JP5546202B2 - マスフローセンサおよびマスフローセンサを備える自動車 - Google Patents

Description

本発明は、マスフローセンサ、とりわけ自動車用のエアマスセンサのためのマスフローセンサに関する。

マスフローセンサは、フローチャネルにおける流体のマスフローを検出するために適している。このようなフローチャネルは、例えば、内燃機関の吸気管とすることができる。マスフローセンサによって検出されたマスフローに基づいて例えば内燃機関の動作を診断することができ、また内燃機関の制御を行うこともできる。このために、実際のマスフローを種々異なる動作条件下においても高い信頼性を以てできるだけ精確に検出することが重要である。

ＤＥ１９７２４６５９Ａ１は、センサ素子を含むマスフローセンサ装置を開示している。このセンサ素子は専用のチップに配置されかつ集積されている。さらに評価エレクトロニクスが開示されており、この評価エレクトロニクスは別個に構成されているが、センサユニットと電気的に結合されている。

ＤＥ１０３１１０３９Ａ１はマスフローセンサ装置を開示しており、このマスフローセンサ装置においては、マスフローセンサのセンサ素子は、エアフローが流入するチャネル内に配置されている。このチャネルは、マスフローセンサとエアフローの粒子との衝突や、マフフローセンサへの汚染物質の付着が阻止されるように構成されている。

ＤＥ１０１３５１４２Ａ１はハウジングボディを備えるマスフローセンサ装置を開示しており、このハウジングボディにマスフローセンサのセンサ素子が配置されている。このハウジングボディは入口領域を有しており、この入口領域から、センサ素子が配置された測定チャネルへと媒体フローが流入する。さらにこのケーシングボディは排出開口を有し、この排出開口から液体粒子および固体粒子が流出し、前記測定チャネルの傍らを通り流れる。

ＤＥ１９７２４６５９Ａ１ ＤＥ１０３１１０３９Ａ１ ＤＥ１０１３５１４２Ａ１

本発明の課題は、とりわけ高い信頼性を以て動作するマスフローセンサおよびマスフローセンサを備える自動車を提供することである。

この課題は独立請求項記載の、センサチップを含むか、またはセンサチップとして構成されているマスフローセンサであって、前記センサチップに少なくとも１つのセンサ加熱素子と少なくとも１つのセンサ素子と評価ユニットとが集積されている形式のマスフローセンサにおいて、前記評価ユニットが以下のように構成されている、すなわち、前記少なくとも１つのセンサ素子によって、流体フローのマスフローと流体フローのフロー方向とを検出し、かつ検出された前記マスフローと検出された前記フロー方向とに基づいて前記少なくとも１つのセンサ加熱素子を駆動制御し、かつ前記少なくとも１つのセンサ加熱素子によって前記マスフローセンサを少なくとも部分的に加熱するように構成されていることを特徴とするマスフローセンサによって解決される。従属請求項には本発明の有利な実施形態が示されている。

