JP3967402B2 - 流動媒体の質量測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば内燃機関の吸入空気質量等の流動媒体の質量測定装置であって、プレート状のセンサ素子を有しており、該センサ素子はセンサ支持体の切欠内に設けられ、少なくとも１つの測定抵抗を有するセンサ領域を有し、該センサ領域に流動媒体が質量測定のためにさらされ、前記センサ素子は、実質的に整合されて切欠内に設けられ、前記センサ素子の周囲は上流に向いた側では空隙によって、下流に向いた側では空隙によって切欠の側壁から離間されており、さらに前記センサ素子は前記切欠内で接着剤を用いて当該切欠の底面に支持されている形式の流動媒体の質量測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第４２１９４５４号公報からは、誘電膜を備えたプレート状センサ素子を有し、該センサ素子は接着剤を用いて平面的に、その面の大部分がセンサ支持体の切欠内に接着されている装置が公知である。この場合の切欠内へのセンサ素子の平面的な接着は、切欠内のセンサ素子における特にセンサ素子誘電膜と切欠底面との間の空隙からなる中空室での底流の発生を確実に阻止するためのものである。さもないとこの底流は測定結果に悪影響を及ぼすものとなる。しかしながらこの平面的な接着においては特にセンサ素子の組み付けと接着過程の際に損傷を与える危険性が非常に高い。このような損傷の危険性を低減するために、センサ素子の片側のみを切欠内に接着させ誘電膜を浮動的に支持して切欠内に収容する固定手法が公知である。しかしながらこの種の浮動的支持（片持ち支持）によるセンサ素子の固定手法においても、切欠内のセンサ素子に不所望な底流が発生し、これも装置の測定結果に悪影響を及ぼす。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、前述したような従来装置の欠点に鑑みこれを解消すべく改善を行うことである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題は本発明により、センサ支持体の切欠の底面が溝状のスロットを有しており、前記スロットは、上流に向いた側の空隙と下流に向いた側の空隙に接続されさらに少なくとも部分的にセンサ素子の周縁に沿って、少なくとも１つの測定抵抗を有するセンサ領域外にて延在するように構成されて解決される。
【０００５】
請求項１の特徴部分に記載の本発明による装置によって得られる利点は、センサ素子の損傷の危険性が大幅に低減され、さらにセンサ素子での底流が確実に阻止され高精度な測定結果が得られることである。
【０００６】
本発明の別の有利な実施例は従属請求項に記載される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
次に本発明を図面に基づき詳細に説明する。
【０００８】
図１の断面図に示されたセンサ支持体はプレート状のセンサ素子２に対して設けられるものである。センサ支持体１とセンサ素子２は、例えばここでは詳細には図示されていない内燃機関の吸入空気質量等の流動媒体の質量測定装置の一部である。センサ支持体１はセンサ素子２の収容と支持のために用いられる。センサ素子２は薄膜状のセンサ領域４を有しており、このセンサ領域は例えば薄膜状の誘電膜４で構成されている。センサ素子２ないしは誘電膜４は、シリコンウエハ等の半導体のエッチング処理によって、いわゆるマイクロエレクトロニクス技術による構造形式で製造可能である。誘電膜４上には流動媒体の質量測定のために少なくとも１つの温度依存性の測定抵抗６と、例えば少なくとも１つの加熱抵抗が設けられる。これらの抵抗も例えばエッチング処理によって製造可能である。前記センサ素子２の上には誘電膜４以外にも、１つの基準抵抗が設けられる。