JP5631204B2 - ホットフィルム式エアフローメータ及びその製造方法 - Google Patents

Description

背景技術
本発明は、流体媒体、特に、流れ管路を流過する流体媒体の少なくとも１つのパラメータを測定するための公知の装置から出発しており、このような装置は種々様々な技術分野において公知である。例えば方法技術、又は化学、又は機械の分野における多くのプロセスでは、流体媒体を規定の通り、特に所定の特性（例えば温度、圧力、流れ速度、質量流等）をもったガス質量（例えば空気質量）が供給されなければならない。このようなことは特に、制御された条件下で経過する燃焼プロセスがあげられる。

特に、続いて触媒による排ガス浄化を行う、自動車の内燃機関における燃料の燃焼は、重要な使用例である。触媒による排ガス浄化では、所定の単位時間ごとに所定の空気質量（空気質量流）が、制御されて供給されなければならない。空気質量流量を測定するために、この場合、種々様々なタイプのセンサが使用される。先行技術により公知のセンサタイプは、いわゆるホットフィルム式エアフローメータ（ＨＦＭ）であって、これは例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第１９６０１７９１号明細書にその構成が記載されている。

このような形式のホットフィルム式エアフローメータでは通常、薄いセンサダイヤフラム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。センサダイヤフラム上には典型的には少なくとも１つの熱抵抗が配置され、この熱抵抗は、２つまたはそれ以上の温度測定抵抗（温度センサ）によって取り囲まれている。ダイヤフラムを介してガイドされる空気流においては、温度分布が変化し、このことは温度測定抵抗によって検出することができ、制御回路及び評価回路によって評価することができる。従って、例えば温度測定抵抗の抵抗差により、空気質量流を検出することができる。このようなタイプのセンサの種々様々な例が先行技術により公知であり、例えば、ダイヤフラムではなく、多孔性のセンサチップによって働くセンサも公知である。

流体媒体の少なくとも１つのパラメータを検出するための公知のホットフィルム式エアフローメータおよび別の公知の装置は、通常、チップ支持体を有しており、該チップ支持体上もしくはチップ支持体内にはセンサチップが装着されている。チップ支持体は通常、流体媒体内に突入しており、通常、チップ支持体は、嵌め込まれたセンサチップによって、ほぼ平滑な、乱流が形成されない流体媒体によって流過される表面が形成されているように形成されている。

公知のホットフィルム式エアフローメータでは、例えば、チップ支持体は、制御電子機器及び評価電子機器のための薄板支持体を使用して、その上に回路支持体（例えばプリント配線板）を固定することにより製造されている。チップ支持体自体は通常、１つの組み付けプロセスで薄板支持体に、例えば射出成形の際に固着することにより固定されている。

回路支持体に実装した後、通常、センサチップが付加的なプロセスステップでチップ支持体上に組み付けられる。このために通常、接着剤が、金属又はプラスチックから成る収容部に入れられ、チップは、付加的なハンドリングシステムによって個別化されたシリコンウェハから取り出され、チップはチップ支持体のチップ収容部に位置固定される。次いで、接着剤、例えばシリコン接着剤が炉において硬化される。

しかしながら、このような公知の製造方法及びこれにより製造される装置は、改善の余地がある。特に、センサチップをチップ支持体内若しくはチップ支持体上に取り付けるために多数の個別のステップを要し、このような個別のステップは製造プロセス、ひいては最終製品を高価なものとし、利益を下げる。さらなる欠点は、炉における接着剤の硬化は、既に実装された電子機器の損傷を引き起こす恐れがあり、硬化前には、チップ支持体若しくはチップ支持体の凹部の内側に通常存在するセンサチップの遊びにより、硬化されていない接着剤上でセンサチップが滑ることにより構成部分製造誤差が生じる恐れがある。

発明の開示
従って、流体媒体の少なくとも１つのパラメータを検出するための装置が提案されるが、この装置は例えば、内燃機関の吸気質量を検出するための装置である。有利には、この装置は、ホットフィルム式エアフローメータである。さらに、このような形式の装置を製造するための方法、特に本発明の装置の特徴を有した装置を製造するための方法が提案される。