本発明は、第１の側面によれば、センサチップを含むかまたはセンサチップとして構成されているマスフローセンサを特徴としており、該マスフローセンサには、少なくとも１つのセンサ加熱素子と少なくとも１つのセンサ素子と評価ユニットとが集積されている。評価ユニットは以下のように構成されている。すなわち、少なくとも１つのセンサ素子によって、流体フローのマスフロー、および／または、流体の流体フローのフロー方向を検出するように構成されている。さらにこの評価ユニットは、以下のように構成されている。すなわち、検出されたマスフローおよび／または検出されたフロー方向に基づいて前記少なくとも１つのセンサ加熱素子を制御し、該少なくとも１つのセンサ加熱素子によってマスフローセンサを少なくとも部分的に加熱するように構成されている。マスフローセンサを加熱することによって、前記少なくとも１つのセンサ素子における凝縮や、例えば評価ユニットなど、マスフローセンサの別の領域における凝縮を低減することができるので、マスフローセンサの信頼性の高い動作を保証することが可能となる。有利にはマスフローセンサはＭＥＭＳマスフローセンサ（Micro-Electiric-Mechanical-System）として構成されており、評価ユニットと少なくとも１つのセンサ素子とが、センサチップとして構成されたマスフローセンサに集積されている。評価ユニットは有利にはセンサチップに集積された構成素子を有しており、有利には固定配線された評価エレクトロニクスとしてセンサチップに集積されており、かつ前記少なくとも１つのセンサ素子と電気的に結合されている。前記少なくとも１つのセンサ加熱素子は、別個に前記センサチップに組み込まれており、評価ユニットによって駆動制御可能に構成されている。有利には、前記少なくとも１つのセンサ加熱素子は、前記センサ素子の構成部材ではない。流体はガスまたは液体として構成することができる。流体はとりわけ空気であり、このマスフローセンサをとりわけエアマスセンサにおいて使用することができる。前記少なくとも１つのセンサ加熱素子は、有利には、マスフローセンサのセンサチップ全体が加熱されるように構成されている。択一的に、センサチップを部分的にのみ加熱すること、例えばセンサ素子の領域のみ加熱することも可能である。有利には、複数のセンサ加熱素子がセンサチップに集積されており、センサチップの特に均等な加熱を保証することができる。評価ユニットをセンサチップの上にて前記少なくとも１つのセンサ素子の周りに分布して配置し、かつ集積することができる。

第１の側面の有利な実施形態では、評価ユニットは以下のように構成されている。すなわち評価ユニットは、検出されたマスフローが所定のマスフロー閾値以下である場合に前記少なくとも１つのセンサ加熱素子を駆動制御するように構成されている。検出されたマスフローがマスフロー閾値を超える場合、有利には前記少なくとも１つのセンサ加熱素子はスイッチオフされる。検出されたマスフローが絶対値的にマフスロー閾値以下であるということは、有利には、流体フローが非常に減少している状態か、あるいはもはや存在しないという状態を表す。

第１の側面の別の有利な実施形態では、評価ユニットは以下のように構成されている。すなわち、検出されたマスフローが所定の第１期間の間所定のマスフロー閾値以下である場合に、前記少なくとも１つのセンサ加熱素子を駆動制御するように構成されている。これによって、検出されたマスフローは短時間だけ絶対値的にマスフロー閾値以下であるわけではない、ということを特に確実に保証することができる。第１の側面の別の有利な実施形態においては、評価ユニットは以下のように構成されている。すなわち評価ユニットは、流体フローの所定の第１方向とは逆向きである流体フローの所定の第２のフロー方向が検出された場合に、前記少なくとも１つのセンサ加熱素子を駆動制御するように構成されている。有利には、検出されたマスフローがマスフロー閾値よりも大きい場合のフロー方向が、流体フローの第１フロー方向に割り当てられており、その一方で、検出されたマスフローが絶対値的にマスフロー閾値以下である場合のフロー方向が、流体フローの第２フロー方向に割り当てられている。これによって、とりわけ加熱された流体が前記第２フロー方向へと流れる場合に、マスフローセンサにおける凝縮が低減される。

第１の側面の別の有利な実施形態においては、評価ユニットは以下のように構成されている。すなわち、流体の所定の第２フロー方向が少なくとも所定の第１期間の間検出される場合に、前記少なくとも１つのセンサ加熱素子を駆動制御するように構成されている。これによって、流体フローは短時間だけ第２フロー方向へと流れているわけではない、ということが特に確実に保証される。

第１の側面の別の有利な実施形態においては、マスフローセンサを前記少なくとも１つのセンサ加熱素子を用いて以下のようにして加熱する。すなわちマスフローセンサを、該マスフローセンサが少なくとも部分的にマスフローの温度よりも高い温度を有するように加熱するのである。このように例えば１０℃から５０℃へ温度上昇させることによって、凝縮を特に確実に阻止することができる。