測定抵抗６と加熱抵抗、および基準抵抗は、例えば導体路と、ボンディングパッド上に被着される導線１０を用いてここでは図示されていない電子制御回路と電気的に接続される。この電子制御回路は、公知の方式でセンサ素子２上の抵抗の電流供給ないしは電圧供給と、これらの抵抗から送出される電気信号の評価のために用いられる。この制御回路は、例えば装置のケーシング内か又はケーシング外に設けてもよい。誘電膜４は、例えば窒化珪素または酸化シリコンからなる。加熱抵抗は電気的な抵抗膜の形状で構成される。この電気的な抵抗膜は電流の通流によって加熱され、測定すべき媒体の温度よりも上の温度まで加熱される。この加熱抵抗は例えば金属化された又は相応にドーピングされたシリコンから形成されてもよい。測定抵抗と基準抵抗は、例えばその導電性が温度に依存して変化する電気的な抵抗膜からなっていてもよい。これらの抵抗膜に適した材料は、金属か又は相応にドーピングされたシリコンである。
【０００９】
センサ素子２はプレート形状、例えば矩形形状を有し、その最大表面８は図示の平面へ流れ込む媒体に対してほぼ平行に配向される。この場合例えば矩形状のセンサ素子２の短い側が流動方向に延在する。媒体の流動方向は、図２と図４中に相応の矢印９で示され、図面において上方から下方へ向かって延在する。誘電膜４上に被着された加熱抵抗によって誘電膜４はある温度まで加熱される。この温度は流動する媒体の温度よりも高い。流動する媒体から実質的に対流に基づいて導出された加熱抵抗の熱量は、流動媒体の質量に依存する。そのため誘電膜４の温度測定によって流動媒体の質量が検出できる。誘電膜の温度測定は測定抵抗６か又は加熱抵抗の抵抗値の測定によって行うことが可能である。基準抵抗は、誘電膜４外のセンサ素子２が媒体の温度をとることに基づいて流動媒体の温度の影響を補償するのに用いられる。
【００１０】
センサ支持体１は有利には金属からなり、薄い金属条板の折り畳み加工によって製造可能である。この場合、押し抜き、曲げ、折り畳み、深絞り成形、鋳造加工などが適している。折り曲げられた金属条板の最終状態では、２つのほぼ同じ大きさの素子１４が相互に隣接する。以下ではセンサ素子２を取り囲む、曲げられていない素子１４をフレーム素子１４と称し、その下方の曲げられた素子１５を支持素子１５と称する。支持素子１５は、約１８０゜の完全に折り曲げられた状態で、フレーム素子１４と共にセンサ素子２を収容する切欠２０を仕切るために、折り曲げられていないフレーム素子１４の開口部１９を覆っている。このフレーム素子１４ないし切欠２０は、センサ素子２が完全に切欠２０内に収容されるように次のような断面を有している。すなわちセンサ素子２の例えば矩形形状にほぼ相応して流動方向９を横切る方向で測定されるセンサ素子２の厚さｄよりも大きい深さｔを有する断面を有している。この場合センサ素子２は、その表面８とフレーム素子１４の表面がほぼ並ぶように整合されて切欠２０内にもたらされる。金属条板の折り畳みの後で支持素子１５は、該支持素子１５の外面に当接する工具、例えば鋳造工具を用いて変形され得る。それによりフレーム素子１４の切欠２０によって仕切られた支持素子１５の底面２５の部分的変形面が、例えば矩形状のプレート形状の隆起部２６としての形状でフレーム素子１４の切欠２０内へほぼ突出する。フレーム素子１４の開口部１９領域内に形成されたプレート状の隆起部２６は、媒体流動方向に平行する方向で見て、開口部１９と隆起部２６上に載置されるセンサ素子２の断面よりも小さい断面を有しており、これにより中空室５を有する誘電膜４領域が隆起部２６によって覆われる。
【００１１】
