WO2018188944A1 - Sensor zur erfassung mindestens einer eigenschaft eines fluiden mediums - Google Patents

Sensor zur erfassung mindestens einer eigenschaft eines fluiden mediums Download PDF

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WO2018188944A1
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Michael Rittmann
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Robert Bosch Gmbh
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    • G01K13/024—Thermometers specially adapted for specific purposes for measuring temperature of moving fluids or granular materials capable of flow of moving gases

Definitions

  • the fluid medium may in particular be a gas, for example air, and the sensors may be used in particular in an intake and / or exhaust tract of an internal combustion engine.
  • the sensors may be used in particular in an intake and / or exhaust tract of an internal combustion engine.
  • other applications are possible.
  • DE 10 2013 224 831 A1 discloses a sensor arrangement for determining at least one flow property of a flowing fluid medium.
  • the sensor arrangement has at least one sensor for determining the flow property.
  • the sensor has at least one hot-wire measuring element, wherein the hot-wire measuring element has at least one carrier element.
  • the sensor arrangement is designed such that the carrier element protrudes into the fluid medium.
  • the carrier element has at least one recess. The recess is spanned by at least one hot wire.
  • Hot film air mass meter as described for example from Robert Bosch GmbH: sensors in the motor vehicle, Konrad Reif (ed.), 2nd edition pages 146-148. In principle, however, other embodiments are possible.
  • a sensor chip is glued into a sensor carrier in the rule, the sensor carrier forms a unit together with a bottom plate of a drive and evaluation circuit.
  • control and evaluation circuit is glued to the bottom plate.
  • On the circuit board is usually an evaluation IC
  • ASIC application specific integrated circuit
  • a technical challenge with known sensors of the type mentioned is basically that as a boundary condition usually, in addition to the actual measured value of the sensor element, a temperature must be detected, since in particular flow properties
  • NTC temperature sensors ie temperature sensors based on semiconductors with a negative temperature coefficient, can be used.
  • Temperature sensor to the drive and evaluation circuit electrically couple, without this a thermal coupling between the
  • Temperature sensor and the control and evaluation circuit bring about which due to a waste heat of the drive and evaluation circuit the
  • the property of a fluid medium proposed.
  • the property may in principle be any physical and / or chemical
  • the property may be a flow characteristic, for example a mass flow and / or a volumetric flow of the fluid medium.
  • the sensor comprises at least one sensor element and at least one circuit carrier with at least one drive and evaluation circuit.
  • a sensor element is generally an element, in particular a monolithic element to understand, which can detect at least one measured variable.
  • the sensor element can be at least one Include sensor chip.
  • a circuit carrier is generally understood in the context of the present invention, a device which can carry at least one electrical circuit.
  • the circuit carrier may be designed plate-shaped, preferably as a printed circuit board. Accordingly, the circuit carrier may be configured, for example, as a planar printed circuit board, for example of a fiber-reinforced plastic and / or of a ceramic material.
  • other embodiments are possible in principle.
  • a drive and evaluation circuit is generally understood to mean an electronic circuit which has at least one electrical or electronic component and which is set up to control at least one sensor function of the sensor element and / or to receive at least one measurement signal of the sensor element and completely and / or partially evaluate or process.
  • the drive and evaluation circuit may have at least one integrated circuit (IC), preferably at least one application-specific integrated circuit (ASIC).
  • IC integrated circuit
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • the circuit carrier has at least one projection, wherein at least one temperature sensor is applied to the projection.
  • Temperature sensor may in particular at least one temperature-sensitive
  • Comprise resistor preferably a resistor with negative
  • NTC Temperature coefficient
  • the circuit carrier may be substantially planar, wherein the projection extends in the plane of the circuit carrier.
  • the protrusion may protrude, for example, by 2 mm to 20 mm, in particular by 2 mm to 10 mm, from the circuit substrate.
  • the sensor may in particular have a sensor housing.
  • a sensor housing is generally understood to mean an element or a device which substantially completes the sensor to the outside and / or gives the sensor mechanical stability.
  • the sensor housing can in particular wholly or partly of plastic and / or of one
  • the sensor housing may in particular have at least one flow channel. Under a flow channel is generally a within the
  • the senor may be designed as a plug-in sensor which can be inserted into a fluid medium, for example into a flow tube of the fluid medium. In this constellation, the fluid medium can then penetrate from the flow tube into the flow channel and flow through it.
  • the sensor can be designed such that the sensor element is applied to a sensor carrier projecting into the flow channel.
  • the circuit carrier may be arranged in particular outside the flow channel in an electronics compartment of the housing.
