JP2009520180A - 流量センサ素子および流量センサ素子の自浄作用 - Google Patents

Abstract

本発明は、温度測定素子および加熱素子が支持体素子上に配置されている流量センサ素子の自浄方法に関し、この方法において、温度測定素子はセラミック性の基底上に温度測定用の白金薄膜抵抗を有し、温度測定用の白金薄膜抵抗が付加的な白金薄膜抵抗により加熱される。

Description

本発明は、層抵抗、殊に白金薄膜抵抗を基礎とする温度センサおよび白金薄膜抵抗を基礎とする熱出力センサを有する流量センサ素子に関する。有利には温度センサおよび熱出力センサは支持体素子上に配置されている。温度センサおよび熱出力センサの電気的な接触のための電気的な導体路および端子面をセラミック基板上に配置することは有利であることが実証されている。さらに本発明は、その種の流量センサ素子の製造および用途に関する。

この種の流量センサ素子はEP 1 065476 A1から公知である。この刊行物には熱的な空気流量センサが開示されており、この空気流量センサでは加熱抵抗および抵抗温度測定素子を有するセンサ素子がセラミックフィルムボディの切り欠き内に埋め込まれて配置されており、またセラミックセメントにより固定されている。センサ素子とセラミックラミネートとの接着結合もしくはセラミックラミネート内に埋め込まれたセンサ素子の配置構成に基づき、センサ素子は測定媒体の温度が変化した際に顕著な応答慣性を示す。電気的なコンタクトは流れ領域においてエポキシ樹脂によって覆われているので、装置を３００℃以上の温度において使用することはできない。さらに装置はコストが掛かり、したがって高価である。

DE 102 25 602.0には１０〜１００μｍの総厚を有する温度センサが開示されており、この温度センサは絶縁性コーティングが施された金属性のフィルム基板を有し、このフィルム基板上には白金薄膜抵抗が感温素子として配置されている。温度センサは半導体モジュールのための冷却ボディの領域に使用されている。

DE 195 06 231 A1には、温度センサおよび熱出力センサを備えたホットフィルム式アネモメータが開示されている。熱出力センサはブリッジ状にプラスチック支持プレートの切り欠き内に配置されている。温度センサおよび熱出力センサのための白金温度薄膜素子は、有利には酸化アルミニウムから形成されているセラミック基板上に配置されている。

DE 199 41 420 A1には、ダイアフラムとしての絶縁層を有する金属基板上の温度測定のためのセンサ素子が開示されている。ダイアフラムは金属基板における切り欠きに架橋されている。白金薄膜フィルムはダイアフラム上の切り欠きの領域内に配置されている。

DE 101 24 964 A1には、旗の形で構成されている支持体ダイアフラムを用いて気体または液体の流速を測定するためのセンサが開示されている。支持体ダイアフラムは有利にはプラスチックから形成されており、また白金からなる導体路および給電線を有する。プラスチックからなる支持体ダイアフラムを有するその種のセンサは３００℃以上の温度では使用することができない。

EP 1 431 718には、高温の気体または液体の媒体の質量流量を測定するための高速応答型の流量センサ素子が開示されている。このために温度測定素子および加熱素子は絶縁性コーティングが施された金属性の支持体フィルムをそれぞれ有し、この支持体フィルム上には白金薄膜抵抗が配置されている。汚れが生じると測定値はドリフトする。

本発明の課題は、大量生産に適している、排ガス再循環部内の流量センサを提供すること、有利にはさらにドリフトを抑制すること、殊に相応の流量センサ素子を自浄すること、もしくは例えば排ガスのような激しい汚れに曝される流量センサ素子の機能を安定に保つことである。

この課題は、独立請求項に記載されている特徴により解決される。

従属請求項には有利な実施形態が記載されている。

本発明の重要な態様は熱伝体を用いた強熱による温度測定素子の自浄作用である。殊に、この熱伝体は温度測定素子のチップに集積されている。有利な実施形態においては、少なくとも２つの白金薄膜抵抗がセラミック性の支持小プレート上に配置されている。これにより、汚れを加熱または強熱するために温度測定素子を熱することができる。

殊に、温度測定素子の２つの抵抗がセラミック性の基底部に配置されており、有利には中空でない小セラミックプレートに配置されている。

複数部分からなるセラミックコンポーネントとして流量センサ素子が構成されている場合には、温度測定素子の有利な自浄作用の他に、温度測定素子を清浄するための外部作用も実現する。外部の影響による清浄の例は、流量センサ素子の内部の照射、化学的な処理および熱伝達ならびにそれらの組み合わせである。複数部分からなるセラミックコンポーネントのセラミック構成要素として、有利には既にラミネートとして統合されている支持体部材の他に、温度測定素子および加熱素子も考慮される。殊に有利には、支持体部材がカバーとして構成されているか、中空部の側面もしくは表面、殊にその前面として構成されている。セラミック性の支持体の代わりに、抵抗を代替的な支持体におけるセラミック性の基底部に配置することもできる。

温度測定素子が、２つの長い縁と２つの短い縁を備えた矩形のセラミック性の支持小プレートを有し、このセラミック性の支持小プレートがセラミックフィルムラミネートのセラミックフィルム間またはセラミックコンポーネントの少なくとも２つの部材間の短い縁のうちの一方の領域に配置されている場合には有利である。

同様に少なくとも１つの加熱素子が、２つの長い縁と２つの短い縁を備えた矩形のセラミック性の支持小プレートを有し、このセラミック性の支持小プレートがセラミックフィルムラミネートのセラミックフィルム間またはセラミックコンポーネントの少なくとも２つの部材間の短い縁のうちの一方の領域に配置されている場合には有利である。

殊に有利には、温度測定素子または少なくとも１つの加熱素子が、２つの長い縁および２つの短い縁を備えた矩形のセラミック性の支持小プレートを有し、このセラミック性の支持小プレートはカバーまたは中空部正面の開口部内に配置されている。

白金薄膜抵抗は有利には、支持小プレートのセラミックフィルムラミネート側またはセラミックコンポーネント側とは反対側の端部に配置され、熱的に不活性のセラミックフィルムラミネートまたは熱的に不活性のセラミックコンポーネントによる白金薄膜抵抗の熱的な影響が可能な限り少ないことが保証される。