本発明によれば、プレート状の隆起部２６と、切欠２０を仕切るように取り囲むフレーム素子１４の側壁２７か又は支持素子１５の側壁２８との間に流動チャネル３０が設けられる。この場合フレーム素子１４の側壁２７の、上流側又は下流側にある部分３３が、相応に上流側又は下流側にある支持素子１５の側壁２８に並んで構成され、流動方向に平行して延在する側壁２７の部分２９は支持素子１５の側壁２８とずれるように構成されてもよい。プレート状の隆起部２６と支持素子１５の側壁２８との間に設けられる流動チャネル３０は、溝状のスロット形状で支持素子１５の底面２５から切削加工される。この流動チャネルは例えば矩形状の断面を有する。しかしながらこの溝状のスロット３０の断面を三角形、半円形等に構成してもよい。この溝状のスロット３０は例えばプレート状隆起部２６の成形加工のもとで自動的に形成される。
【００１２】
図２のセンサ支持体１の平面図に示されているように、流動チャネル３０は、完全に隆起部２６の周りを取り囲むように延在している。図２中破線で示されている流動チャネル３０はこの場合センサ素子２の周縁に沿って延在する。それによりこの流動チャネル３０は、センサ素子２の下方でその側面３２に沿って支持素子１４の方向へフレーム状に延在する。センサ素子２は切欠２０の断面よりもやや小さい断面を有する。これによりセンサ素子２の周辺の側面３２とフレーム素子１４の側壁２７との間でセンサ素子２の周縁に沿ってセンサ素子２の上流側に向いた側に非常に僅かな空隙２３が生じ、センサ素子２の下流側に向いた側にも非常に僅かな空隙２４が生じる。これらの空隙は流動チャネル３０内で移行している。特に流れ９に面した方の空隙２３は、数μｍのオーダーにある空隙幅を有している。特に流れ９に面した空隙２３の僅かな空隙幅に基づいて、高い絞り作用が流れに対して存在する。これにより媒体の非常に僅かな部分のみが空隙２３内を流れる。そのため媒体の大部分が引き続き空隙２３に干渉されることなく流入縁部３４からフレーム素子１４の上方面３７とセンサ素子２の上方面の上を流れる。ごく僅かなだけ空隙２３を介して流動チャネル内へ流れ込む媒体は、本発明によれば空隙２３よりも大きな断面を有する流動チャネル３０を用いて誘電膜４の領域の周りに案内される。その後で媒体は、流れ９とは離れている側の後方の空隙２４から再び切欠２０を離脱する。本発明によるセンサ素子２の縁部における流れの迂回は、次のようなことを回避する。すなわち空隙２３を介して流れる媒体がセンサ素子２の誘電膜４の下方で誘電膜４とプレート状隆起部２６によって仕切られる中空室４内へ達することを回避する。さもないと誘電膜４の下方ないしは中空室５内への流れは、誘電膜４においてその他の流動媒体の質量に依存していない不所望な熱放出を引き起こす。この不所望な熱放出により測定結果に悪影響が生じる。それ故流動チャネル３０を用いることによって切欠２０内のセンサ素子のいわゆる厚膜接着が省かれる。この接着では面状の接着によって誘電膜の底流を回避するためにセンサ素子２の接着面の大部分が切欠２０内で接着される。そのためセンサ素子２は接着領域３９（この領域は誘電膜４までには至らない）内において図１〜図４の左側のプレート状の隆起部２６に接着剤４０を用いて片側のみ接着するだけで十分である。それにより、誘電膜４を含む残りのセンサ素子２領域がプレート状隆起部２６に対して僅かな間隔をあけてほぼ片持ち支持で切欠２０内に支持される。接着剤４０は、隆起部２６への接着過程の際に次のように被着される。すなわち可及的に僅かな接着剤４０で流動チャネル３０に達するように被着される。図２に示されているように、フレーム素子１４は、切欠２０内のセンサ素子２の位置のセンタリングのために、流れ９に対して平行に延在する短いその側壁２７において領域４４を有している。この領域４４は次のように構成されている。すなわち流動チャネル３０の、流れ９に対して平行に延在する部分３１が少なくとも部分的に流れ９に対して平行に延在するフレーム素子１４の側壁２７の領域４４によって覆われるように構成されている。この場合フレーム素子１４の側壁２７のコーナー領域４５は、センサ素子１４の側壁２７の製造を簡単にするために丸みのある形状を有していてもよい。例えば図２の左側に示されている切欠２０のコーナー領域４５は、次のように丸く形成されてもよい。すなわちこの領域が部分的に流動チャネル３０の領域を越えて突出するように形成されてもよい。それにより流動チャネル３０と支持素子１５の底面２５は、部分的にフレーム素子１４によって覆われなくなる。