本発明による装置は、冒頭で述べた装置と同様に、パラメータを測定するためのセンサチップを有している。例えばこれは、先行技術により構成することができ、特に、熱抵抗と２つの温度センサとを１つのセンサ表面上に有している、冒頭で述べた形式のホットフィルム式エアフローメータチップである。

さらに本発明による装置は、少なくとも１つの回路支持体を有する制御電子機器及び評価電子機器を有している。例えば、このような回路支持体は、プリント配線板であって、特にセラミックプリント配線板及び／又は、材料としてプラスチックを有しているプリント配線板である。このような制御電子機器及び／又は評価電子機器も例えば先行技術により公知であるように構成することができ、例えば、熱抵抗を制御するための電子的なモジュールと、温度センサを評価するための電子的な構成部分を有していることができる。

さらにこの装置はチップ支持体も有していて、このチップ支持体は、センサチップ若しくはセンサチップのセンサ表面を流体媒体内に入れるために働く。

本発明の基本思想は、チップ支持体の組み付けが公知の装置に比べて著しく簡単になることにある。特に、以下で提案される装置と、相応の製造法によれば、薄板支持体への射出成形によるチップ支持体の組み付けを省くことができる。

従って、回路支持体自体若しくはこの回路支持体の一部を、チップ支持体の構成部分として利用することが提案される。このために、回路支持体は、その他の回路支持体自体と一体に形成された突出部を有している。例えばこれは、ほぼ矩形の突出部であって、例えば、（例えばプリント配線板の）その他の回路支持体から鋸切断によって製作することができる。有利にはこの装置は、回路支持体のこの突出部だけが流体媒体内に突入するように使用される。この場合、センサチップは、この突出部上に固定されている。

突出部上におけるセンサチップのこのような固定は例えば材料接続的な結合、特に接着により行われる。この場合、接着シートによる接着が特に有利である。何故ならばこのような形式の接着シートは、「ピック・アンド・プレイス」法において、例えば市販のプリント配線板実装システムによって取り付けることができるからであり、さらに、このようにして炉における硬化ステップを省くことができるからである。しかしながら、接着に対して選択的にまたは付加的に、例えば摩擦接続的な固定及び／又は形状接続的な固定のような別の方法も考えられる。

さらに、チップ支持体は、突出部の上に取り付けられていて、センサチップを少なくとも部分的に取り囲むフレームを有している。このフレームは例えば同様に、上述したような位置固定方法によって突出部に結合することができ、有利にはさらに、接着シートによって結合することができる。例えばこの目的で、センサチップも突出部上に固定している接着シートと同じ接着シートを使用することができる。

フレームは切欠を有しており、この切欠内にセンサチップを嵌め込むことができる。この切欠は、フレームの取り付け後に、フレーム表面とセンサチップ表面とから成るチップ支持体の全表面が、ほぼ平らに、同一平面上にあるように形成することができる。さらに、切欠は、センサチップを突出部自体の上に載置するように形成することができ、又は、切欠は、突出部とのコンタクトなしにセンサチップが嵌め込まれる凹部だけを有することができる。

さらに、フレームは付加的な流れガイドエレメントを有していて良く、この流れガイドエレメントは、例えば流体媒体の流れを、センサ支持体の周りにガイドするために、及び／又は、装置自体若しくはチップ支持体における流体媒体の減圧を減じるために適している。特にこのような流れガイドエレメントは、丸く面取りされた流れ当接突起を有していて良く、この流れ当接突起は、装置に組み込まれた状態で、チップ支持体の場所における流体媒体の主流方向に対向する。この丸く面取りされた流れ当接突起は、例えば、回路支持体の突出部の鋭いエッジにおいて減圧又は乱流が生じるのを補償する。特にこの目的で、突出部を流れ当接側で少なくとも部分的に取り囲むように、流れ当接突起を形成することができる。これにより、この領域で少なくとも部分的に突出部の鋭いエッジが覆われる。