第１の側面の別の有利な実施形態においては、評価ユニットは前記少なくとも１つのセンサ加熱素子を所定の第２期間の間、駆動制御するように構成されている。これによりマスフローセンサの省エネルギー動作が可能となる。

第１の側面の別の有利な実施形態においては、前記少なくとも１つのセンサ素子は加熱素子を備える少なくとも１つの薄膜を含む。評価ユニットは、各加熱素子および前記少なくとも１つのセンサ加熱素子を、検出されたマスフローおよび／または検出されたフロー方向に基づいて駆動制御するように構成されている。各センサ素子の加熱素子は、マスフローおよび／または流体フローのフロー方向を検出するために必要とされる。前記少なくとも１つのセンサ加熱素子は、有利にはこのためには必要ない。各センサ素子の加熱素子のさらなる駆動制御によって、マスフローの検出および／または流体フローのフロー方向の検出が引き続き可能となる。これによって、前記少なくとも１つのセンサ加熱素子を引き続き駆動制御する必要があるか、または前記少なくとも１つのセンサ加熱素子をスイッチオフしてもよいかを、特に簡単かつ確実に検出することができる。

本発明は、第２の側面によれば、第１の側面による少なくとも１つのマスフローセンサを有する自動車を特徴としている。有利には自動車は内燃機関を有する。ここでは前記少なくとも１つのマスフローセンサは、有利には内燃機関の吸気管に配置されており、かつとりわけ内燃機関の動作中は、この吸気管の中にて流体フローとしてのエアフローにさらされている。ここでは評価ユニットは以下のように構成されている。すなわち評価ユニットは、内燃機関が、先行する内燃機関の動作の後にスイッチオフされる場合に、センサ加熱素子を少なくとも一時的に駆動制御するように構成されている。

フローチャネルにおけるマスフローセンサを示す。

次に、図面を参照しながら本発明の実施例について詳しく説明する。唯一の図面は、フローチャネルにおけるマスフローセンサを示している。

同一の構造または機能を有する構成部材には、いずれの図においても同じ参照符号が付されている。

図面には、マスフローセンサＬＭＭが図示されており、このマスフローセンサは例えば自動車のエアマスセンサに配置することができる。マスフローセンサＬＭＭはフローチャネルＦＣに配置されており、このフローチャネルにて流体フロー、例えばエアフローにさらされている。フローチャネルＦＣは例えば、マスフローセンサ装置の構成部材であるマスフローセンサＬＭＭ、例えばエアマスセンサを備えたハウジングボディの、バイパスチャネルとして構成されている。マスフローセンサ装置は、有利には、自動車の内燃機関の吸気管にあるエアフィルターに対して下流に配置されている。ハウジングボディは通常は以下のように構成されている。すなわち、吸気管内のエアフローの一部を、バイパスチャネルの所定のルートを介して、例えば砂や埃の粒子等の比較的大きな粒子を一緒に運ぶことなくマスフローセンサＬＭＭに供給するように構成されている。このような比較的大きな粒子は、マスフローセンサＬＭＭを破損し、使用不能にしてしまう可能性がある。

フローチャネルＦＣにおける流体フローの所定の第１フロー方向は、図面では矢印を用いて図示されている。流体フローの所定の第２フロー方向は前記第１フロー方向とは逆向きに構成されている。

マスフローセンサＬＭＭは、有利にはＭＥＭＳマスフローセンサとして構成されており、とりわけセンサチップとして構成されている。センサチップの上には評価ユニットＡＵおよびセンサ素子ＳＵが集積されている。さらに、センサチップとして構成されたマスフローセンサの上には、センサ加熱素子ＳＨＵが配置されかつ集積されている。基本的にこのセンサチップの上には、複数のセンサ加熱素子ＳＨＵを集積することも可能である。

