Bezeichnung

LUFTMASSENMESSER MIT PARYLENE HT BESCHICHTUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Luftmassenmesser mit mindestens einem Sensorelement, das an einer Oberflache ein elektrisches Heizelement aufweist, das auf Basis einer durch das Sensorelement gemessenen Temperatur und einer an die vor- beistromenden Luft abgegebene Heizleistung zur Bestimmung ei- ner vorbeistromenden Luftmasse ausgebildet ist.

Em derartiger Luftmassenmesser wird beispielsweise in Kraftfahrzeugen zur Ermittlung der von einer Verbrennungskraftmaschine angesaugten Luft verwendet. Auf Basis einer möglichst zuverlässigen Information über eine angesaugte Luftmasse kann eine Verbrennung durch eine Motorsteuerung dahingehend optimiert werden, dass eine auf die Luftmasse abgestimmte Kraftstoffmenge den jeweiligen Brennraumen zugeführt wird. Im Ergebnis wird dadurch eine bessere Energieausnutzung bei ver- πngertem Schadstoffausstoß erzielt.

Aus der DE 44 07 209 ist ein Luftmassenmesser bekannt, der in einen Ansaugkanal zur Bestimmung einer Luftmasse eingesteckt wird, wobei ein definierter Anteil der Gesamtstromung den Luftmassensensor durchströmt. Hierzu ist dieser als Emsteck- kanal-Luftmassenmessvorπchtung ausgebildet und umfasst einen in einem Messkanal angeordneten Sensor, eine in einem Gehäuse angeordnete Elektronik für diesen Sensor, sowie einen Auslasskanal jenseits des Sensorelements. Für eine platzsparende Anordnung werden die genannten Kanäle bzw. Luftfuhrungswege

U-, S- oder C-formig ausgebildet, so dass eine insgesamt kom ^¬ pakt als Einsteckelement bauende Vorrichtung gebildet wird.

Eine gemäße der Lehre der WO 03/089884 Al ausgebildete Luft- massenmessvorπchtung unter Verwendung eines als Heißfilmane- mometer ausgebildeten Sensors hat sich prinzipiell bewahrt. Es hat sich jedoch bei Sensoren der genannten Art herausgestellt, dass sie in bestimmten Anwendungsfallen wenigstens

vorübergehend unzuverlässige Ergebnisse liefern können, ver ^¬ sagen oder aufgrund eines Komplettausfalls ausgetauscht wer ^¬ den müssen. Als Ursachen für derartige temporare Fehlfunktio- nen oder gar Sensorausfalle wird die Tatsache angesehen, dass sich in angesaugter Luft neben Salzen, Schmutz- und/oder Russpartikeln auch Wasser in Tropfenform befinden kann. Im Laufe eines Einsatzes können sich damit an der Oberflache eines Sensorelements nicht nur Schmutzpartikel unter Veränderung des Wärmeübergangs und einer entsprechenden Sensordrift anlagern, es können auch Wassertropfen den Heißfilmsensor mit der Folge benetzen, dass der Sensor unter starkem Anstieg eines Ausgangssignals einen Wassertropfen bis zu dessen Verdampfung und einer entsprechenden Beseitigung der Störung erhitzen muss. Dieser Signalanstieg verfälscht das Ausgangssig- nal. Ferner können auch in um den eigentlichen Sensor herum angeordneten Bereichen offen liegende Metallteile durch Wasser überbrückt werden, wodurch das Signal ebenfalls gestört wurde .

Nicht zuletzt muss darauf hingewiesen werden, dass Wasser u- ber einen längeren Zeitraum hinweg auch korrosiv wirkt. Zum Schutz der sensornah untergebrachten Elektronik ist daher regelmäßig eine Abdeckung mit Silgel als Korrosionsschutz vor ^¬ gesehen. Em derartiger Korrosionsschutz kann jedoch bei zu starken Erschütterungen, insbesondere von Beschleunigungen mit mehr als 30-facher Erdbeschleunigung, zu einer Zerstörung von leitenden Kontakten fuhren, die im Bereich der Elektronik regelmäßig in Form von Bonddrahten ausgeführt sind.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Luftmassensensor der eingangs genannten Art zu schaffen, der eine verbesserte Zuverlässigkeit und Langlebigkeit aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen An- spruchs gelost. Vorteilhafte Ausfuhrungsformen sind Gegens ^¬ tand der abhangigen Ansprüche.

Erfindungsgemaß ist das Sensorelement eines Luftmassenmessers mit einer Parylene HT-Beschichtung überzogen.