温度測定素子と加熱素子との相互的な影響を抑制するために、有利には、加熱素子の白金薄膜抵抗が温度測定素子の白金薄膜抵抗よりもセラミックラミネートまたはセラミックコンポーネントから距離を置いて配置されている。これによって、加熱素子の白金薄膜抵抗は温度測定素子の白金薄膜抵抗とは異なる測定媒体の流れに配置されている。

本発明によれば殊に有利にはアネモメータ式の測定装置も提供され、この測定装置においてはカバーまたは中空部内の層抵抗がカバーまたは中空部の１つまたは複数の開口部内に固定されており、２つの抵抗は１〜３オーダ異なる。

１〜３オーダ大きい抵抗は温度測定抵抗として適しており、また以下では温度測定抵抗と称する。温度測定抵抗に比べて１〜３オーダ小さい抵抗は加熱に適している。この加熱抵抗に関して本発明の範囲においては種々の機能が区別される：
１．温度センサの構成部材としての温度センサの自浄作用のための加熱抵抗。
２．アネモメータ式の原理に従い質量流量を求めるための熱出力センサとしての加熱抵抗。

２つの熱伝体を備えた熱出力センサにより質量体の流れ方向を検出することができる。付加的な温度測定抵抗を備えた熱出力センサは熱出力センサの温度を正確に調整することができる。本発明は専ら、厚い層または薄い層として実施されている層抵抗、有利には白金からなる層抵抗、殊に白金薄膜として実施されている層抵抗に関する。層抵抗は支持体材料上、殊にセラミック性の基底上に配置されている。セラミック性の基底を支持体として実施することができるか、例えば金属小プレートのような支持体上に配置することができる。慣用的に、支持体材料上に取り付けられている層抵抗も層抵抗と称するので、狭義においてはこれらの層抵抗間において支持体材料を含む純粋な抵抗層と層抵抗は表現上区別されない。カバーまたは中空部の開口部内に挿入されている層抵抗は支持体材料を含有し、この支持体材料上に薄いカバー層が抵抗層として配置されている。

有利な実施形態においては、狭義において層抵抗がセラミック性の基底上に配置されている。広義において異なる層抵抗を相互に並べてカバーまたは中空部の開口部内に配置することができるが、別個にそれぞれ１つの開口部内に配置することもできる。有利には、熱出力センサおよび温度センサは相互に距離を置いている。熱出力センサの２つの熱伝体は有利には、これら２つの熱伝体が流れ方向において順番に並ぶように並んで配置されている。有利には、熱出力センサが共通の基底上の２つの熱伝体により実施されているか、並んで配置されている２つの同一のチップにより実施されている。

カバーまたは中空部の開口部は好適にはスリットまたは孔である。

カバーは管を密に封入するために設けられている。カバーが金属から構成されている場合には、カバーを金属管に溶接して固定することができる。広義の意味において層抵抗はカバーの１つまたは複数の開口部を介して案内され、この１つまたは複数の開口部においてカバーに固定される。中空部は層抵抗の端子を収容するために使用され、その反応性の部分は１つまたは複数の開口部を介して中空部から突出している。

本発明の重要な態様は、カバー層または薄膜層内に形成された抵抗が、大量生産で排ガスチャネル内に容易に取り付け可能なセンサ素子に集積されることである。層抵抗をカバーまたは中空部に挿入するという本発明の解決手段により、カバーまたは中空部の簡単なシーリングが抵抗の支持体材料に関しても、排ガスチャネルの材料に関しても達成される。

本発明によれば、層抵抗をカバーまたは中空部の底面に対して垂直に設けることが達成される。これにより、プレートに対して並列に延びる配置に比べて生産技術的な利点が得られる。本発明は垂直な実施形態に限定されるものではなく、カバーないし中空部の表面に対する任意の角度も達成できる。本発明の重要な利点として、本発明によれば角度の垂直成分を実現することができる。したがって本発明の利点は６０〜９０度、殊に８０〜９０度の角度において生じる。

有利な実施形態においては、
・中空部は一方の側において開かれており、殊に一方の側が閉じられた管として形成されている；
・カバーは板として形成されている；
・少なくとも２つの層抵抗を収容するための開口部の底面は、カバー底面または相応の中空部底面に比べて少なくとも１オーダ小さい；
・カバーまたは中空部は層抵抗を収容するための２つの開口部を有する；
・カバーはセラミック材料から形成されている；
・セラミック性の支持体材料上に保持されている層抵抗はセラミック性のカバー、殊にセラミック性の板の開口部内にガラスはんだにより固定されている；
・セラミック性の基板上に取り付けられている層抵抗は金属カバーまたは中空部、殊に金属管上に溶接されている金属板の少なくとも１つの開口部内に注型材料またはガラスにより固定されている；
・温度測定素子の２つの抵抗は１つの面内にある；
・小さい抵抗（ヒータ２ｄ）は大きい抵抗（２ａ温度測定のためのもの）を包囲する。

本発明による測定装置は流量センサまたは煤センサに適している。

流量センサ素子は層抵抗を用いてアネモメータの原理により動作する。本発明によれば、温度センサにはアネモメータ式の測定装置の一部として熱伝体が設けられている。これによって熱伝体を用いた強熱による温度センサの自浄作用が実現される。有利には、アネモメータ式の測定装置においては温度センサと、温度センサのヒータとは区別される熱出力センサとは分離され、有利には間隔をあけ、殊にカバーまたは中空部の別個の開口部内に挿入されている。温度センサはヒータに比べて著しく高い、典型的には１〜３オーダ高い抵抗を有する。

熱出力センサ上に必要に応じて配置されている温度測定抵抗は温度センサとは区別することができる。温度測定抵抗により熱伝体の温度を非常に正確に調整することができる。既製の温度測定抵抗は温度センサとは異なり液体温度の測定は予定されていない。何故ならば、温度測定抵抗は熱出力センサの動作中にはその温度制御にしか適していないからである。

有利には、白金薄膜抵抗の支持体は薄い小プレートとして構成されているので、系の非常に低い熱的な不活性、したがって白金薄膜抵抗の高い応答速度が得られる。セラミック結合体を形成するために焼結されたセラミックフィルムを使用することができ、このセラミックフィルムが有利にはガラスはんだを用いて接着される。流量センサ素子を構成するために使用される材料を殊に−４０℃〜８００℃の温度領域において使用することができる。