センサ素子ＳＵは片持ち梁式の薄膜Ｍを有し、この薄膜は例えば窒化ケイ素層および／または酸化ケイ素層として形成されている。薄膜Ｍはセンサチップの枠内に配置されている。薄膜Ｍは、例えば、窒化ケイ素層および／または酸化ケイ素層によって被覆されているシリコンウェハをエッチングすることによって製造される。薄膜Ｍの上には、第１温度センサＴＳ１および第２温度センサＴＳ２と、加熱素子ＨＵとが配置されている。第１温度センサＴＳ１および第２温度センサＴＳ２は、例えば熱電素子として構成されている。これらの熱電素子はゼーベック効果に基づいてそれぞれ電圧を発生し、この電圧は各温度センサＴＳ１，ＴＳ２によって検出されるそれぞれの温度を表している。基本的に、第１温度センサＴＳ１および第２温度センサＴＳ２は、当業者にはよく知られた別の実施形態、例えば温度依存抵抗などとすることも可能である。加熱素子ＨＵは例えば抵抗素子として構成されており、この抵抗素子は、マスフローセンサＬＭＭの中央の長手軸に沿って薄膜Ｍの上に配置されている。抵抗素子は少なくとも１つの導体路を含み、この少なくとも１つの導体路は、該導体路に流れる電流によって薄膜Ｍを加熱する。有利には、第１温度センサＴＳ１および第２温度センサＴＳ２は薄膜Ｍの表面上に配置されており、この薄膜の表面上には加熱素子ＨＵもまた配置されている。第１温度センサＴＳ１および第２温度センサＴＳ２は、加熱素子ＨＵの両側にて、加熱素子ＨＵの異なる側にそれぞれ配置されている。

評価ユニットＡＵは有利には、センサ素子ＳＵおよびセンサ加熱素子ＳＨＵを駆動制御するための、固定配線されたエレクトロニクスユニットとして構成されている。択一的に評価ユニットＡＵは、センサ素子ＳＵおよびセンサ加熱素子ＳＨＵをプログラム制御によって駆動制御するマイクロコントローラまたはデジタル信号プロセッサを有することもできる。

マスフローセンサＬＭＭは、有利には、フローチャネルＦＣにおいて以下のように配置されている。すなわちマスフローセンサＬＭＭは、センサ素子ＳＵおよび評価ユニットＡＵが配置されたセンサチップの平面が、流体フローのフロー方向に対して実質的に平行に配向されるように、配置されているのである。

有利にはスイッチオン状態の自動車内燃機関に対して、マスフローセンサＬＭＭの第１動作方式が割り当てられており、該第１動作方式が評価ユニットＡＵによって設定される。このマスフローセンサＬＭＭの第１動作方式の間は、流体フローはフローチャネルＦＣにおいて所定の第１フロー方向へと流れる。所定の第１フロー方向の場合、第１温度センサＴＳ１は、薄膜Ｍ上にて加熱素子ＨＵの上流に配置されており、一方で第２温度センサＴＳ２は、加熱素子ＨＵの下流に配置されている。第１動作方式においては、加熱素子ＨＵによって、有利にはマスフローの温度よりも高いある一定の温度が設定される。第１温度センサＴＳ１、および、薄膜Ｍのうち前記第１温度センサＴＳ１に割り当てられている領域は、流体フローによって冷却される。第２温度センサＴＳ２は、流体フローによる加熱素子ＨＵからの熱輸送に基づいて、および／または、薄膜Ｍによる熱伝達に基づいて加熱され、第１温度センサＴＳ１の温度とは異なる温度を有する。各温度センサＴＳ１，ＴＳ２によって検出される各温度は、有利には流体フローのフロー速度に基づいている。第１温度センサＴＳ１によって検出される温度と、第２温度センサＴＳ２によって検出される温度との温度差が、流体フローのフロー速度を表し、ひいてはマスフローを表す。より高い温度を検出する各温度センサＴＳ１，ＴＳ２に基づいて、ひいては検出された温度差の正負符号に基づいて、流体フローのフロー方向を検出することが可能である。