上述した構成の装置及び類似の装置の製造のために、例えば、プリント配線板技術により公知のピック・アンド・プレイス法を使用することができる。この方法の主な利点は、回路支持体の実装も、接着シートによるセンサチップ及び場合によってはフレームの組み付けも行うことができ、この場合、有利には全ての構成部分を同じハンドリングシステム若しくは実装システムで取り付けることができることにある。特に接着シートを使用するならば、接着剤塗布及びそれに続く接着剤の硬化といった付加的なプロセスステップは省略できる。薄板支持体における付加的な射出成形プロセスは省略することができる。従って、提案した装置及び方法は、製造ステップの大幅な減少、及び、製造に必要な器具の著しい削減を特徴とする。これにより、製造コストは著しく削減でき、製造に必要な時間を大幅に減じることができる。

次に本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。

内燃機関の吸気管に装着されたホットフィルム式エアフローメータを示した図である。 開放されたホットフィルム式エアフローメータの示す平面図である。 制御電子機器及び評価電子機器と、固着されたチップ支持体とを備えたホットフィルム式エアフローメータの薄板支持体を示した図である。 装着されたセンサチップを備えた本発明により構成されたチップ支持体を示した断面図である。 本発明による図４のチップ支持体を示した平面図である。

発明の実施の形態
図１には、主流方向で流れる流体媒体のパラメータを検出するための装置１１０の例が示されている。この実施例では、この装置１１０は、以下の実施例の通り（発明の保護範囲を限定するものではないが）、ホットフィルム式エアフローメータ１１２であり、内燃機関（図１には図示されていない）の吸気管１１４に装着されている。このような形式のホットフィルム式エアフローメータ１１２は市販されており、例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２４６０６９号明細書、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０３４８４００号明細書に開示されている。

ホットフィルム式エアフローメータ１１２は、脈動する流れのもとで排ガス流の流れ方向を検出するために形成されていて、ガソリン燃料噴射又はディーゼル燃料噴射を行う内燃機関における負荷検出を目的としている。ホットフィルム式エアフローメータ１１２は通常、エアフィルタと絞り装置との間に組み込まれており、通常、測定ケーシング１１８を有した差込型センサ１１６の形の、予め組み付け可能な構成群として組み込まれる。通常、このような形式の測定ケーシング１１８は射出成形構成部分として製造され、主として、自動車工業に適している技術的なプラスチックから成っている。典型的なプラスチックは、ガラス繊維を充填された熱可塑性樹脂であって、例えば、約２０％のガラス繊維を含むＰＢＴである。その他のプラスチックを使用することもできる。

図２には、図１の例のホットフィルム式エアフローメータ１１２が、測定ケーシング１１８の開放状態で平面図で示されている。この場合、測定ケーシング１１８のカバー部分（図２には図示せず）は取り外されているので、測定ケーシング１１８のケーシング部分１２０の内側が見えるようになっている。測定ケーシング１１８は、流過領域１２２と、電子機器領域１２４とに分割されている。図１に示したように、ホットフィルム式エアフローメータ１１２の組み付け状態で吸気管１１４内に差し込まれている流過領域１２２には、流れ通路１２６が設けられており、この流れ通路１２６は複数の部分通路に分割されている。流れ通路１２６はまず、主流通路１２８を有しており、この主流通路１２８は、流入開口１３０からほぼ水平かつまっすぐに流出孔１３２へと延びている。

図２に鎖線で示した流出孔１３２は、測定ケーシング１１８のカバー部分（図２には図示せず）に配置されている。流出孔１３２の手前の領域では、その他の部分ではほぼ方形の横断面を有する流れ通路１２６若しくは主流通路１２８が、流出孔１３２に向かって減じられた通路深さをもって斜めに形成されており、これにより、空気は流入開口１３０から流出孔１３２へとガイドされる。ホットフィルム式エアフローメータ１１２は流体媒体、例えば吸気管１１４内の空気によって、主流方向１３４で流過され、この際、ホットフィルム式エアフローメータ１１２の方向付けは通常、主流方向１３４が主流通路１２８の延在に対して平行であるように規定されている。

流入開口１３０のすぐ後方には、流れ通路１２６内に分岐路１３６が配置されている。主流方向１３４に対して鋭角的に配置されているこの分岐路１３６では測定通路１３８が主流通路１２８から分岐している。測定通路１３８は湾曲して延びており、主流通路１２８の流出孔１３２の周りに案内されている。測定通路１３８は最終的に、ケーシング部分１２０の下面で、測定通路流出孔１４０に開口している。測定通路１３８はしばしば「バイパス」と言われるので、流過領域１２２全体はバイパス部分１４２とも言われる。