  • the circuit carrier as stated above, on a base, such as a bottom plate, be applied, which is arranged in the electronics compartment.
  • the circuit carrier may for example be firmly connected to the base.
  • the sensor element may be connected to the sensor carrier on the sensor carrier, for example via wire bonding or other electrical connection techniques with the circuit carrier.
  • the temperature sensor can be configured in particular as an SMD component.
  • the temperature sensor can be designed as a resistor with a negative temperature coefficient (NTC), for example as an NTC in SMD design.
  • NTC negative temperature coefficient
  • the sensor element may comprise at least one sensor chip and / or may be wholly or partially configured as a sensor chip.
  • the sensor element may have at least one measuring surface with at least one heating element arranged on the measuring surface and at least two temperature sensors arranged on the measuring surface.
  • the sensor chip can in particular
  • Hot film air mass sensor chip in which one through the Air mass flow asymmetry detected in a temperature profile generated by means of the heating element by means of the two temperature sensors is detected.
  • the sensor can be designed in particular as a plug-in sensor.
  • the sensor may be formed as a hot-film air mass meter.
  • the temperature sensor can in particular with the drive and
  • Evaluation circuit may be arranged in particular to take into account at least one temperature signal of the temperature sensor in an evaluation of at least one signal of the sensor element.
  • the control and evaluation circuit can be set up to at least one
  • the circuit carrier may be configured in particular as a printed circuit board.
  • the projection may be formed in particular as a printed circuit board web, which protrudes from the circuit board.
  • the printed circuit board can be used in particular
  • Substantially rectangular be configured, wherein the projection protrudes at a corner of the circuit board from the circuit board.
  • Temperature sensor is applied, the temperature sensor, as will be described in more detail below, thermally completely or partially decoupled from the at least one drive and evaluation circuit.
  • the circuit carrier may furthermore have at least one cooling element.
  • the cooling element may be arranged in the region of the temperature sensor, for example at a distance of not more than 20 mm, preferably not more than 10 mm, to the temperature sensor.
  • the cooling element may have at least one cooling fin.
  • the drive and evaluation circuit may in particular comprise at least one integrated circuit, in particular at least one ASIC.
  • the temperature sensor can between the temperature sensor and the integrated circuit more be provided thermal decoupling measures.
  • the circuit carrier between the temperature sensor and the integrated circuit at least one milling for thermal decoupling of
  • Temperature sensor may be introduced from the integrated circuit.
  • At least one slot and / or at least one groove can be milled into an upper side and / or a lower side of the printed circuit board, so that in particular at least one milling saddle can arise.
  • the sensor according to the invention has a number of advantages over known sensors of the type mentioned.
  • Hot-film air mass meter electronics can be minimized in this way.
  • a temperature sensor in particular an NTC
  • SMD design is generally less expensive than the use of a wired NTC.
  • NTC in particular an NTC
  • Temperature sensor to the control and evaluation circuit for example by a complex welding process, must be done.
  • a Ladder comb for connecting the temperature sensor to the control and
  • the printed circuit board can be up to 15K, for example.
  • the temperature sensor for example the NTC
  • the temperature sensor can be easily mounted on a narrow printed circuit board web. This web can for example be connected only over a small area with the rest of the circuit board and thereby be largely thermally decoupled from the rest of the circuit board.
  • additional heat for example one or more cooling fins, in the region of the temperature sensor.
  • Figure 1 is an exploded view of a possible
  • FIGS. 2A and 2B show two possible embodiments of FIG
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a sensor 110 according to the invention for detecting at least one property of a fluid medium 110.
  • circuit carriers 112 are shown with a drive and evaluation circuit 114, which can be used, for example, in the sensor 110 according to FIG. In the following, these figures will be described together.
  • the senor 110 comprises a sensor housing 116 with a flow channel 118.
  • an inflow opening 120 also referred to as an inlet, fluid medium can penetrate into the flow channel 118, flow through it and then flow through it
  • Outflow opening 122 also referred to as outlet, leave again.
  • the sensor 110 may be configured overall as a plug-in sensor 124 and may be plugged, for example, into a flow tube through which the fluid medium flows.
  • the plug-in sensor 124 may be plugged, for example, into a flow tube through which the fluid medium flows.
  • Flow channel 118 can be closed for example by a flow channel cover 126.
  • an electronics compartment 128 is formed in the sensor housing 116, in which a circuit carrier 112 is accommodated with a drive and evaluation circuit 114 applied thereon.
  • the circuit carrier 112 is formed, for example, as a printed circuit board 130, which is glued to a base, such as a bottom plate 132.