評価ユニットＡＵは、第１温度センサＴＳ１および第２温度センサＴＳ２により検出された各温度に基づいて温度差を検出するように構成されており、かつこの温度差に基づいて、センサチップ上に集積された接続部ＣＯＮＮの出力側にてセンサ信号を供給するように構成されている。このセンサ信号は検出されたマスフローを表している。接続部ＣＯＮＮは、例えばボンドパッドとして構成することができる。さらにこの評価ユニットＡＵは、温度差に基づいて、すなわち例えば温度差の正負符号に基づいて、流体フローのフロー方向を検出するように構成されている。

例えば内燃機関が動作後にスイッチオフされると、フローチャネルＦＣにおける流体フローの所定の第１フロー方向へのフロー速度は減少する。基本的にフロー速度はゼロ値まで減少し得る。それどころか、加熱された内燃機関によって吸気管内の空気も加熱されて浮力が生じ、この浮力が内燃機関の吸気管内の煙突効果を導きうることさえある。これによってフロー方向が反転し、それゆえ流体フローが所定の第２フロー方向へ流れることがある。加熱された、所定の第２フロー方向への流体フローは、空気以外にも例えば油または燃料蒸気ならびにその他の粒子を有することがあり、この粒子は、冷温状態、例えば低温のマスフローセンサＬＭＭにおいて凝縮されてしまうことであろう。これによって自動車の比較的短期間の動作後には、センサ素子ＳＵに割り当てられたセンサチップの表面に油や粒子が被覆されてしまう。このような被覆はマスフローセンサＬＭＭの熱特性を変化させてしまい、ひいてはマスフローの精確な検出を阻害することとなる。

評価ユニットＡＵは、検出されたマスフローに基づいて、マスフローセンサＬＭＭの第２動作方式を設定するように構成されている。第２動作方式は、有利には、検出されたマスフローが、絶対値的に所定のマスフロー閾値以下である場合に設定される。択一的または付加的に、評価ユニットＡＵを、フロー方向に基づいて第２動作方式を設定するように構成することも可能である。この際、評価ユニットＡＵを以下のように構成することができる。すなわち評価ユニットＡＵを、少なくとも所定の第１期間の間（例えば１〜２秒間）、検出されるマスフローがマスフロー閾値以下であった後にはじめて、および／または、流体フローが所定の第２フロー方向へと流れた後にはじめて、第２動作方式を設定するように、構成することができる。

第２動作方式においては、評価ユニットＡＵはさらに以下のように構成されている。すなわち、センサ加熱素子ＳＨＵおよびセンサ素子ＳＵの加熱素子ＨＵを並行して駆動制御するように、ひいてはマスフローセンサＬＭＭ、とりわけ評価ユニットＡＵとセンサ素子ＳＵとを加熱するように構成されている。ここでマスフローセンサＬＭＭは、以下のように加熱される。すなわち、所定の第２フロー方向へ流れる流体フローにおける油または粒子の凝縮の危険性が低減されるように、とりわけ最小化されるように加熱されるのである。有利にはマスフローセンサＬＭＭは、所定の第２フロー方向へと流れる流体フローの温度よりも高い所定の温度まで加熱される。

有利には、評価ユニットＡＵはさらに、マスフローセンサＬＭＭの第２動作方式を所定の第２期間（例えば５〜１０秒間）だけ設定するように構成されている。これにより、自動車が内燃機関がスイッチオフされた状態で比較的長時間駐車されている場合には、マスフローセンサＬＭＭは持続的には動作せず、したがって自動車のバッテリに不要な負荷がかからないことが保証される。

有利には、第２動作方式においてセンサ素子ＳＵの加熱素子ＨＵも駆動制御されるので、マスフローの検出およびフロー方向の検出も引き続き可能である。したがって評価ユニットＡＵによって、より速いフロー速度の発生に基づいて、および／または、第１フロー方向の検出に基づいて、内燃機関の再スイッチオンを検出することができ、再び第１動作方式を設定することができる。有利には、マスフローセンサＬＭＭはデータインターフェースも有することができ、制御装置、例えばエンジン制御装置とデータを交換することができる。択一的または付加的にエンジン制御装置を、自動車の内燃機関の動作状態をマスフローセンサＬＭＭに伝達するように構成することも可能である。