分岐路１３６では、主流方向１３４で流れ通路１２６へと流入した空気質量流が２つの部分流に分裂する。第１の主部分流は、流入開口１３０から直接、流出孔１３２へと流れ、主流通路１２８を通る。しかしながら第２の部分流は、特に流体技術的な負圧現象により分岐路１３６で分岐し、測定通路１３８へと導かれる。測定通路１３８を通るこの部分流は、主流方向１３４で流れる流体媒体、例えば空気の流れ全体を代表するものである。

測定通路１３８にはまっすぐの区分１４４が設けられており、この区分１４４では、嵌め込まれたセンサチップ１４８を備えたチップ支持体１４６が、電子機器領域１２４から測定通路１３８へと突入している。センサチップ１４８はこの場合、センサエレメント１５０として作用し、例えば、上述の原理（ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９６０１７９１号明細書参照）で構成されている。

先行技術により公知のホットフィルム式エアフローメータ１１２では、チップ支持体１４６は例えば金属的な構成部分、例えば薄板構成部分として形成することができ、又は、この場合、プラスチック構成部分、例えば射出成形構成部分であっても良い。チップ支持体１４６は通常、電子機器領域１２４に収容された薄板支持体（図２は図示せず）に固定されている（通常は射出成形により固着されている）。この場合、薄板支持体は、ホットフィルム式エアフローメータ１１２の評価回路及び制御回路を支持している。この薄板支持体は図３につき後で詳しく説明する。

空気に連行される水やその他の固体または液体の不純物（例えばオイル）がセンサチップ１４８に到達するのを回避するために、分岐路１３６には、鋭いエッジの形でいわゆる「歯」１５２が設けられている。これは、流入開口１３０内に突入しており、図２の下方に向けられた、即ち主流方向１３４に対して鋭角的な構成部分を有する導出面を成している。これにより流入空気は部分的に下方に向かって変向され、即ち、分岐路１３６から離れる。この歯１５２は従って、相分離のために働き、即ち、測定通路１３８を通る、分岐路１３６で分岐した部分流がほぼ水及び／又は別の液体または固体の不純物を含んでいないようにするために働く。汚染粒子及び／又は水粒子は、歯１５２における鋭い変向について行けず、その慣性に基づき、まっすぐ主流通路１２８を通って、側方に配置された流出孔１３２から出て行く。

図３には、制御電子機器及び評価電子機器１５６とチップ支持体１４６とを備えた上述した薄板支持体１５４が斜視図で示されている。薄板支持体１５４は、通常、金属薄板材料から成る打ち抜き・曲げ部品として製造されていて、側方にアングル状に屈曲された保持部分１５８を有している。この保持部分１５８を介して薄板支持体１５４は上述した測定ケーシング１１８の電子機器領域１２４に取り付けられ、ここに位置固定することができる。

薄板支持体１５４上には、制御電子機器及び評価電子機器１５６の構成部分として回路支持体１６０が取り付けられている。回路支持体１６０はこの実施例では、例えば扁平かつ剛性的又はフレキシブルなプリント配線板であって、例えばセラミックプリント配線板である。回路支持体１６０には、この実施例では通常の実装技術によって、制御電子機器及び評価電子機器１５６の機能を保証する電子的な構成部分が実装されている。さらに、導体路及びコンタクトパッドが設けられている。回路支持体１６０は例えば薄板支持体１５４上に接着することができる。

図３に示した先行技術に相応する実施例では、薄板支持体１５４上にチップ支持体１４６が通常のプラスチック技術で固着されている。チップ支持体１４６は流れ当接エッジ１６２を有しており、このエッジは装着状態で、測定通路１３８内を流れる流体媒体の主流方向に対向する。この流れ当接エッジ１６２、幾分丸く面取りされている。

さらにチップ支持体１４６は凹部１６４を有している。この凹部１６４は、ほぼ方形に形成されているが、側方で、ピック・アンド・プレイス工具を係合させるための突出部を有していて、この凹部１６４にセンサチップ１４８が嵌め込まれる。センサチップ１４８は回路支持体１６０にワイヤボンディングによって結合されている。