  • a sensor carrier 134 Connected to the bottom plate 132 is a sensor carrier 134, for example made of plastic, which, for example in the form of a small wing, from the electronics compartment 128 in the Flow channel 118 protrudes.
  • a sensor element 136 is applied, which, for example in the form of a
  • Hot-film air mass sensor sensor chips can be configured. This may, for example, comprise a measuring surface which can be overflowed by the fluid medium in the flow channel 118, with at least one heating element and at least two temperature sensors arranged symmetrically with respect to the heating element, for example.
  • the sensor element 136 may be connected to the printed circuit board 130 by wire bonding, for example.
  • the circuit carrier 112 may be connected, for example via a conductor comb 138 with a plug 140, via which an electrical contacting of the sensor 110 can take place.
  • the electronics compartment 128 may still be closed by an electronics compartment lid 142.
  • FIG. 2A shows a perspective view of a first possible one
  • Evaluation circuit 114 shown. It can be seen that the circuit carrier 112, which in this case may be formed, for example, as a substantially rectangular printed circuit board 130, for example, may be equipped with a plurality of electronic components 144. In particular, at least one integrated circuit 146 may be provided, preferably at least one application-specific integrated circuit (ASIC).
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • Electronic components 144, and particularly integrated circuit 146, may generate waste heat.
  • the sensor 110 also has at least one temperature sensor 148, which may be designed, for example, as an SMD-NTC. However, this is not integrated at any point in the sensor housing 116 and connected in a complex and complex manner with the drive and evaluation circuit 114, but is applied directly to the circuit substrate 112. Nevertheless, a thermal decoupling between the temperature sensor 148 and the other control and evaluation circuit 114, with which the
  • Temperature sensor 148 may be electrically connected to ensure, the circuit substrate 112 has a projection 150.
  • This projection 150 may protrude from the printed circuit board 130, for example, at an edge 152.
  • Temperature sensor 148 may, for example, in SMD technology on this Projection 150 may be applied, wherein the projection 150 may be configured, for example, as a narrow printed circuit board web. This narrow one
  • PCB web is preferably only over a small area with the
  • Circuit board 130 connected and thereby thermally largely decoupled from the same.
  • FIG. 2B shows a further exemplary embodiment of the circuit carrier 112, which represents a further development of the exemplary embodiment according to FIG. 2A.
  • This example shows that additional features and measures for thermal decoupling of the temperature sensor 148 can be taken by the drive and evaluation circuit 114.
  • the circuit substrate 112 with the projection 150 for example in the form of the printed circuit board web and / or in the form of printed circuit board tongue can be designed.
  • cooling fins may be provided.
  • milling 154 may be introduced into the printed circuit board 130, which may serve for additional thermal decoupling of the temperature sensor 148 from the integrated circuit 146.

Abstract

Es wird ein Sensor (110) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums vorgeschlagen. Der Sensor (110) umfasst mindestens ein Sensorelement (136) sowie mindestens einen Schaltungsträger (112) mit mindestens einer Ansteuer- und Auswerteschaltung (114). Der Schaltungsträger (112) weist mindestens einen Vorsprung (150) auf. Auf den Vorsprung (150) ist mindestens ein Temperatursensor (148) aufgebracht.

Description

Beschreibung Titel
Sensor zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Sensoren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums bekannt. Bei dem fluiden Medium kann es sich insbesondere um ein Gas handeln, beispielsweise Luft, und die Sensoren können insbesondere in einem Ansaug- und/oder Abgastrakt einer Brennkraftmaschine zum Einsatz kommen. Auch andere Einsatzgebiete sind jedoch möglich.
So ist beispielsweise aus DE 10 2013 224 831 AI eine Sensoranordnung zur Bestimmung mindestens einer Strömungseigenschaft eines strömenden fluiden Mediums bekannt. Die Sensoranordnung weist mindestens einen Sensor zur Bestimmung der Strömungseigenschaft auf. Der Sensor weist mindestens ein Hitzdraht-Messelement auf, wobei das Hitzdraht-Messelement mindestens ein Trägerelement aufweist. Die Sensoranordnung ist derart ausgestaltet, dass das Trägerelement in das fluide Medium hineinragt. Das Trägerelement weist mindestens eine Aussparung auf. Die Aussparung wird von mindestens einem Hitzdraht überspannt.
Ohne Beschränkung weiterer möglicher Ausgestaltungen wird die Erfindung im Folgenden beschrieben unter Bezugnahme auf so genannte
Heißfilmluftmassenmesser, wie sie beispielsweise aus Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Konrad Reif (Hrsg.), 2. Auflage Seiten 146-148 beschrieben werden. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Ausgestaltungen möglich. Bei derartigen Heißfilmluftmassenmessern wird in der Regel ein Sensorchip in einen Sensorträger eingeklebt, wobei der Sensorträger zusammen mit einem Bodenblech einer Ansteuer- und Auswerteschaltung eine Einheit bildet.