Claims (8)

1. センサチップを含むか、またはセンサチップとして構成されているマスフローセンサ（ＬＭＭ）であって、
   前記センサチップに、少なくとも１つのセンサ加熱素子（ＳＨＵ）と、少なくとも１つのセンサ素子（ＳＵ）と、評価ユニット（ＡＵ）とが集積されている
   形式のマスフローセンサにおいて、
   前記評価ユニット（ＡＵ）が以下のように構成されている、すなわち、
   前記少なくとも１つのセンサ素子（ＳＵ）によって、流体フローのマスフローと流体フローのフロー方向（ＦＤ）とを検出し、かつ
   検出された前記マスフローと検出された前記フロー方向（ＦＤ）とに基づいて、前記少なくとも１つのセンサ加熱素子（ＳＨＵ）を駆動制御し、かつ
   前記少なくとも１つのセンサ加熱素子（ＳＨＵ）によって、前記マスフローセンサ（ＬＭＭ）を少なくとも部分的に加熱する、ように構成されており、
   前記評価ユニット（ＡＵ）は、さらに、流体フローの所定の第１フロー方向とは逆向きである流体フローの所定の第２フロー方向が検出された場合に、前記少なくとも１つのセンサ加熱素子（ＳＨＵ）を駆動制御するように構成されている、
   ことを特徴とするマスフローセンサ（ＬＭＭ）。
2. 前記評価ユニット（ＡＵ）は、前記検出されたマスフローが所定のマスフロー閾値以下である場合に、前記少なくとも１つのセンサ加熱素子（ＳＨＵ）を駆動制御するように構成されている、
   ことを特徴とする請求項１記載のマスフローセンサ（ＬＭＭ）。
3. 前記評価ユニット（ＡＵ）は、前記検出されたマスフローが所定の第１期間の間所定のマスフロー閾値以下である場合に、前記少なくとも１つのセンサ加熱素子（ＳＨＵ）を駆動制御するように構成されている、
   ことを特徴とする請求項２記載のマスフローセンサ（ＬＭＭ）。
4. 前記評価ユニット（ＡＵ）は、前記流体フローの所定の第２フロー方向が少なくとも所定の第１期間の間検出された場合に、前記少なくとも１つのセンサ加熱素子（ＳＨＵ）を駆動制御するように構成されている、
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のマスフローセンサ（ＬＭＭ）。
5. 前記マスフローセンサ（ＬＭＭ）は、前記少なくとも１つのセンサ加熱素子（ＳＨＵ）によって以下のように加熱される、すなわち前記マスフローセンサ（ＬＭＭ）が少なくとも部分的に流体の温度よりも高い温度を有するように加熱される、
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載のマスフローセンサ（ＬＭＭ）。
6. 前記評価ユニット（ＡＵ）は、前記少なくとも１つのセンサ加熱素子（ＳＨＵ）を所定の第２期間の間駆動制御するように構成されている、
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載のマスフローセンサ（ＬＭＭ）。
7. 前記少なくとも１つのセンサ素子（ＳＵ）が、加熱素子（ＨＵ）を備える少なくとも１つの薄膜（Ｍ）を含み、
   前記評価ユニット（ＡＵ）は、前記各加熱素子（ＨＵ）と前記少なくとも１つのセンサ加熱素子（ＳＨＵ）とを、前記検出されたマスフローおよび／または前記検出されたフロー方向（ＦＤ）に基づいて駆動制御するように構成されている、
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載のマスフローセンサ（ＬＭＭ）。
8. 請求項１〜７のいずれか一項記載の少なくとも１つのマスフローセンサ（ＬＭＭ）を備える自動車。

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