【００１３】
図３には本発明によるセンサ支持体１の第２実施例が示されている。この第２実施例では、図１と同じ部分や同じ作用をする部分の全てに図１の第１実施例と同じ符号が付されている。図３のセンサ素子２を有するセンサ支持体１の断面図に示されているように、プレート状の唯一つの隆起部２６の代わりに２つのプレート状の隆起部４１,４２を設けることも可能である。これらの隆起部４１,４２は、以下の明細書では第１隆起部４１と第２隆起部４２と称す。２つの隆起部４１,４２は、支持素子１５の底面２５から突出している。この場合図３と図４の右側に示されている第２隆起部４２は、例えば矩形状の形状と次のような表面を有している。すなわちセンサ素子２の組み込まれた状態で誘電膜４を該誘電膜４の下方に存在する中空室５によって完全に覆うための誘電膜４の面よりも大きい表面を有している。本発明によれば、流動チャネル３０は２つの隆起部４１と４２を取り囲むように延在しており、溝状のスロット３０形状で支持素子１５の底面２５から切削加工されている。この流動チャネル３０は、次のように２つの隆起部４１,４２を取り囲んで延在している。すなわち図４による平面図において流動チャネル３０の延在が数字の８を横にしたような形状で形成されるように延在している。この流動チャネル３０は第１実施例と同じように、最初の空隙２３を介して流入媒体を非常に僅かな量だけ誘電膜４の領域周辺に案内するために設けられる。流動チャネル３０は隆起部４１と４２の間にも延在しているため、隆起部４１と４２の間の媒体の一部も流動チャネル３０内に流れ込み、その後で再び後方の空隙２４から離脱する。図１と図２に示された隆起部２６を相互に間隔をおいて設けられた２つの隆起部４１と４２に分割することによって次のような利点が得られる。すなわち前方の空隙２３を介して流動チャネル３０内に流入する媒体が、その後再び後方の空隙２４から流動チャネル３０を離脱するのに対して、誘電膜４の周りで隆起部４１と４２の間の比較的短い経路だけを取り囲むだけでよくなる利点が得られる。これにより誘電膜４ないし中空室５の底流の危険性が低減される。
【００１４】
図３に示されているように、フレーム素子１４は側壁２７を有している。この側壁２７は、少なくとも個々の領域４４,４６において支持素子１５の側壁２８からずらされて構成されており、センサ素子２の周縁近傍で、流動チャネル３０を例えばほぼ半分覆うために突出している。特に領域４４は切欠２０内でセンサ素子２のセンタリングのために用いられ、切欠２０のコーナー領域４５の外部に存する。センサ素子２は、センサ素子２の残りの領域と誘電膜４を片持ち支持するために、つまり切欠２０内で第２の隆起部４２に対して僅かな間隔で維持するために、図３と図４の左側に示されている第１の隆起部４１においてのみ接着剤４０を用いて接着される。この接着過程では可及的に少ない接着剤４０しか流動チャネル３０に至らないことが保証されなければならない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例によるセンサ素子を備えたセンサ支持体の断面図である。
【図２】図１によるセンサ支持体の平面図である。
【図３】本発明の第２実施例によるセンサ素子を備えたセンサ支持体の断面図である。
【図４】図３によるセンサ支持体の平面図である。
【符号の説明】
１ センサ支持体
２ センサ素子
４ 誘電膜（センサ領域）