Parylene ist als inertes, hydrophobes, optisch transparentes, biokompatibles, polymeres Beschichtungsmaterial mit einem weiten industriellen Anwendungsspektrum bekannt. Eine Be- schichtung mit diesem Material wird unter Vakuum durch Kondensation aus einer Gasphase heraus als porenfreier und transparenter Polymerfilm auf ein Substrat konturkonform auf- getragen. Aufgrund der gasformigen Abscheidung erreicht und beschichtet Parylene auch Bereiche und Strukturen, welche mit flussigkeitsbasierten Verfahren nicht erreichbar sind, wie beispielsweise scharfe Rander und Spitzen oder enge tiefe Spalten. In einem Arbeitsgang können Beschichtungsdicken von 0,1 μm bis 50 μm aufgebracht werden, wobei als Substratmate- πalien beispielsweise Metall, Glas, Papier, Lack, Kunststoff, Keramik, Ferrit und Silikone, Mikroporen- und pinhole- frei ab einer Schichtdicke von etwa 0,2 μm beschichtet werden können. Zudem erfolgt eine derartige Beschichtung ohne jede Temperaturbelastung eines Substrates, da sie unter Raumtemperatur im Vakuum durchgeführt wird.

Diese Beschichtung bietet einen sehr guten Korrosionsschutz bei absolut gleichförmiger Schichtausbildung, die jedoch nur bis 220°C in den bekannten Parylene-Zusammensetzungen temperaturbeständig ist. Bei einer Ansaugluft mit Temperaturen im Bereich von 125°C bis 130 ⁰ C und einer durch einen auch als Heißfllmanemometer bezeichnetes Sensorelement zu bewirkenden Ubertemperatur von 150 ⁰ C wird mit Heiztemperaturen von 250 ⁰ C bis etwa 280 ⁰ C die bisherige Grenze einer Temperaturbeständigkeit bekannter Zusammensetzungen einer Parylene- Beschichtung deutlich überschritten. Mit einem entsprechenden Sicherheitszuschlag muss eine Beschichtung eine ausreichende Temperaturbeständigkeit bis circa 350 ⁰ C aufweisen. Bei sonst gleichen Verarbeitungsbedingungen und Eigenschaften weist erst die neuartige Parylene HT-Beschichtung, wie sie von der Firma SCS Special Coating Systems angeboten wird, diese Eigenschaften auf.

Em erfindungsgemaßes Sensorelement weist durch seine Außen- ummantelung mit einer Parylene HT-Beschichtung eine geschlossene Oberflache auf, die hydrophob ist und auch als sehr dun- ne Schicht eine herabgesetzte Oberflachenrauhigkeit aufweist. Damit ist ein derartiges Sensorelement hinsichtlich seiner Neigung zur Ablagerung und Anlagung von Schmutzpartikeln verbessert. Das Sensorelement bietet jedoch auch Wassertropfen gegenüber eine deutlich verschlechterte Anhaftungsflache . An- stelle der sonst zu beobachtenden und ein Ausgangssignal ver ^¬ fälschenden Verdampfung ist also zumindest teilweise mit einem Fortreißen von Wassertropfen durch den Luftstrom zu rechnen. Ferner sind nun elektrisch leitende metallische Bereiche elektrisch so weit ausreichend isoliert, dass angelagerte Wassertropfen keine Kurzschlüsse mehr verursachen können und auch in sonstiger Hinsicht nicht weiter korrosiv einwirken können .

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend unter Beschreibung eines Ausfuhrungsbeispiels mit Bezugnahme auf die Abbildungen der Zeichnung angegeben. In der Zeichnung zeigen in schematisierter Darstellung:

Figur 1: einen Längsschnitt durch einen erfmdungsgemaßen

Luftmassenmesser bestehend aus einem Rohrstuck mit eingesetztem Sensorgehause;

Figur 2: eine perspektivische Darstellung des Heißfllmanemo- meters aus Figur 1 bei geöffnetem Gehäuse;

Figur 3a: einen Längsschnitt durch eine erfmdungsgemaß aufgebautes und beschichtetes Sensorelement mit benachbarter elektronischer Beschaltung und umgeben- den Gehäuse und

Figur 3b: einen Längsschnitt einer bekannten Sensoranordnung in einer Einbaulage in dreidimensionaler Darstellung.

über die verschiedenen Abbildungen hinweg werden nachfolgend gleiche Begriffe und Bezugszeichen für gleiche Bauelemente verwendet werden.

