測定を制御および評価するための制御評価回路(162)と接続されており、
少なくとも1つの付加的加熱素子(154,156)と少なくとも1つの付加的温度センサ(158,160)は、所定の温度Tfixに調整および/または制御するための温度制御回路(164)と接続されている、ホットフィルム空気質量計。 The hot film air mass meter according to claim 1,
The conductor path (130, 132, 134) of the central hot film air mass meter circuit is connected to a control evaluation circuit (162) for controlling and evaluating the measurement of air mass flow,
At least one additional heating element (154, 156) and at least one additional temperature sensor (158, 160) are connected to a temperature control circuit (164) for adjusting and / or controlling to a predetermined temperature Tfix. Is a hot film air mass meter.
制御評価回路(162)は、少なくとも1つの中央加熱素子(130)の温度をホットフィルム空気質量計の動作時に温度Tfixに制御するよう構成されており、
温度制御回路(164)は、少なくとも1つの付加的温度センサ(158,160)の個所における温度Tfixが少なくとも1つの付加的加熱素子(154,156)によって値To+k(Tmax−To)に調整されるように構成されており、
ここで、Toはランド表面(112)の平均温度、kは0.1から0.7、有利には0.2から0.6の間の値、特に有利には近似的に0.5である、ホットフィルム空気質量計。 In the hot film air mass meter according to claim 1 or 2,
The control evaluation circuit (162) is configured to control the temperature of the at least one central heating element (130) to a temperature Tfix during operation of the hot film air mass meter,
The temperature control circuit (164) adjusts the temperature Tfix at the location of the at least one additional temperature sensor (158, 160) to the value To + k (Tmax-To) by the at least one additional heating element (154, 156). Is configured as
Where To is the average temperature of the land surface (112), k is a value between 0.1 and 0.7, preferably between 0.2 and 0.6, particularly preferably approximately 0.5. There is a hot film air mass meter.
測定表面(114)とセンサ領域(136)は実質的に矩形(116,138)の形状を有し、
各矩形(116,138)の長辺(118,120,140,142)は主通流方向(122)に対して実質的に垂直に配置されている、ホットフィルム空気質量計。 In the hot film air mass meter according to any one of claims 1 to 3,
The measurement surface (114) and sensor area (136) have a substantially rectangular shape (116, 138);
A hot film air mass meter in which the long side (118, 120, 140, 142) of each rectangle (116, 138) is arranged substantially perpendicular to the main flow direction (122).
センサ領域(136)の矩形(138)は、主通流方向(122)に対して垂直の対称軸(166)を基準にして実質的に対称に測定表面(114)の矩形(116)内に配置されている、ホットフィルム空気質量計。 In the hot film air mass meter according to any one of claims 1 to 4,
The rectangle (138) of the sensor area (136) is within the rectangle (116) of the measurement surface (114) substantially symmetrically with respect to the symmetry axis (166) perpendicular to the main flow direction (122). Arranged, hot film air mass meter.
センサ領域(136)は実質的に矩形(138)の形状に構成されており、
矩形(138)は主通流方向(122)に対して垂直に配置された2つの辺(140,142)を有し、
少なくとも1つの付加的加熱素子(154,156)は、主通流方向(122)に対して垂直に配置された辺(154,156)に対して実質的に平行に伸長している、ホットフィルム空気質量計。 In the hot film air mass meter according to any one of claims 1 to 5,
The sensor area (136) is substantially rectangular (138) shaped,
The rectangle (138) has two sides (140, 142) arranged perpendicular to the main flow direction (122),
The hot film, wherein the at least one additional heating element (154, 156) extends substantially parallel to the side (154, 156) arranged perpendicular to the main flow direction (122) Air mass meter.
少なくとも1つの第1付加的加熱素子(154)と少なくとも1つの第1付加的温度センサ(158)が主通流方向(122)を基準にしてセンサ領域(136)の上流側に配置されており、
少なくとも1つの第2付加的加熱素子(156)と少なくとも1つの第2付加的温度センサ(160)が主通流方向(122)を基準にしてセンサ領域(136)の下流側に配置されている、ホットフィルム空気質量計。 In the hot film air mass meter according to any one of claims 1 to 6,
At least one first additional heating element (154) and at least one first additional temperature sensor (158) are arranged upstream of the sensor area (136) relative to the main flow direction (122). ,
At least one second additional heating element (156) and at least one second additional temperature sensor (160) are disposed downstream of the sensor region (136) relative to the main flow direction (122). , Hot film air mass meter.
ホットフィルム空気質量計は主通流方向(122)に対して垂直に配置された対称軸(166)を有し、
付加的加熱素子(154,156)と付加的温度センサ(158,160)はそれぞれペアで、対称軸(166)を基準にして対称に配置されている、ホットフィルム空気質量計。 In the hot film air mass meter according to any one of claims 1 to 7,
The hot film air mass meter has an axis of symmetry (166) arranged perpendicular to the main flow direction (122),
The hot film air mass meter, wherein the additional heating element (154, 156) and the additional temperature sensor (158, 160) are each paired and arranged symmetrically with respect to the axis of symmetry (166).
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