殊に有利には、セラミック性の支持小プレートが１００μｍ〜６５０μｍ、殊に１５０μｍ〜４００μｍの範囲の厚さを有する。セラミック性の支持小プレートのための材料としては、殊に少なくとも９６重量％、有利には９９重量％以上のＡｌ₂Ｏ₃が有利である。

有利には、白金薄膜抵抗に関して、これらがそれぞれ０．５μｍ〜２μｍ、殊に０．８μｍ〜１．４μｍの範囲の厚さ有する。加熱抵抗は有利には１〜５０Ωを有し、また構成部材を小さくした場合にはより小さい値になる。構成部材の現行の寸法では５〜２０Ωが有利である。温度測定抵抗は有利には５０〜１０，０００Ωを有し、また構成部材を小さくした場合には同様により小さい値になる。構成部材の現行の寸法では１００〜２，０００Ωが有利である。温度チップ上では温度測定抵抗は加熱抵抗よりも数倍大きい。殊に、これらの抵抗は１〜２オーダ異なる。

白金薄膜抵抗を質量媒体による腐食性の攻撃から保護するために、有利にはこの白金薄膜抵抗がそれぞれパッシベーション層によって覆われている。パッシベーション層は有利には１０μｍ〜３０μｍ、殊に１５μｍ〜２０μｍの範囲の厚さを有する。殊に有利には、パッシベーション層が少なくとも２つの異なる単一層、殊にＡｌ₂Ｏ₃およびガラスセラミックからなる単一層から構成されている。薄膜技術は０．５μｍ〜５μｍ、殊に１μｍ〜３μｍのＡｌ₂Ｏ₃層の有利な層厚の調整に適している。

白金薄膜抵抗は有利には、支持小プレートのカバー側または中空部側とは反対側の端部に配置され、熱的に不活性のカバーまたは中空部による白金薄膜抵抗の熱的な影響が可能な限り少ないことが保証される。

温度測定素子と加熱素子との相互的な影響を抑制するために、有利には、加熱素子の白金薄膜抵抗が温度測定素子の白金薄膜抵抗よりもカバーまたは中空部から距離を置いて配置されている。これによって、加熱素子の白金薄膜抵抗は温度測定素子の白金薄膜抵抗とは異なる測定媒体の流れに配置されている。

温度測定素子の有利な配置は流れ方向において加熱素子の上流側である。

有利には、加熱素子および温度測定素子の支持小プレートが相互に間隔を置いて配置されており、殊に相互に平行に配置されている。

殊に有利には、流れ方向が変化する媒体を測定するために、２つの加熱素子と１つの温度測定素子が一列に配置されている。

有利には、加熱素子の支持小プレートと温度測定素子の支持小プレートとがカバーまたは中空部内において相互に間隔を置いて、また相互に平行に配置されている。

本発明による流量センサ素子により、殊に支持小プレートが媒体の流れ方向内に配置されている場合には、管路内の気体または液体の媒体の質量流量測定が実現される。

有利には、加熱素子および温度測定素子の支持小プレートが相互に間隔を置いて配置されており、殊に同一のセラミックフィルム間またはセラミックコンポーネントの部分間において一列に配置されている。

有利には、セラミックフィルムラミネートが２つのセラミックフィルムから形成されているか、セラミックコンポーネントが２つのセラミック管から形成されており、この２つのセラミック管の内壁の断面はそれぞれ半月状の輪郭を有する。

殊に有利には、流れ方向が変化する媒体を測定するために、１つの温度測定素子、２つの加熱素子および１つの温度測定素子が一列に配置されている。

さらに有利には、セラミックフィルムラミネートが３つのセラミックフィルムから形成されている。殊に有利には、加熱素子および温度測定素子の小支持体プレートがセラミックフィルムによって相互に間隔を置いて、また相互に平行に配置されている。

有利には、加熱素子が３つのセラミックフィルムのうちの第１のセラミックフィルムと第２のセラミックフィルムとの間に配置されており、温度測定素子が３つのセラミックフィルムのうちの第２のセラミックフィルムと第３のセラミックフィルムとの間に配置されており、加熱素子と温度測定素子はセラミックフィルムラミネートの同じ高さに並んで配置されている。

さらには有利には、加熱素子は３つのセラミックフィルムのうちの第１のセラミックフィルムと第２のセラミックフィルムとの間に配置されており、２つの温度測定素子が３つのセラミックフィルムのうちの第２のセラミックフィルムと第３のセラミックフィルムとの間に配置されており、加熱素子は温度測定素子の間に配置されている。

さらに有利には、セラミックフィルムラミネートが４つのセラミックフィルムから形成されている。

有利には、第１の温度測定素子が４つのセラミックフィルムのうちの第１のセラミックフィルムと第２のセラミックフィルムとの間に配置されており、第２の温度測定素子が４つのセラミックフィルムのうちの第３のセラミックフィルムと第４のセラミックフィルムとの間に配置されており、加熱素子が第２のセラミックフィルムと第３のセラミックフィルムとの間に配置されており、加熱素子および温度測定素子はセラミックフィルムラミネートの同じ高さに並んで配置されている。

さらに有利には、第１の温度測定素子が４つのセラミックフィルムのうちの第１のセラミックフィルムと第２のセラミックフィルムとの間に配置されており、第２の温度測定素子が４つのセラミックフィルムのうちの第３のセラミックフィルムと第４のセラミックフィルムとの間に配置されており、加熱素子が第２のセラミックフィルムと第３のセラミックフィルムとの間に配置されており、温度測定素子がセラミックフィルムラミネートの同じ高さに並んで配置されており、加熱素子が温度測定素子に対してずらされて配置されている。

支持小プレートが媒体の流れ方向に平行に配置されている、管路内を流れる気体または液体の媒体の質量流量を測定するための本発明による流量センサ素子の使用が理想的である。

本発明による流量センサ素子は殊に、例えば内燃機関の排ガスが有しているような−４０℃〜＋８００℃の範囲の温度の気体の媒体の測定に適している。

温度測定素子の加熱による自浄作用は内燃機関、殊にディーゼル機関の排ガス内に配置されているセンサに殊に適している。煤けたセンサは加熱によって、殊に強熱によって迅速に再び完全に機能を回復する。この自浄作用を機関の寿命中に任意に何度も繰り返すことができる。