Figur 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Luftmassenmesser bestehend aus einem Rohrstuck 1 mit einem darin eingesetzten und fixierten Sensor 2 gemäß der Lehre der DE 101 35 819 Al in einem Gehäuse 3 gemäß der WO 03/089884 Al. Dieses Rohr ^¬ stuck 1 kann z. B. als Ansaugrohr in einem Personenkraftwagen im Motorraum die Luft von einem hier nicht dargestellten Luftfilter und/oder Ladeluftkuhler zu einer ebenfalls nicht weiter dargestellten Brennkraftmaschine fuhren.

Aus dem Ansaugrohr 1 wird ein Teil der angesaugten Luft durch das in das Ansaugrohr 1 hineinragende Gehäuse 3 abgezweigt und durch eine Einlassoffnung 4 in den Luftmassenmesser 2 gefuhrt. Die Luft strömt dann in dem Gehäuse 3 von der Einlass- offnung 4 über ein Hilfsrohr 5 zu einer Auslassoffnung 6. Dabei strömt die Luft an einem Sensorelement 7 und einem Sensorelement 8 vorbei. Derartige Sensorelemente 7, 8 sind als temperaturabhangige Widerstände ausgebildet, die in der Regel in Form einer Wheatstone ' sehen Brücke miteinander verschaltet sind. Mit Sensorelement 7 wird die Temperatur der einströmenden Luftmasse bestimmt. Die vorbeistromende Luft kühlt das beheizte Sensorelement 8 ab, wobei ein Messsignal erzeugt wird, das repräsentativ für den Luftmassenstrom ist, der an den Sensorelementen 7, 8 vorbeistromt .

Der Luftmassenmesser 2 weist zudem in dem Gehäuse 3 Ausnehmungen auf, in denen unter anderem auch eine hier nur angedeutete Elektronik 9 integriert ist. Unter Schaffung sehr kurzer Signalwege wird den Sensorausgangssignalen mittels der Auswerteelektronik 9 des Massenstrommessers ein entsprechender Massenstromwert unter Berücksichtigung der Tatsache zugeordnet, dass von dem in der mit dem Pfeil 10 dargestellten Hauptstromungsπchtung stromenden Luftmassenstrom nur ein

Teilstrom innerhalb des Sensorgehauses 3 ausgewertet wird. Die Zuordnung der Sensorsignale zu den Massenstromwerten er ^¬ folgt über eine Kennlinie und kann analog oder digital erfolgen .

In einer Vorrichtung 1 gemäß Figur 1 findet also ein Luftmas ^¬ sensensor auf der Grundlage eines Heißfilmanemometers Einsatz. Em hier verwendetes Heißfilmanemometer 2 ist in perspektivischer Darstellung bei geöffnetem Gehäuse 3 in Figur 2 wiedergegeben. Es besteht aus zwei Sensoren 7, 8 und dazuge ^¬ höriger Elektronikschaltung 9 für den Temperaturfühler 7 und den mit Heizleistung versorgten Sensor 8. Ein Schichtaufbau eines in Form eines Wafers gefertigten und nachfolgend vereinzelten Sensors 7, 8 umfasst ein dünnes Tragermateπal aus ca. 150 μm dickem Glas, auf dem eine temperaturabhangige Widerstandsschicht auf einer Molybdan-Basis mit einer Mächtigkeit von etwa 0,8 bis 1 μm aufgetragen ist. Diese Widerstandsschicht wird durch eine nur ca. 350 nm starke Passivie- rungsschicht überdeckt, die eine durch Oxidationsprozesse hervorgerufene Widerstandsdrift verhindert. Da sich in der

Ansaugluft jedoch neben Sauerstoff auch Schmutzpartikel, Salze und Feuchtigkeit selbst in Tropfenform befinden, muss auf den vorstehend beschriebenen Schichtaufbau eine weitere Schicht zum Schutz vor Feuchtigkeit und Verschmutzung, die zu Kurzschlüssen an der Widerstandsschicht fuhren können, aufgetragen werden. Als Schutz wird derzeit eine ca. 5 μm starke Polyimid-Schutzschicht aufgetragen. Der Sensor ist derzeit also mit zwei Deckschichten aufgebaut, da die erste Deckschicht prozesstechnisch bedingt sehr kleine Locher aufweist, sog. Pinhols. Um die darunterliegende Widerstandsschicht vor Kurzschlüssen durch Feuchtigkeit und Schmutz zu schützen, wird die zweite Schutzschicht benotigt.