Zusätzlich wird noch die Ansteuer- und Auswerteschaltung auf das Bodenblech aufgeklebt. Auf der Leiterplatte befindet sich in der Regel ein Auswerte-IC
(ASIC), in welchem eine Messwerterfassung, Aufbereitung und Ausgabe der Messgrößen erfolgen kann.
Eine technische Herausforderung bei bekannten Sensoren der genannten Art besteht jedoch grundsätzlich darin, dass als Randbedingung üblicherweise, zusätzlich zu dem eigentlichen Messwert des Sensorelements, eine Temperatur erfasst werden muss, da insbesondere Strömungseigenschaften
temperaturabhängig sein können. Hierzu können beispielsweise so genannte NTC-Temperatursensoren, also Temperatursensoren auf Halbleiterbasis mit negativem Temperaturkoeffizienten, verwendet werden. Eine technische
Herausforderung besteht jedoch dabei insbesondere darin, den
Temperatursensor an die Ansteuer- und Auswerteschaltung elektrisch anzukoppeln, ohne hierbei eine thermische Kopplung zwischen dem
Temperatursensor und der Ansteuer- und Auswerteschaltung herbeizuführen, welche aufgrund einer Abwärme der Ansteuer-und Auswerteschaltung die
Temperaturmessung durch den Temperatursensor verfälscht.
Offenbarung der Erfindung Es wird dementsprechend ein Sensor zur Erfassung mindestens einer
Eigenschaft eines fluiden Mediums vorgeschlagen. Bei der Eigenschaft kann es sich grundsätzlich um eine beliebige physikalische und/oder chemische
Eigenschaft handeln. Insbesondere kann es sich bei der Eigenschaft um eine Strömungseigenschaft handeln, beispielsweise einen Massenstrom und/oder einen Volumenstrom des fluiden Mediums.
Der Sensor umfasst mindestens ein Sensorelement sowie mindestens einen Schaltungsträger mit mindestens einer Ansteuer- und Auswerteschaltung. Unter einem Sensorelement ist dabei allgemein ein Element, insbesondere ein monolithisches Element, zu verstehen, welches mindestens eine Messgröße erfassen kann. Insbesondere kann das Sensorelement mindestens einen Sensorchip umfassen. Unter einem Schaltungsträger ist allgemein im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zu verstehen, welche mindestens eine elektrische Schaltung tragen kann. Insbesondere kann der Schaltungsträger plattenförmig ausgestaltet sein, vorzugsweise als Leiterplatte. Dementsprechend kann der Schaltungsträger beispielsweise als ebene Leiterplatte ausgestaltet sein, beispielsweise aus einem faserverstärkten Kunststoff und/oder aus einem keramischen Material. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich. Unter einer Ansteuer- und Auswerteschaltung ist allgemein im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine elektronische Schaltung zu verstehen, welche mindestens ein elektrisches oder elektronisches Bauelement aufweist und welche eingerichtet ist, mindestens eine Sensorfunktion des Sensorelements zu steuern und/oder mindestens ein Messsignal des Sensorelements zu empfangen und vollständig und/oder teilweise auszuwerten oder aufzubereiten.
Insbesondere kann die Ansteuer- und Auswerteschaltung mindestens einen integrierten Schaltkreis (IC) aufweisen, vorzugsweise mindestens einen applikationsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC).
Der Schaltungsträger weist mindestens einen Vorsprung auf, wobei auf den Vorsprung mindestens ein Temperatursensor aufgebracht ist. Der
Temperatursensor kann insbesondere mindestens einen temperatursensitiven
Widerstand umfassen, vorzugsweise einen Widerstand mit negativem
Temperaturkoeffizienten (NTC). Unter einem Vorsprung ist dabei allgemein ein Bereich des Schaltungsträgers zu verstehen, welcher aus einer ansonsten ebenen Fläche des Schaltungsträgers oder aus einer ansonsten gerade verlaufenden Kante des Schaltungsträgers hervorsteht. Insbesondere kann der
Vorsprung sich in einer Ebene des Schaltungsträgers erstrecken. Beispielsweise kann der Schaltungsträger im Wesentlichen eben ausgestaltet sein, wobei der Vorsprung sich in der Ebene des Schaltungsträgers erstreckt. Der Vorsprung kann beispielsweise um 2 mm bis 20 mm, insbesondere um 2 mm bis 10 mm, aus dem Schaltungsträger herausragen.