支持体素子に複数の温度測定素子および加熱素子を配置することにより理想的には、媒体の流れ方向ないし流れ方向の変化も識別することができる。媒体を測定するための本発明による流量センサ素子を流れ方向が変化する時間的な間隔をおいて使用することは有利である。

図１から図１３は、本発明による流量センサ素子を単に例示的に説明するためのものである。したがって、本発明の範囲を逸脱することなく、電気的な導体路および端子面の配置構成ならびに温度測定素子または加熱素子毎の白金薄膜フィルムの数に関して別の数を選択してもよいことを明記しておく。
図１は、２層のセラミックフィルムラミネートと１つの温度測定素子と１つの加熱素子とを備えた流量センサ素子を示す（図１ａの平面図）。
図１ａは図１の流量センサ素子の側面図を示す。
図２は、２層のセラミックフィルムラミネートと２つの温度測定素子と２つの加熱素子とを備えた流量センサ素子を示す（図２ａの平面図）。
図２ａは図２の流量センサ素子の側面図を示す。
図３は、２層のセラミックフィルムラミネートと２つの温度測定素子と１つの二重加熱素子とを備えた流量センサ素子を示す（図３ａの平面図）。
図３ａは図３の流量センサ素子の側面図を示す。
図４は、３層のセラミックフィルムラミネートと２つの温度測定素子と１つの二重加熱素子とを備えた流量センサ素子の平面図を示す。
図５は、３層のセラミックフィルムラミネートと１つの温度測定素子と１つの加熱素子とを備えた流量センサ素子の平面図を示す。
図５ａは図５の流量センサ素子の斜視図を示す。
図６は、３層のセラミックフィルムラミネートと１つの温度測定素子と１つの加熱素子とを備えた流量センサ素子の平面図を示す。
図６ａは図６の流量センサ素子の側面図を示す。
図６ｂは図６ａの流量センサ素子の側面図を示す。
図７は、多層のセラミックフィルムラミネートと２つの温度測定素子と１つの二重加熱素子とを備えた流量センサ素子の平面図を示す。
図８は、多層のセラミックフィルムラミネートと２つの温度測定素子と１つの二重加熱素子とを備えた流量センサ素子の平面図を示す。
図９は、複数部分からなるセラミックコンポーネントと１つの温度測定素子と１つの加熱素子とを備えた流量センサ素子の線分Ａ−Ａ’での断面図を示す（図９ａを参照されたい）。
図９ａは、図９の流量センサ素子の側面図を示す。
図１０ａは、金属板内に配置されている加熱測定素子および温度測定素子を備えた流量センサ素子を示す。
図１０ｂは、セラミック板内に配置されている加熱測定素子および温度測定素子を備えた流量センサ素子を示す。
図１１ａは、セラミック板内の層抵抗の配置に関する図１または図２の一部を示す。
図１１ｂは、図３ａの一部の平面図を示す。
図１２は、流量方向を識別するアネモメータ式の流量センサ素子を示す。
図１３は、熱的に分離された２つのヒータを備えた流量センサ素子を示す。

図１は、Ａｌ₂Ｏ₃からなる第１のセラミックフィルム１ａとＡｌ₂Ｏ₃からなる第２のセラミックフィルム１ｂとから形成されているセラミックフィルムラミネート１を有する流量センサ素子を示す。第１のセラミックフィルム１ａと第２のセラミックフィルム１ｂとの間に温度測定素子２および加熱素子３が部分的に埋め込まれており、また電気的に接触している。ホットフィルム式アネモメータの原理に従い質量流量の測定が実現される。加熱素子３は電気的な制御回路（制御回路内のブリッジ回路および増幅器）によって一定の温度（例えば４５０℃）または温度測定素子２との一定の温度差（例えば１００Ｋ）に維持される。媒体の質量流量の変化は加熱素子３の消費電力の変化を惹起し、この変化が電子的に評価され、また流量に直接的に関連付けられる。

図１ａは図１の流量センサ素子の側面図を示す。温度測定素子２および加熱素子３は電気的な導体路４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，５ａ，５ｂを介して端子面４ａ’，４ｂ’，４ｃ’，４ｄ’，５ａ’，５ｂ’と電気的に接触していることが分かる。電気的な導体路４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，５ａ，５ｂは第１のセラミックフィルム１ａ上に配置されており、部分的に第２のセラミックフィルム１ｂによって覆われている。したがってそれらの位置は部分的に破線によって示唆されている。温度測定素子２はＡｌ₂Ｏ₃からなる単一層から構成されている支持小プレート２ｃを有する。温度測定のための白金薄膜素子２ａおよび加熱のための白金薄膜素子２ｄおよび電気的な端子線路２ｂは、電気的に絶縁されたコーティングも含めて支持小プレート２ｃの裏面に配置されており、したがってそれらの位置は破線によって示されている。加熱素子３はＡｌ₂Ｏ₃からなる単一層から構成されている支持小プレート３ｃを有する。ヒータとしての白金薄膜素子３ａおよびその電気的な端子線路３ｂは支持体フィルム３ｃの裏面に配置されており、したがってそれらの位置は破線によって示されている。

セラミックフィルム１ａ，１ｂは領域６において直接的に相互に焼結されることによって、またはガラスはんだを介して接続されている。端子面４ａ’，４ｂ’，４ｃ’，４ｄ’，５ａ’，５ｂ’は第２のセラミックフィルム１ｂによって覆われておらず、したがって図示されていない電気的な端子ケーブルと接続することができる。

図２は、Ａｌ₂Ｏ₃からなる第１のセラミックフィルム１ａとＡｌ₂Ｏ₃からなる第２のセラミックフィルム１ｂとから形成されているセラミックフィルムラミネート１を有する流量センサ素子を示す。第１のセラミックフィルム１ａと第２のセラミックフィルム１ｂとの間に２つの温度測定素子２，８および２つの加熱素子３，７が部分的に埋め込まれており、また電気的に接触している。