Bei einer Ansaugluft mit Temperaturen in einem Bereich von 125°C bis 130 ⁰ C und einer durch das als Heißfilmanemometer ausgebildete Sensorelement 7 zu bewirkenden Ubertemperatur von 150°C wird mit Heiztemperaturen von insgesamt etwa 250 ⁰ C bis etwa 280 ⁰ C eine Grenze einer Temperaturbeständigkeit be-

kannter Beschichtungen überschritten. Mit einem entsprechenden Sicherheitszuschlag muss eine Beschichtung an einer Ober ^¬ flache 15 eine ausreichende Temperatur-Dauerbestandigkeit bis circa 300°C aufweisen. Dünne Schichten sind für diese Art Sensoren notwendig um die thermische Trägheit des Sensors zu minimieren. An dieser Stelle wird nun eine Beschichtung mit Parylene HT vorgesehen: Das Material Parylene HT ist hydrophob, wasserundurchlässig, hochtemperaturfest bis ca. 350 ⁰ C, und kann außerdem m sehr dünnen Schichten von <_ 2 μm aufge- tragen werden.

In einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel wird der fertige Sensor 7, 8 in bekannter Weise auf elektrisch leitende Kontakte 12, 13 der Elektronik 9 aufgelotet. Im Betriebsfall liegen an den beiden Kontakten 12, 13 unterschiedliche elektrische Spannungen an. Durch eine in der Praxis beobachtete Verschmutzung auf einem Sensor 7, 8 werden die beiden elektrischen Potentiale sehr nahe an die Kontakte 12, 13 herangebracht. Unter der Einwirkung von Feuchtigkeit korrodiert kann einer der Kontak- te 12, 13 oder aber das Sensormateπal korrodieren. Dadurch kommt es zu einem Ausfall dieses Sensors 7, 8 und damit des kompletten Gerätes noch vor Erreichen seiner Lebensdauer.

Zu den Sensoren 7, 8 gehört auch eine Auswerteelektronik 9, auf der neben einer Messsignalaufbereitung und Auswertung auch eine elektrische Versorgung der Sensoren 7, 8 durchgeführt wird. Bei einem Serienprodukt befindet sich die Auswer ^¬ teelektronik 9 auch im Ansaugtrakt und wird so ebenfalls mit Ansaugluft beaufschlagt. Daher muss auch die Auswerteelektro- nik 9 vor Feuchtigkeit und aggressiven Gasen, wie z.B. Kfz- Abgasen, geschützt werden. Derzeit wird die Auswerteelektro ^¬ nik 9 z.B. mit einem Silgel dick überzogen und muss vor den nächsten Arbeitsschritten ausgehartet werden.

Erfmdungsgemaß werden gemäß der Ausfuhrungsform von Figur 2 die Sensoren 7, 8 und die Auswerteelektronik 9 als Sensortra- ger im bereits geloteten Zustand mit Parylene HT beschichtet. Dadurch liegen nun keine der elektrisch leitenden Kontakte

12, 13 mehr frei. Em Korrodieren der Anschlusskontakte 12, 13 und/oder eines Sensors 7, 8 wird dadurch dauerhaft und zu ^¬ verlässig vermieden. Damit wird in einer letzten Ausfuhrungsform auch die Elektronik mit Parylene beschichtet. Dies ge- schieht in dem gleichen Arbeitsgang zusammen mit der Be- schichtung der Sensoren und Metallteile. Es ergibt sich damit ein komplettes Modul aus Hilfskanal 5, Sensoπk bzw. Sensoren

7, 8 und zugehöriger Auswerteelektronik 9, das zumindest an seiner Innenseite mit Parylene HT beschichtet ist. Durch die Beschichtung des kompletten Moduls werden die Sensoren, offene Metallteile und die Elektronik vor direktem Schadstoffkon- takt und Feuchtigkeit geschützt, die in Figur 3a in einer perspektivischen Schnittdarstellung gezeigt sind.

Durch die Wasser abweisende Wirkung der Beschichtung mit Parylene HT werden Wassertropfen schneller von den Sensoren 7,

8, Metallteilen und Kontakten 12, 13 und dem Hilfsrohr bzw. Stromungskanal 5 abtransportiert. Zum Vergleich mit einem kompletten Rohrstuck 1 gemäß Figur 3b weist eine auf einen Bereich des Moduls nach Figur 3a, der in einer Einbaulage in den Rohrinnenraum hineinragt, beschrankte Beschichtung eine vergleichsweise geringe Flache auf. Der gewählte Aufbau gibt also auch die Möglichkeit, die Beschichtung mit Parylene HT auf die Bereiche zu beschranken, die im realen Einsatz mit dem angedeuteten Luftstrom in Kontakt treten.