Der Sensor kann insbesondere ein Sensorgehäuse aufweisen. Unter einem Sensorgehäuse ist dabei allgemein ein Element oder eine Vorrichtung zu verstehen, welche den Sensor nach außen im Wesentlichen abschließt und/oder dem Sensor mechanische Stabilität verleiht. Das Sensorgehäuse kann insbesondere ganz oder teilweise aus Kunststoff und/oder aus einem
metallischen Material hergestellt sein.
Das Sensorgehäuse kann insbesondere mindestens einen Strömungskanal aufweisen. Unter einem Strömungskanal ist dabei allgemein ein innerhalb des
Gehäuses ausgebildeter Kanal oder Kanalabschnitt zu verstehen, welcher von dem fluiden Medium durchströmt werden kann. Beispielsweise kann das
Gehäuse mindestens einen Einlass und mindestens einen Auslass aufweisen, wobei der Einlass und der Auslass durch den Strömungskanal verbunden sind. Insbesondere kann der Sensor als Steckfühler ausgebildet sein, welcher in ein fluides Medium, beispielsweise in ein Strömungsrohr des fluiden Mediums, einsteckbar ist. In dieser Konstellation kann dann das fluide Medium aus dem Strömungsrohr in den Strömungskanal eindringen und diesen durchströmen. Der Sensor kann insbesondere derart ausgestaltet sein, dass das Sensorelement auf einen in den Strömungskanal hineinragenden Sensorträger aufgebracht ist.
Der Schaltungsträger kann insbesondere außerhalb des Strömungskanals in einem Elektronikraum des Gehäuses angeordnet sein. Beispielsweise kann der Schaltungsträger, wie oben ausgeführt, auf eine Basis, beispielsweise ein Bodenblech, aufgebracht sein, welches in dem Elektronikraum angeordnet ist. Der Schaltungsträger kann beispielsweise fest mit der Basis verbunden sein.
Weiterhin kann das Sensorelement auf dem Sensorträger beispielsweise über Drahtbonding oder auch andere elektrische Verbindungstechniken mit dem Schaltungsträger verbunden sein. Der Temperatursensor kann insbesondere als SMD-Bauelement ausgestaltet sein. Insbesondere kann der Temperatursensor als Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC) ausgebildet sein, beispielsweise als NTC in SMD-Bauform. Das Sensorelement kann insbesondere mindestens einen Sensorchip umfassen und/oder kann ganz oder teilweise als Sensorchip ausgestaltet sein.
Insbesondere kann das Sensorelement mindestens eine Messoberfläche mit mindestens einem auf der Messoberfläche angeordneten Heizelement und mindestens zwei auf der Messoberfläche angeordneten Temperaturfühlern aufweisen. Dementsprechend kann der Sensorchip insbesondere ein
Heißfilmluftmassenmesser-Sensorchip sein, bei welchem eine durch den Luftmassenstrom erzeugte Asymmetrie in einem mittels des Heizelements erzeugten Temperaturprofil mittels der beiden Temperaturfühler erfasst wird. Wie oben ausgeführt, kann der Sensor insbesondere als Steckfühler ausgebildet sein. Insbesondere kann der Sensor als Heißfilmluftmassenmesser ausgebildet sein. Der Temperatursensor kann insbesondere mit der Ansteuer- und
Auswerteschaltung elektrisch verbunden sein. Die Ansteuer- und
Auswerteschaltung kann insbesondere eingerichtet sein, um mindestens ein Temperatursignal des Temperatursensors bei einer Auswertung mindestens eines Signals des Sensorelements berücksichtigen. So kann beispielsweise die Ansteuer- und Auswerteschaltung eingerichtet sein, um mindestens eine
Temperaturkorrektur in mindestens einem Signal des Sensorelements
vorzunehmen.
Der Schaltungsträger kann insbesondere als Leiterplatte ausgestaltet sein. Der Vorsprung kann insbesondere als Leiterplattensteg ausgebildet sein, welcher aus dem Schaltungsträger herausragt. Die Leiterplatte kann insbesondere im
Wesentlichen rechteckig ausgestaltet sein, wobei der Vorsprung an einer Ecke der Leiterplatte aus der Leiterplatte herausragt. Mittels des Vorsprungs in dem Schaltungsträger, auf welchen der
Temperatursensor aufgebracht ist, kann der Temperatursensor, wie nachfolgend noch näher beschrieben wird, thermisch vollständig oder teilweise von der mindestens einen Ansteuer- und Auswertungsschaltung entkoppelt werden. Zusätzlich können weitere Maßnahmen zur Temperierung und/oder zur thermischen Entkopplung vorgesehen sein. So kann der Schaltungsträger insbesondere weiterhin mindestens ein Kühlelement aufweisen. Insbesondere kann das Kühlelement im Bereich des Temperatursensors angeordnet sein, beispielsweise in einem Abstand von nicht mehr als 20 mm, vorzugsweise von nicht mehr als 10 mm, zu dem Temperatursensor. Beispielsweise kann das Kühlelement mindestens eine Kühlrippe aufweisen.