ここでもまた、図１について既に説明したように、ホットフィルム式のアネモメータの原理に従い測定が実現される。しかしながら複数の加熱素子３，７および温度測定素子２，８により、それぞれ１つの加熱素子とそれぞれ１つの温度測定素子のためのそれぞれ１つの電気的な制御回路（２および３ないし７および８）を形成および利用することができる。この流量センサ素子により媒体の流れ方向を識別することができる。何故ならば、流れ方向において最初に配置されている加熱素子から後続の加熱素子への熱エネルギの伝達が行われるからである。温度変化ないし後続の加熱素子が熱せられることにより、この加熱素子の消費電力が比較的低くなり、このことを媒体の流れ方向の関する信号として評価することができる。

図２ａは図２の流量センサ素子の側面図を示す。温度測定素子２，８および加熱素子３，７は電気的な導体路４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，５ａ，５ｂ，９ａ，９ｂ，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄを介して端子面４ａ’，４ｂ’，４ｃ’，４ｄ’，５ａ’，５ｂ’，９ａ’，９ｂ’，１０ａ’，１０ｂ’，１０ｃ’，１０ｄ’と電気的に接触していることが分かる。電気的な導体路４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，５ａ，５ｂ，９ａ，９ｂ，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ、１０ｄは第１のセラミックフィルム１ａ上に配置されており、部分的に第２のセラミックフィルム１ｂによって覆われている。したがってそれらの位置は部分的に破線によって示唆されている。温度測定素子２はＡｌ₂Ｏ₃およびＳｉＯ₂からなる２つの単一層から構成されている支持小プレート２ｃを有する。温度測定のための白金薄膜素子２ａおよび強熱のための白金薄膜素子２ｄおよび電気的な端子線路２ｂは、支持小プレート２ｃの裏面に配置されており、したがってそれらの位置は破線によって示されている。加熱素子３はＡｌ₂Ｏ₃およびＳｉＯ₂からなる２つの単一層から構成されている支持小プレート３ｃを有する。ヒータとしての白金薄膜素子３ａおよびその電気的な端子線路３ｂは支持小プレート３ｃの裏面に配置されており、したがってそれらの位置は破線によって示されている。加熱素子７はＡｌ₂Ｏ₃およびＳｉＯ₂からなる２つの単一層から構成されている支持小プレート７ｃを有する。ヒータとしての白金薄膜素子７ａおよびその電気的な端子線路７ｂは支持小プレート７ｃの裏面に配置されており、したがってそれらの位置は破線によって示されている。温度測定素子８はＡｌ₂Ｏ₃およびＳｉＯ₂からなる２つの単一層から構成されている支持小プレート８ｃを有する。温度測定のための白金薄膜素子８ｄおよび加熱のための白金薄膜素子８ａおよび電気的な端子線路８ｂは、支持小プレート８ｃの裏面に配置されており、したがってそれらの位置は破線によって示されている。セラミックフィルム１ａ，１ｂは領域６において直接的に相互に焼結されることによって、またはガラスはんだを介して接続されている。端子面４ａ’，４ｂ’，４ｃ’，４ｄ’，５ａ’，５ｂ’，９ａ’、９ｂ’，１０ａ’，１０ｂ’，１０ｃ’，１０ｄ’は第２のセラミックフィルム１ｂによって覆われておらず、したがって図示されていない電気的な端子ケーブルと接続することができる。

図３は、Ａｌ₂Ｏ₃からなる第１のセラミックフィルム１ａとＡｌ₂Ｏ₃からなる第２のセラミックフィルム１ｂとから形成されているセラミックフィルムラミネート１を有する流量センサ素子を示す。第１のセラミックフィルム１ａと第２のセラミックフィルム１ｂとの間に２つの温度測定素子２，８および１つの二重加熱素子１１，１１’が部分的に埋め込まれており、また電気的に接触している。ここで二重加熱素子とは、電気的に別個に制御できる２つの加熱素子が共通の支持小プレート上に実現されているものと解される。この流量センサ素子によっても媒体の流れ方向を識別することができる。

図３ａは図３の流量センサ素子の側面図を示す。温度測定素子２，８および二重加熱素子１１，１１’は電気的な導体路４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，５ａ，５ｂ，９ａ，９ｂ，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄを介して端子面４ａ’，４ｂ’，４ｃ’，４ｄ’，５ａ’，５ｂ’，９ａ’，９ｂ’，１０ａ’，１０ｂ’，１０ｃ’，１０ｄ’と電気的に接触していることが分かる。電気的な導体路４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，５ａ，５ｂ，９ａ，９ｂ，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄは第１のセラミックフィルム１ａ上に配置されており、部分的に第２のセラミックフィルム１ｂによって覆われている。したがってそれらの位置は部分的に破線によって示唆されている。温度測定素子２はＡｌ₂Ｏ₃からなる単一層から構成されている支持小プレート２ｃを有する。温度測定のための白金薄膜素子２ａおよび加熱のための白金薄膜素子２ｄおよび電気的な端子線路２ｂは、電気的に絶縁されたコーティングも含めて支持小プレート２ｃの裏面に配置されており、したがってそれらの位置は破線によって示されている。二重加熱素子１１，１１’はＡｌ₂Ｏ₃およびＳｉＯ₂からなる２つの単一層から構成されている支持小プレート１１ｃを有する。ヒータとしての白金薄膜素子１１ａ，１１ｂおよびその電気的な端子線路１１ｂ，１１ｂ’は、電気的に絶縁されたコーティングも含めて支持小プレート１１ｃの裏面に配置されており、したがってそれらの位置は破線によって示されている。温度測定素子８はＡｌ₂Ｏ₃およびＳｉＯ₂からなる２つの単一層から構成されている支持小プレート８ｃを有する。温度測定のための白金薄膜素子８ｄおよび加熱のための白金薄膜素子８ａおよび電気的な端子線路８ｂは、支持小プレート８ｃの裏面に配置されており、したがってそれらの位置は破線によって示されている。

セラミックフィルム１ａ，１ｂは領域６において直接的に相互に焼結されるか、ガラスはんだを用いて接続される。端子面４ａ’，４ｂ’，４ｃ’，４ｄ’，５ａ’，５ｂ’，９ａ’、９ｂ’，１０ａ’，１０ｂ’，１０ｃ’，１０ｄ’は第２のセラミックフィルム１ｂによって覆われておらず、したがって図示されていない電気的な端子ケーブルと接続することができる。