図４には、図３とは異なり、本発明によるチップ支持体１４６の構成が示されている。図４は、図３のＡ−Ａ線に沿った断面図が示されていて、先行技術に対する本発明による構成の相違点が示されている。図５には、本発明によるチップ支持体１４６が上方からの平面図で示されている。両図は、以下で、本発明による装置を説明するために参照される。

提案した構成では、回路支持体１６０が矩形の突出部１６６を有しており、該突出部１６６は、その他の回路支持体１６０と一体的に形成されているが、電子機器領域１２４から測定通路１３８へと突入していて、チップ支持体１４６の一構成部分を成している。

突出部１６６上にはピック・アンド・プレイス法で、両面接着シート１６８が載着されている。有利にはこの両面接着シート１６８は一体的に形成されていて、測定通路１３８内に突入する突出部１６６の上面全体をカバーしている。

次いで、両面接着シート１６８上にフレーム１７０が取り付けられる。例えばこのフレーム１７０は有利には、別の射出成形プロセスで、通常のプラスチック材料、例えば、自動車技術で使用される強化された又は強化されていないＰＢＴ材料（上記参照）から製造される。この場合、このフレーム１７０は加工素材において製造することもできるので、このような形式の複数のフレーム１７０を、１つの個別の射出成形過程で製造することができる。フレーム１７０は同様にピック・アンド・プレイス法で有利には、両面接着シート１６８を取り付けたのと同じ機械で、突出部１６６上に載置され、両面接着シート１６８上に押し付けられる。さらなる組み付けステップは通常は不要である。

フレーム１７０は切欠１７２を有しており、これは図３に示したのと同様に、ほぼセンサチップ１４８の形状を有している。例えば、この切欠１７２も矩形の形状であって良いが、図３に示したように、ピック・アンド・プレイス法を容易にするために、又は相応の自動実装装置による実装を容易にするために、切欠１７２の付加的な孔又は拡大部を設けることができる。これは図５において、切欠１７２の実装拡大部１７４によって概略的に示されている。

図４には、フレーム１７０のさらなる特殊性が示されている。即ちフレーム１７０は切欠１７２だけではなく、チップ支持体１４６の場所において測定通路１３８における流体媒体の流れ方向に対向する、丸く面取りされた流れ当接突起１８０の形の流れガイドエレメント１７８も有している。この流れ当接突起１８０は、流れ方向１７６に対向する突出部１６６の鋭いエッジを覆っていて、チップ支持体１４６の、センサチップ１４８とは反対の側で突出部１６６と同一平面に位置している。これにより、乱流が形成されるのが回避され、チップ支持体１４６での減圧は減少される。流れ当接突起１８０は、流れ方向１７６に対向する面で丸く面取りされていて、チップ支持体１４６の流れ当接エッジ１６２を形成している。図４及び図５に示した流れ当接突起１８０とは選択的に、フレーム１７０は別の形式の流れガイドエレメント１７８を有していることもできる。この流れガイドエレメント１７８は、空気力学を最適にするために働き、例えば同様に、突出部１６６のエッジをカバーするために、１つの段部において、回路支持体１６０の突出部１６６を超えて突出している。従って例えば、流れ翼、流れ溝又は類似の空気力学的エレメントをフレーム１７０内に収容することができる。

突出部１６６上へのフレーム１７０の取り付けに続いて、図５に概略的に示したセンサチップ１４８が接着シート１６８上に組み付けられる。このような組み付けも例えば、ピック・アンド・プレイス法によって行われる。有利にはフレーム１７０の厚さは、図４に示したように、センサチップ１４８の表面がフレーム１７０の表面と同一平面を成すように、寸法設定されている。このようにして、センサチップ１４８のエッジにおける乱流は回避される。このような乱流は、同一平面にない場合に（例えば突出部及び／又は凹部で）生じる恐れがある。