Wie oben ausgeführt, kann die Ansteuer- und Auswerteschaltung insbesondere mindestens einen integrierten Schaltkreis aufweisen, insbesondere mindestens einen ASIC. Zur weiteren Entkopplung zwischen dem integrierten Schaltkreis, welche in der Regel Abwärme generiert, und dem Temperatursensor können zwischen dem Temperatursensor und dem integrierten Schaltkreis weitere thermische Entkopplungsmaßnahmen vorgesehen sein. Insbesondere kann auf dem Schaltungsträger zwischen dem Temperatursensor und dem integrierten Schaltkreis mindestens eine Fräsung zur thermischen Entkopplung des
Temperatursensors von dem integrierten Schaltkreis eingebracht sein.
Beispielsweise können mindestens ein Schlitz und/oder mindestens eine Nut in eine Oberseite und/oder eine Unterseite der Leiterplatte eingefräst sein, so dass insbesondere mindestens ein Frässteg entstehen kann.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Sensor weist gegenüber bekannten Sensoren der genannten Art eine Vielzahl an Vorteilen auf. Insbesondere lässt sich durch die genannten Maßnahmen eine gute thermische Entkopplung zwischen dem Temperatursensor und möglichen Wärmequellen in der Ansteuer- und
Auswerteschaltung erzeugen. Dadurch lässt sich allgemein eine möglichst exakte Temperaturmessung und eine kurze Ansprechzeit ermöglichen.
Insbesondere lässt sich mittels der vorliegenden Erfindung ein auf einer
Leiterplattenelektronik eines Heißfilmluftmassenmessers montierter
Temperatursensor in Form eines in SMD-Bauweise dargestellten NTC gut von der übrigen Leiterplatte entkoppeln. Eigenerwärmungseinflüsse der
Heißfilmluftmassenmesser-Elektronik lassen sich so minimieren.
Insgesamt lassen sich somit durch die vorliegende Erfindung eine höhere Messgenauigkeit und eine kurze Ansprechzeit bei Temperatursprüngen erzielen. Durch den Einsatz eines NTC in SMD-Bauform auf der Leiterplatte eines Heißfilmluftmassenmessers kann ein Temperatursensor kostengünstig mit der
Auswerteschaltung verbunden werden.
Die Verwendung eines Temperatursensors, insbesondere eines NTC, in SMD- Bauform ist allgemein kostengünstiger als die Verwendung eines bedrahteten NTCs. Weiterhin lässt sich durch die Integration des Temperatursensors in die
Ansteuer- und Auswerteschaltung das Sensorgehäuse kostengünstig gestalten, da kein separater Bauraum für den Temperatursensor in dem Sensorgehäuse vorgesehen werden muss und da keine separate Anbindung des
Temperatursensors an die Ansteuer- und Auswerteschaltung, beispielsweise durch ein aufwändiges Schweißverfahren, erfolgen muss. Insbesondere kann ein Leiterkamm zur Anbindung des Temperatursensors an die Ansteuer- und
Auswerteschaltung entfallen.
Weiterhin lassen sich allgemein die Fertigungskosten reduzieren, da die
Aufbringung des Temperatursensors auf den Schaltungsträger mittels
herkömmlicher Verfahren und beispielsweise gleichzeitig mit anderen
elektronischen Bauelementen erfolgen kann. So können beispielsweise eine Bestückung und ein Reflow-Lötverfahren eines SMD-NTC-Bauelements im Nutzen eingesetzt werden, anstelle einer aufwändigen Einzelfertigung.
Bei herkömmlichen Heißfilmluftmassenmessern kann eine Eigenerwärmung der
Leiterplatte je nach Variante beispielsweise bis zu 15K betragen. Durch die beschriebenen Maßnahmen zur thermischen Entkopplung können
Erwärmungseffekte am Ort des Temperatursensors, beispielsweise des NTC, verringert werden und damit die Messgenauigkeit und Dynamik des Sensors erhöht werden.