５ 中空室
６ 測定抵抗
１０ 導線
１４ フレーム素子
１５ 支持素子
２０ 切欠
２５ 底面
２６ 隆起部
３０ 流動チャネル
３９ 接着領域

Claims (9)

1. 例えば内燃機関の吸入空気質量等の流動媒体の質量測定装置であって、
   プレート状のセンサ素子を有しており、該センサ素子はセンサ支持体の切欠内に設けられ、少なくとも１つの測定抵抗を有するセンサ領域を有し、該センサ領域に流動媒体が質量測定のためにさらされ、前記センサ素子は、実質的に整合されて切欠内に設けられ、
   前記センサ素子の周囲は上流に向いた側では空隙（２３）によって、下流に向いた側では空隙（２４）によって切欠（２０）の側壁から離間されており、
   さらに前記センサ素子は前記切欠内で接着剤を用いて当該切欠の底面に支持されている形式のものにおいて、
   センサ支持体（１）の切欠（２０）の底面（２５）が溝状のスロット（３０）を有しており、
   前記スロット（３０）は、上流に向いた側の空隙（２３）と下流に向いた側の空隙（２４）に接続されさらに少なくとも部分的にセンサ素子（２）の周縁に沿って、少なくとも１つの測定抵抗（６）を有するセンサ領域（４）外にて延在していることを特徴とする、流動媒体の質量測定装置。
2. 前記支持体（１）は、１つのフレーム素子（１４）と支持素子（１５）からなる２つの素子からなり、前記２つの素子は相互に重ねられて配設されており、前記フレーム素子（１４）内には開口部（１９）が設けられており、該開口部（１９）は、支持素子（１５）によって覆われており、これによって切欠（２０）が形成され、前記支持素子（１５）の底面（２５）に少なくとも１つのプレート状の隆起部（２６）が設けられており、該隆起部（２６）の周りには溝状のスロット（３０）が延在しており、これによってセンサ素子（２）の測定抵抗（６）を有するセンサ領域（４）が少なくとも部分的に前記スロット（３０）によって取り囲まれる、請求項１記載の流動媒体の質量測定装置。
3. 前記センサ素子（２）は、少なくとも１つの隆起部（２６）に部分的に接着されており、これによって測定抵抗（６）を有するセンサ領域（４）が前記隆起部（２６）に対して間隔をおいて切欠（２０）内に配置され当該センサ領域（４）と隆起部（２６）の間で接着剤なしで設けられる、請求項２記載の流動媒体の質量測定装置。
4. 前記支持素子（１５）の底面（２５）は、２つのプレート状の隆起部（４１,４２）を有し、該隆起部（４１,４２）の周りに溝状のスロット（３０）が延在する、請求項２記載の流動媒体の質量測定装置。
5. 前記隆起部の１つ（４２）がセンサ素子（２）の測定抵抗（６）を有するセンサ領域（４）の領域内に設けられ、該隆起部（４２）は、プレート状のセンサ素子（２）に平行する方向で当該センサ素子（２）の測定抵抗（６）を有するセンサ領域（４）よりも大きい断面を有している、請求項４記載の流動媒体の質量測定装置。
6. 底面（２５）に設けられている溝状の前記スロット（３０）は、プレート状のセンサ素子（２）に平行する方向で三角形又は四角形又は半円形等の断面を有している、請求項１記載の流動媒体の質量測定装置。
7. 前記センサ素子（２）は、少なくとも流れに対向する側に唯１つの非常に僅かな間隙（２３,２４）がセンサ素子（２）と切欠（２０）の壁部（２７）の間に存在するように、切欠（２０）内に設けられている、請求項１記載の流動媒体の質量測定装置。
8. 前記間隙（２３,２４）は、少なくとも数μｍのオーダーを有している、請求項７記載の流動媒体の質量測定装置。
9. 少なくとも１つの測定抵抗（６）を有する前記センサ領域（４）は薄膜状に形成されている、請求項１〜８いずれか１項記載の流動媒体の質量測定装置。

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