図４は、Ａｌ₂Ｏ₃からなる第１のセラミックフィルム１ａ、第２のセラミックフィルム１ｂおよび第３のセラミックフィルム１ｃから形成されているセラミックフィルムラミネート１を有する流量センサ素子を示す。第１のセラミックフィルム１ａと第２のセラミックフィルム１ｂとの間に２つの温度測定素子２，２’が部分的に埋め込まれており、また電気的に接触している。第２のセラミックフィルム１ｂと第３のセラミックフィルム１ｃとの間に二重加熱素子１１，１１’が部分的に埋め込まれており、また電気的に接触している。

図５，５ａおよび図６は、Ａｌ₂Ｏ₃からなる第１のセラミックフィルム１ａ、第２のセラミックフィルム１ｂおよび第３のセラミックフィルム１ｃから形成されているセラミックフィルムラミネート１を有する流量センサ素子をそれぞれ示す。第１のセラミックフィルム１ａと第２のセラミックフィルム１ｂとの間に温度測定素子２が部分的に埋め込まれており、また電気的に接触している。第２のセラミックフィルム１ｂと第３のセラミックフィルム１ｃとの間に加熱素子３が部分的に埋め込まれており、また電気的に接触している。これらの流量センサ素子では媒体の流れ方向を識別することはできない。

図６ａは図６の流量センサ素子の側面図を示す。温度測定素子２および加熱素子３は電気的な導体路４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，５ａ，５ｂを介して端子面４ａ’，４ｂ’，４ｃ’，４ｄ’，５ａ’，５ｂ’と電気的に接触していることが分かる。電気的な導体路５ａ，５ｂは第１のセラミックフィルム１ａ上に配置されており、部分的に第２のセラミック１ｂによって覆われている。したがってそれらの位置は部分的に破線によって示唆されている。電気的な導体路４ａ，４ｂは第２のセラミックフィルム１ｂ上に配置されており、部分的に第３のセラミック１ｃによって覆われている。したがってそれらの位置は部分的に破線によって示唆されている。温度測定素子２はＡｌ₂Ｏ₃からなる単一層から構成されている支持体フィルム２ｃを有する。温度測定のための白金薄膜素子２ａおよびその電気的な端子線路２ｂは、電気的に絶縁されたコーティングも含めて支持小プレート２ｃの裏面に配置されており、したがってそれらの位置は破線によって示されている。有利な実施形態においては、支持小プレートに温度測定素子を加熱するための付加的な薄膜素子２ｄが設けられており、この付加的な薄膜素子２ｄは同様に電気的に接触している。加熱素子３はＡｌ₂Ｏ₃からなる単一層から構成されている支持小プレート３ｃを有する。ヒータとしての白金薄膜素子３ａおよびその電気的な端子線路３ｂは支持小プレート３ｃの裏面に配置されており、したがってそれらの位置は破線によって示されている。セラミックフィルム１ａ，１ｂは領域６’において直接的に相互に焼結されることによって、またはガラスはんだを介して接続されている。端子面５ａ’，５ｂ’は第２のセラミックフィルム１ｂによって覆われておらず、したがって図示されていない電気的な端子ケーブルと接続することができる。セラミックフィルム１ｂ，１ｃは領域６において直接的に相互に焼結されることによって、またはガラスはんだを介して接続されている。端子面４ａ’，４ｂ’は第３のセラミックフィルム１ｃによって覆われておらず、したがって図示されていない電気的な端子ケーブルと接続することができる。

図６ｂは図６ａの流量センサ素子の側面図を示し、この流量センサ素子は管１２の側面に取り付けられている。温度測定素子２および加熱素子３の支持体フィルム２ｃ，３ｃは流れ方向に平行に管内に取り付けられている。

図７および図８は、Ａｌ₂Ｏ₃からなる第１のセラミックフィルム１ａ、第２のセラミックフィルム１ｂ、第３のセラミックフィルム１ｃおよび第４のセラミックフィルム１ｄから形成されているセラミックフィルムラミネート１を有する流量センサ素子をそれぞれ示す。第１のセラミックフィルム１ａと第２のセラミックフィルム１ｂとの間に温度測定素子２が部分的に埋め込まれており、また電気的に接触している。第２のセラミックフィルム１ｂと第３のセラミックフィルム１ｃとの間に二重加熱素子１１，１１’が部分的に埋め込まれており、また電気的に接触している。第３のセラミックフィルム１ｃと第４のセラミックフィルム１ｄとの間に別の温度測定素子２’が部分的に埋め込まれており、また電気的に接触している。

図９は、Ａｌ₂Ｏ₃からなり複数部分から構成されているセラミックコンポーネント１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂ、温度測定素子２および加熱素子３を備えた流量センサ素子の線分Ａ−Ａ’での断面図示す（図９ａを参照されたい）。セラミックコンポーネント１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂは２つの中空部１５ａ，１５ｂを有し、これらの中空部１５ａ，１５ｂは温度測定素子２ないし加熱素子３の領域において気密に閉鎖されている。管に取り付けるための接続フランジ１６が設けられている。

図９ａは図９の流量センサ素子の側面図を示す。温度測定素子２および加熱素子３は、ここでは部分的にしか見て取れない電気的な導体路４ａ，４ｂ，５ａ，５ｂを介して端子面４ａ’，４ｂ’，５ａ’，５ｂ’と電気的に接触している。電気的な導体路４ａ，４ｂ，５ａ，５ｂはセラミックプレート１４ａ上に配置されており（この図においては見て取れない）、部分的に第２のセラミックプレート１４ｂによって覆われている。温度測定素子２はＡｌ₂Ｏ₃からなる単一層から構成されている支持小プレート２ｃを有する。温度測定のための白金薄膜素子２ａおよびその電気的な端子線路２ｂは支持体フィルム２ｃの裏面に配置されており、したがってそれらの位置は破線によって示されている。有利な実施形態においては、支持小プレート２ｃが１オーダだけ小さい抵抗を備えた付加的な白金薄膜素子２ｄを有する。加熱または強熱のための所定の抵抗は薄膜素子２ａと同様に付加的な接触部と電気的に接触している。加熱素子３はＡｌ₂Ｏ₃からなる単一層から構成されている支持小プレート３ｃを有する。ヒータとしての白金薄膜素子３ａおよびその電気的な端子線路３ｂは支持小プレート３ｃの裏面に配置されており、したがってそれらの位置は破線によって示されている。セラミックプレート１４ａ，１４ｂは直接的に相互に焼結されることによって、もしくはガラスはんだを介して相互に接続されており、またセラミックコンポーネントについての管シェル１３ａ，１３ｂと接続されている。しかしながら、２つのハーフ管（１３ａ＋１４ａ；１３ｂ＋１４ｂ）を使用することも考えられ、これらのハーフ管においてはセラミックプレート１４ａおよび管シェル１３ａないしセラミックプレート１４ｂおよび管シェル１４ｂはそれぞれ１つの一体的な構成部材に統合されている。端子面４ａ’，４ｂ’，５ａ’，５ｂ’は第２のセラミックプレート１４ｂによって覆われておらず、したがって図示されていない電気的な端子ケーブルと接続することができる。