Der Temperatursensor, beispielsweise der NTC, kann dabei auf einfache Weise auf einem schmalen Leiterplattensteg montiert werden. Dieser Steg kann beispielsweise lediglich über eine geringe Fläche mit der übrigen Leiterplatte verbunden sein und dadurch thermisch von der übrigen Leiterplatte weitgehend entkoppelt sein. Neben der thermischen Entkopplung des Temperatursensors besteht die Möglichkeit, durch zusätzliche, beispielsweise eine oder mehrere Kühlrippen, im Bereich des Temperatursensors vorhandene oder entstehende Wärme abzuleiten.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Einzelheiten und optionale Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, die in den Figuren dargestellt sind.
Es zeigen:
Figur 1 eine Explosionsdarstellung eines möglichen
Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Sensors zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums; und
Figuren 2A und 2B zwei mögliche Ausführungsbeispiele von
Schaltungsträgern für den Einsatz in einem
erfindungsgemäßen Sensor, in perspektivischer
Darstellung.
Ausführungsformen der Erfindung
In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors 110 zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums 110 dargestellt. In den nachfolgenden Figuren 2A und 2B sind Schaltungsträger 112 mit einer Ansteuer- und Auswerteschaltung 114 gezeigt, welche beispielsweise in dem Sensor 110 nach Figur 1 zum Einsatz kommen können. Im Folgenden werden diese Figuren gemeinsam beschrieben.
Der Sensor 110 umfasst in dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ein Sensorgehäuse 116 mit einem Strömungskanal 118. Durch eine Einströmöffnung 120, auch als Einlass bezeichnet, kann fluides Medium in den Strömungskanal 118 eindringen, diesen durchströmen und anschließend durch eine
Ausströmöffnung 122, auch als Auslass bezeichnet, wieder verlassen. Der Sensor 110 kann insbesondere insgesamt als Steckfühler 124 ausgebildet sein und kann beispielsweise in ein Strömungsrohr, welches von dem fluiden Medium durchströmt wird, eingesteckt werden. Dabei weist beispielsweise die
Einströmöffnung 120 dem Strom des fluiden Mediums entgegen. Der
Strömungskanal 118 kann beispielsweise durch einen Strömungskanaldeckel 126 verschlossen werden.
Weiterhin ist in dem Sensorgehäuse 116 ein Elektronikraum 128 ausgebildet, in welchem ein Schaltungsträger 112 mit einer darauf aufgebrachten Ansteuer- und Auswerteschaltung 114 aufgenommen ist. Der Schaltungsträger 112 ist beispielsweise als Leiterplatte 130 ausgebildet, welche auf eine Basis, beispielsweise ein Bodenblech 132, aufgeklebt ist. Mit dem Bodenblech 132 verbunden ist ein Sensorträger 134, beispielsweise aus Kunststoff, welcher, beispielsweise in Form eines Flügelchens, aus dem Elektronikraum 128 in den Strömungskanal 118 hineinragt. Auf dem Sensorträger 134 ist ein Sensorelement 136 aufgebracht, welches beispielsweise in Form eines
Heißfilmluftmassenmesser-Sensorchips ausgestaltet sein kann. Dieses kann beispielsweise eine von dem fluiden Medium in dem Strömungskanal 118 überströmbare Messoberfläche aufweisen, mit mindestens einem Heizelement und mindestens zwei, beispielsweise symmetrisch zu dem Heizelement angeordneten, Temperaturfühlern. Das Sensorelement 136 kann beispielsweise über Drahtbonding mit der Leiterplatte 130 verbunden sein. Der Schaltungsträger 112 kann beispielsweise über einen Leiterkamm 138 mit einem Stecker 140 verbunden sein, über welchen eine elektrische Kontaktierung des Sensors 110 erfolgen kann. Im Betrieb kann der Elektronikraum 128 weiterhin durch einen Elektronikraumdeckel 142 verschlossen sein. In Figur 2A ist in einer perspektivischen Darstellung eine erste mögliche
Ausgestaltung des Schaltungsträgers 112 mit der Ansteuer- und
Auswerteschaltung 114 gezeigt. Dabei ist erkennbar, dass der Schaltungsträger 112, welcher in diesem Fall beispielsweise als im Wesentlichen rechteckige Leiterplatte 130 ausgebildet sein kann, beispielsweise mit einer Mehrzahl an Elektronikkomponenten 144 bestückt sein kann. Insbesondere kann mindestens ein integrierter Schaltkreis 146 vorgesehen sein, vorzugsweise mindestens ein anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC). Diese
Elektronikkomponenten 144 und insbesondere der integrierte Schaltkreis 146 können eine Abwärme erzeugen.