次いで、例えば図３に示したように、センサチップ１４８がワイヤボンディング法により、制御電子機器及び評価電子機器１５６に、特に回路支持体１６０に接続され、コンタクトされる。図３に示した斜視図では、上方から傾斜しており、取り付けられたセンサチップ１４８を有したチップ支持体１４６の機能は、図３に示したような先行技術のものと実際には相違ない。しかしながら製造法は、上述したように、提案された方法により、著しく簡単になり、ホットフィルム式エアフローメータ１１２は著しく安価に製造することができる。

Claims (10)

1. 流体媒体の少なくとも１つのパラメータ、特に内燃機関の吸気質量を検出するための装置（１１０，１１２）であって、前記パラメータを測定するためのセンサチップ（１４８）と、回路支持体（１６０）を備えた制御電子機器及び評価電子機器（１５６）とを有しており、センサチップ（１４８）が、流体媒体内に配置可能なチップ支持体（１４６）上に配置されている形式のものにおいて、
   チップ支持体（１４６）が、回路支持体（１６０）に一体的に形成された回路支持体（１６０）の突出部（１６６）を有しており、センサチップ（１４８）が前記突出部（１６６）に位置固定されており、
   チップ支持体（１４６）がさらにフレーム（１７０）を有しており、該フレーム（１７０）が前記突出部（１６６）上に取り付けられていて、センサチップ（１４８）を少なくとも部分的に取り囲んでおり、
   前記突出部（１６６）と前記センサチップ（１４８）と前記フレーム（１７０）の各表面によって平らな表面を有するセンサエレメント（１５０）を形成していることを特徴とする、流体媒体の少なくとも１つのパラメータを検出するための装置（１１０，１１２）。
2. センサチップ（１４８）の突出部（１６６）への位置固定が、少なくとも１つの以下の位置固定法により行われる、即ち、材料接続的な位置固定、特に接着、特に、接着シート（１６８）又は硬化可能な接着剤による接着、摩擦接続的な位置固定、形状接続的な位置固定により行われる、請求項１記載の装置（１１０，１１２）。
3. フレーム（１７０）が少なくとも１つの以下の位置固定法により前記突出部（１６６）に結合されている、即ち、材料接続的な位置固定、特に接着、特に接着シート（１６８）又は硬化可能な接着剤による接着、摩擦接続的な位置固定、形状接続的な位置固定により結合されている、請求項１又は２記載の装置（１１０，１１２）。
4. フレーム（１７０）が切欠（１７２）を有しており、該切欠（１７２）にセンサチップ（１４８）が嵌め込まれている、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置（１１０，１１２）。
5. フレーム（１７０）が付加的に流れガイドエレメント（１７８）を有しており、特に、丸く面取りされた流れ当接突起（１８０）を有しており、該流れ当接突起は、突出部（１６６）を流れ当接側で少なくとも部分的に取り囲むために形成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置（１１０，１１２）。
6. 流体媒体の少なくとも１つのパラメータ、特に内燃機関の吸気質量を検出するための装置（１１０，１１２）を製造するための方法であって、
   回路支持体（１６０）に一体的に形成された突出部（１６６）を有する回路支持体（１６０）を備えた制御電子機器及び評価電子機器（１５６）を使用し、
   前記突出部（１６６）上に、センサチップ（１４８）を少なくとも部分的に取り囲むフレーム（１７０）を設けるステップと、
   前記突出部（１６６）上にセンサチップ（１４８）を設けるステップと、
   前記突出部（１６６）と前記センサチップ（１４８）と前記フレーム（１７０）の各表面によって平らな表面を有するセンサエレメント（１５０）を形成するステップと、
   を有していることを特徴とする、流体媒体の少なくとも１つのパラメータを検出するための装置（１１０，１１２）を製造するための方法。
7. センサチップ（１４８）の取り付け前にフレーム（１７０）を取り付ける、請求項６記載の方法。
8. センサチップ（１４８）の取り付け後にフレーム（１７０）を取り付ける、請求項６記載の方法。
9. まず、接着層、特に接着シート（１６８）を突出部（１６６）上に取り付け、次いでフレーム（１７０）とセンサチップ（１４８）とを接着層上に取り付ける、請求項６から８までのいずれか１項記載の方法。
10. 少なくとも１つの取り付けステップのためにピック・アンド・プレイス法を使用する、請求項６から９までのいずれか１項記載の方法。

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