図１０ａによれば、センサ素子が注型材料またはガラス１１８を用いて、耐熱性且つ排気ガス耐性のある特殊鋼からなる支持板１２１内に固定されている。注型材料室の構造化された内壁によって、例えばねじ山１３０によって、注型材料の良好な噛み合いが達成される。センサ素子を媒体へと案内している支持板１２１の領域は、センサ素子の断面よりも僅かに大きい矩形の輪郭を有する。

これによって、流量センサ素子は媒体が流れる管１０５内に方向付けられて保持され、完全なセンサの内室は媒体に対してシーリングされる。

支持板１２１はケーシング１２４に挿入されており、また円形シーム１２２により密に溶接されている。ケーシング１１１はケーシング管１２４に挿入されて溶接されている。ケーシング１１１内では温度耐性のあるプラスチックまたはセラミックからなる絶縁ボディ１１０がビード１１７によって固定されているリング１０９により保持される。ケーブル出力側ではビード１１６によりエラストマからなるケーブル貫通ブシュが密に固定されている。給電線１０４は貫通ブシュ１１４の孔を介して案内されている。各給電線はクリンプ１２５を介してコンタクトスリーブ１０３と電気的に接続されている。コンタクトスリーブ１０３は絶縁部１１０の下方において拡大部１２６を有し、また絶縁部１１０の上方にコンタクトスリーブの直径よりも大きい面１２７を有し、これによりコンタクトスリーブは軸方向において絶縁部１１０内に固定されている。面１２７には端子ワイヤ１０２が溶接部１１５により電気的に接触される。

媒体が流れる管１０５への完全なセンサの固定は商用のウォームギヤ式ホースクリップ１１３および媒体が流れる管１０５に溶接されているスリットが入った金属薄板フランジ部１１２を介して行われる。

管１０５内の流量センサ素子１０１の方向付けはセンタリングピン１１９を介して行われ、このセンタリングピン１１９はケーシング管１２４に固定されており、また幅広なスリット１２０を介して金属薄板フランジ部１１２内に固定されている。幅広なスリット１２０に比べて幅の狭いスリット１２３が設けられており、この幅の狭いスリット１２３は金属薄板フランジ部１１２をより容易にケーシング管１２４に押し付けることができるようにするためにのみ使用される。つまり適切な角度位置にのみ取り付けることができる。

図２はセラミック支持板１０７を備えた別の実施形態を示し、このセラミック支持板１０７内に流量センサ素子１０１がガラスはんだ１１８により固定されている。支持板１０７は高い温度耐性を有する雲母または黒鉛からなるシーリング１０８と共に折り曲げられた金属性のホルダー１０６内に保持されている。ホルダー１０６は同様にケーシング管１２４に密に溶接されている。

ホットフィルム式のアネモメータの原理に従う流量センサの測定装置としての実施形態においては、加熱素子が熱出力センサとして構成されており、また温度測定素子が温度センサとして構成されており、この温度測定素子は自由に加熱するための熱伝体を有することができる。

図１２によれば、媒体の流れ方向を識別するために２つの熱出力センサ１２８が配置されている。アネモメータ式の測定原理は原則として、温度測定素子が媒体温度を正確に検出するように機能する。１つまたは複数の熱出力センサの１２８の加熱素子は電気的な回路によって温度センサ１２９に対する一定の過剰温度に維持される。測定すべき気体ないし液体の流れは１つまたは複数の熱出力センサの加熱素子を多かれ少なかれ冷却する。

一定の過剰温度を維持するために、電子装置は媒体が流れる際に相応の電流を加熱素子に供給し、これにより正確な測定抵抗に電圧が生じ、この電圧が質量流量を用いて補正および評価される。熱出力センサ１２８を二重に配置することにより媒体の流れ方向を識別することができる。

これに対して図１３によれば、煤センサとしての実施形態として２つの熱出力センサが相互に並列に管ケーシング内に挿入されている。

さらには、２つの熱出力センサ１２８には されたセラミック小プレート１３１がそれぞれ設けられている。

上述の装置においては、熱出力センサは熱分解的な灰化温度を上回る温度、すなわち約５００℃で動作する。第２の熱出力センサは２００℃〜４５０℃比較的低い温度、有利には３００℃〜４００℃の温度領域において動作する。この第２の熱出力センサに煤が堆積すると、この堆積層が熱遮断部として作用し、黒体が増加しているという意味においてＩＲ放射特性の変化をもたらす
このことを第１の熱出力センサについての基準測定において電子的に評価することができる。