Der Sensor 110 weist weiterhin mindestens einen Temperatursensor 148 auf, welcher beispielsweise als SMD-NTC ausgebildet sein kann. Dieser ist jedoch nicht an beliebiger Stelle im Sensorgehäuse 116 integriert und auf komplexe und aufwändige Weise mit der Ansteuer- und Auswerteschaltung 114 verbunden, sondern ist unmittelbar auf dem Schaltungsträger 112 aufgebracht. Um dennoch eine thermische Entkopplung zwischen dem Temperatursensor 148 und der übrigen Ansteuer- und Auswerteschaltung 114, mit welcher der
Temperatursensor 148 elektrisch verbunden sein kann, zu gewährleisten, weist der Schaltungsträger 112 einen Vorsprung 150 auf. Dieser Vorsprung 150 kann beispielsweise an einer Kante 152 aus der Leiterplatte 130 hervorstehen. Der
Temperatursensor 148 kann beispielsweise in SMD-Technik auf diesen Vorsprung 150 aufgebracht sein, wobei der Vorsprung 150 beispielsweise als schmaler Leiterplattensteg ausgestaltet sein kann. Dieser schmale
Leiterplattensteg ist vorzugsweise nur über eine geringe Fläche mit der
Leiterplatte 130 verbunden und dadurch thermisch weitgehend von derselben entkoppelt.
In Figur 2B ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Schaltungsträgers 112 gezeigt, welches eine Weiterentwicklung des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 2A darstellt. Dieses Beispiel zeigt, dass zusätzliche Merkmale und Maßnahmen zur thermischen Entkopplung des Temperatursensors 148 von der Ansteuer- und Auswerteschaltung 114 ergriffen werden können. Zusätzlich zur Ausgestaltung des Schaltungsträgers 112 mit dem Vorsprung 150, beispielsweise in Form des Leiterplattenstegs und/oder in Form der Leiterplatten-Zunge, können
beispielsweise ein oder mehrere Kühlrippen (nicht dargestellt) vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich können Fräsungen 154 in die Leiterplatte 130 eingebracht sein, welche für eine zusätzliche thermische Entkopplung des Temperatursensors 148 von dem integrierten Schaltkreis 146 dienen können.

Claims

Ansprüche
1. Sensor (110) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums, umfassend mindestens ein Sensorelement (136) sowie mindestens einen Schaltungsträger (112) mit mindestens einer Ansteuer- und Auswerteschaltung (114),
dadurch gekennzeichnet, dass
der Schaltungsträger (112) mindestens einen Vorsprung (150) aufweist, wobei auf den Vorsprung (150) mindestens ein Temperatursensor (148) aufgebracht ist.
2. Sensor (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Sensor (110) ein Sensorgehäuse (116) mit einem Strömungskanal (118) aufweist, wobei das Sensorelement (136) auf einen in den Strömungskanal (118) hineinragenden Sensorträger (134) aufgebracht ist und wobei der
Schaltungsträger (112) außerhalb des Strömungskanals (118) in einem Elektronikraum (128) des Sensorgehäuses (116) angeordnet ist.
3. Sensor (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der
Temperatursensor (148) als SMD-Bauelement ausgestaltet ist.
4. Sensor (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der
Temperatursensor (148) als NTC ausgebildet ist.
5. Sensor (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der
Sensor (110) als Heißfilmluftmassenmesser ausgebildet ist.
6. Sensor (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der
Temperatursensor (148) mit der Ansteuer- und Auswerteschaltung (114) elektrisch verbunden ist und wobei die Ansteuer- und Auswerteschaltung (114) eingerichtet ist, um mindestens ein Temperatursignal des
Temperatursensors (148) bei einer Auswertung mindestens eines Signals des Sensorelements (136) zu berücksichtigen.
7. Sensor (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schaltungsträger (112) als Leiterplatte (130) ausgestaltet ist.
8. Sensor (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Vorsprung (150) als Leiterplattensteg ausgebildet ist.
9. Sensor (110) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leiterplatte (130) im Wesentlichen rechteckig ausgestaltet ist, wobei der Vorsprung (150) an einer Ecke der Leiterplatte (130) aus der Leiterplatte (130) herausragt.
10. Sensor (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der
Schaltungsträger (112) weiterhin mindestens ein Kühlelement aufweist.
11. Sensor (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die
Ansteuer- und Auswerteschaltung (114) mindestens einen integrierten Schaltkreis (146) aufweist, wobei auf dem Schaltungsträger (112) zwischen dem Temperatursensor (148) und dem integrierten Schaltkreis mindestens eine Fräsung (154) zur thermischen Entkopplung des Temperatursensors (148) von dem integrierten Schaltkreis (146) eingebracht ist.
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