２層のセラミックフィルムラミネートと１つの温度測定素子と１つの加熱素子とを備えた流量センサ素子を示す。 図１の流量センサ素子の側面図を示す。 ２層のセラミックフィルムラミネートと２つの温度測定素子と２つの加熱素子とを備えた流量センサ素子を示す。 図２の流量センサ素子の側面図を示す。 ２層のセラミックフィルムラミネートと２つの温度測定素子と１つの二重加熱素子とを備えた流量センサ素子を示す。 図３の流量センサ素子の側面図を示す。 ３層のセラミックフィルムラミネートと２つの温度測定素子と１つの二重加熱素子とを備えた流量センサ素子の平面図を示す。 ３層のセラミックフィルムラミネートと１つの温度測定素子と１つの加熱素子とを備えた流量センサ素子の平面図を示す。 図５の流量センサ素子の斜視図を示す。 ３層のセラミックフィルムラミネートと１つの温度測定素子と１つの加熱素子とを備えた流量センサ素子の平面図を示す。 図６の流量センサ素子の側面図を示す。 図６ａの流量センサ素子の側面図を示す。 多層のセラミックフィルムラミネートと２つの温度測定素子と１つの二重加熱素子とを備えた流量センサ素子の平面図を示す。 多層のセラミックフィルムラミネートと２つの温度測定素子と１つの二重加熱素子とを備えた流量センサ素子の平面図を示す。 複数部分からなるセラミックコンポーネントと１つの温度測定素子と１つの加熱素子とを備えた流量センサ素子の線分Ａ−Ａ’での断面図を示す。 図９の流量センサ素子の側面図を示す。 金属板内に配置されている加熱測定素子および温度測定素子を備えた流量センサ素子を示す。 セラミック板内に配置されている加熱測定素子および温度測定素子を備えた流量センサ素子を示す。 セラミック板内の層抵抗の配置に関する図１または図２の一部を示す。 図３ａの一部の平面図を示す。 流量方向を識別するアネモメータ式の流量センサ素子を示す。 熱的に分離された２つのヒータを備えた流量センサ素子を示す。

Claims (19)

1. １つの温度測定素子および１つの加熱素子が支持体素子上に配置されている、流量センサ素子の自浄方法において、
   前記温度測定素子はセラミック性の基底上に温度測定用の白金薄膜抵抗を有し、該温度測定用の白金薄膜抵抗を付加的な白金薄膜抵抗により加熱することを特徴とする、流量センサ素子の自浄方法。
2. １つの温度測定素子および１つの加熱素子がカバーまたは中空部面の開口部内に固定されている、流量センサ素子の自浄方法において、
   前記温度測定素子はセラミック性の基底上に温度測定用の白金薄膜抵抗を有し、該温度測定用の白金薄膜抵抗を付加的な白金薄膜抵抗により加熱することを特徴とする、流量センサ素子の自浄方法。
3. １つの温度測定素子および１つの加熱素子が支持体素子上に配置されている流量センサ素子において、
   前記温度測定素子はセラミック性の基底上に２つの白金薄膜抵抗を有し、該２つの白金薄膜抵抗の抵抗は数倍異なることを特徴とする、流量センサ素子。
4. １つの温度測定素子および１つの加熱素子がカバーまたは中空部面の開口部内に固定されている流量センサ素子において、
   前記温度測定素子はセラミック性の基底上に２つの白金薄膜抵抗を有し、該２つの白金薄膜抵抗の抵抗は数倍異なることを特徴とする、流量センサ素子。
5. 複数部分からなるセラミックコンポーネントは１つの支持体素子、１つの温度測定素子および１つの加熱素子を有する、請求項３または４記載の流量センサ素子。
6. 前記温度測定素子の２つの抵抗は１つの平面内に配置されている、請求項３から５までのいずれか１項記載の流量センサ素子。
7. 前記温度測定素子の小さい抵抗（ヒータ２ｄ）は前記温度測定素子の大きい抵抗（２ａ温度測定用）を包囲する、請求項３から６までのいずれか１項記載の流量センサ素子。
8. 温度測定素子および加熱素子が１つの支持体素子上に配置される、請求項３記載の流量センサ素子の製造方法において、
   前記支持体素子をセラミックフィルムラミネートから形成することを特徴とする、製造方法。
9. 層抵抗およびカバーまたは中空部からなる流量センサのアネモメータ式の測定装置の製造方法において、
   １〜２オーダ異なる抵抗を有している少なくとも２つの層抵抗を前記カバーまたは前記中空部の開口部に挿入し、該開口部内に固定することを特徴とする、製造方法。
10. 管路（１２）内を流れる気体または液体の媒体の質量流量を測定する、請求項３から８までのいずれか１項記載の流量センサ素子の使用において、
    支持体フィルム（２ｃ，３ｃ，７ｃ，８ｃ，１１ｃ）が前記媒体の流れ方向に対して平行に配置されていることを特徴とする、流量センサ素子の使用。
11. 流量センサの測定装置、例えばアネモメータ式の測定装置において、
    電気的に絶縁された表面および該表面上に配置されている構造化された抵抗層を備えた支持体からなる層抵抗をカバーまたは中空部正面の１つまたは複数の開口部内に有し、前記層抵抗は前記１つまたは複数の開口部内に固定されており、２つの層抵抗は抵抗に関して１〜３オーダ異なることを特徴とする、測定装置。
12. 前記２つの層抵抗は開口部内の共通のセラミック性の基底上に保持される、請求項１１記載の測定装置。
13. セラミック性の基底上にそれぞれ２つの層抵抗が配置されており、２つのセラミック性の基底はそれぞれ１つの開口部内に固定されている、請求項１１または１２記載の測定装置。
14. 前記開口部の底面は前記カバーの底面または正面よりも１〜５オーダ小さい、請求項１１から１３までのいずれか１項記載の測定装置。
15. 前記カバーは板状である、請求項１１から１４までのいずれか１項記載の測定装置。
16. １つの温度センサおよび１つの熱出力センサが支持体素子に挿入されている、例えば請求項１１から１５までのいずれか１項記載の流量センサのアネモメータ式の測定装置において、
    前記温度センサはセラミック性の基底上に白金薄膜抵抗または白金厚膜抵抗としての温度測定抵抗および熱伝体を有することを特徴とする、流量センサのアネモメータ式の測定装置。
17. 前記支持体素子は温度耐性のある無機の材料（２５０℃、例えば＞４００℃の継続使用温度）から構成されている、請求項１６記載の流量センサのアネモメータ式の測定装置。
18. 前記温度測定素子および前記加熱素子は前記支持体素子に対して垂直に配置されている、管路（５）を流れる気体または液体の媒体の質量流量を測定する、請求項１６または１７記載の流量センサのアネモメータ式の測定装置。
19. １つの温度測定素子および１つの加熱素子が支持体素子内に挿入されている、流量センサのアネモメータ式の測定装置の自浄方法において、
    前記温度測定素子はセラミック性の基底上に温度測定用の白金薄膜抵抗を有し、該温度測定用の白金薄膜抵抗を付加的な白金薄膜抵抗により加熱することを特徴とする、流量センサのアネモメータ式の測定装置の自浄方法。

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