Beschreibung

Luftmassenmesser

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Luftmassenmesser mit mindestens einem Sensorelement, das zur Bestimmung einer vorbeiströmenden Luftmasse ausgebildet ist.

Ein 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 Brennräumen zugeführt wird. Im Ergebnis wird dadurch eine bessere Energieausnutzung bei verringertem 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 Gesamtströmung den Luftmassensensor durchströmt. Hierzu ist dieser als Einsteck- kanal-Luftmassenmessvorrichtung ausgebildet und umfasst einen in einem Messkanal angeordneten mikromechanischen 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. Luftführungswege U-, S- oder C-förmig ausgebildet, so dass eine insgesamt kompakt als Einsteckelement bauende Vorrichtung gebildet wird.

Eine gemäß der Lehre der WO 03/089884 Al ausgebildete Luft- massenmessvorrichtung unter Verwendung eines als Heißfilm- Anemometer ausgebildeten Sensors hat sich prinzipiell bewährt. Hierin umgibt ein Gehäuse mit Bypass- bzw. Strömungskanal den Sensor in unmittelbarer Nachbarschaft zu einer zugeordneten Auswertungselektronik, so dass der Einfluss insbe-

sondere von elektro-magnetischen Störgrößen und sonstigen negativen Umwelteinflüssen minimiert wird.

Es hat sich jedoch bei Sensoren jeder bekannten Art herausge- stellt, dass sie unter bestimmten Umständen vorzeitig versagen und aufgrund eines Komplettausfalls ausgetauscht werden müssen. Als Ursache für derartige Sensorausfälle ist die Tatsache angesehen, dass sich in angesaugter Luft neben Wasser und Salzen auch Schmutz- und/oder Russpartikeln befinden kön- nen . Schmutzpartikel können in den Strömungskanal des Luftmassenmessers gelangen und dort das Sensorelement beschädigen. Gerade bei mikromechanischen Sensorelementen ist die Gefahr eines Sensorausfalls durch eine Beschädigung des Sensors sehr groß .

Aus dem Stand der Technik sind Ansätze bekannt, den Einfluss von Verschmutzungen zu mildern. Bisher wird durch ein geeignetes Kanaldesign mittels Bypass verhindert, dass Partikel aus dem Hauptkanal in den Bypass als eigentlichen Messkanal gelangen und dort Schaden anrichten. Dieser Aufbau ist jedoch recht aufwändig und damit auch in einer Massenfertigung vergleichsweise teuer.

Nicht zuletzt muss darauf hingewiesen werden, dass zum Schutz der sensornah untergebrachten Elektronik regelmäßig eine Abdeckung mit Silgel als Korrosionsschutz vorgesehen ist. Ein derartiger Korrosionsschutz kann jedoch bei zu häufigen Erschütterungen, insbesondere von Beschleunigungen mit mehrfacher Erdbeschleunigung, zu einer Zerstörung von leitenden Kontakten führen, die im Bereich der Elektronik regelmäßig nur in Form von sehr dünnen Bonddrähten ausgeführt sind.

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

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Wesentlich für eine erfinderische Lösung ist der Ansatz, wonach in zwei Arten von Verschmutzung in einem Sensorkanal unterschieden wird:

1. Leichte Partikel, die der Strömung folgen und maßgeblich vom Strömungsprofil im Kanal abhängen. Diese führen i.d.R. zu einer Verschmutzung. Mit verschiedenen Kanalvariationen kann der Einfluss derartiger Ablagerungen über die Lebensdauer eines Luftmassenmessers bis zu einem zulässigen Maß gemindert werden.

2. Neben den leichten Partikeln können aber auch schwere

Partikel mit Durchmessern von ca. 150 μm auftreten, die sich aufgrund ihrer Masse wie Geschosse verhalten. Derartige schwere Partikel bewegen sich von einer umgeben- den Luftströmung weitgehend unbeeindruckt. Diese schweren Partikel waren bei bekannten Sensorsystemen älterer Bauart wegen deren Robustheit unkritisch. Im Zeitalter der Mikromechanik stellen sie aber eine große Bedrohung für die empfindlichen Messelemente dar. Dementsprechend müssen nun für die Sensorelemente Schutzmaßnahmen vorgesehen werden. Die wohl gängigste Methode besteht darin, die Luft durch einen Hauptkanal zu führen, der an einer Verengung über einen Bypass verfügt. Durch den Druckanstieg an der Verengung wird der Bypass mit Luft ver- sorgt. Die schweren Partikel fliegen zu einem hohen Grad am Bypass vorbei und können dem Sensor damit nicht gefährlich werden.

Nach einem erfindungsgemäßen Ansatz sind schwere Partikel mit Billardkugeln vergleichbar, die sich streng nach Reflektions- gesetzen bewegen, wie sie aus der klassischen Optik her bekannt sind. Erfindungsgemäß ist das Sensorelement des Luft- massenmessers von einem Gehäuse umgeben, das einen geometrisch derart ausgeformten Leitkanal aufweist, dass schwere Partikel zuverlässig von einem Sensorelement hinweg reflektiert oder mindestens vor Erreichen des Sensorelements wesentlich abgebremst werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Leitkanal des Gehäuses dazu eine besondere Geometrie auf, die in Abstimmung mit einer jeweiligen Position eines Sensorelementes steht. Demnach wird die Luftströmung gegen eine im Wesentlichen senkrechte Wand geführt. Auf der Oberfläche dieses Bereiches befindet sich eine Schicht aus rechtwinkligen Pyramiden. Diese Schicht dieses Bereiches hat, ähnlich dem sog. Katzenauge und ähnlich wirkenden flächenhaften Rückstrahlern bzw. Retro- Reflektoren nach dem Prinzip von Tripelspiegel-Arrays aus dem Bereich der Optik, die Eigenschaft eintreffende Partikel, die kleiner als die Pyramiden sind, wieder im selben Winkel zurückzuwerfen. Hierzu sind die Pyramiden größer als ein größter, vernünftigerweise zu erwartender Durchmesser eines Schmutzpartikels .

Eine Geometrie einer jeweiligen Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass sie eine Luftströmung ohne Wirbel oder Ablösungen etc. leitet; d.h. keine Aufweitung des Strömungskanals erlaubt. Vorzugsweise verringert die Strömungsführung ihren Querschnitt zum Sensor hin stetig.

Durch eine der vorstehend genannten Maßnahmen gelangen bei vergleichsweise einfachem Aufbau deutlich weniger Partikel zu einem Sensorelement. Dadurch kann die Lebensdauer des betref- fenden Sensors bei einfachem Aufbau ohne weitere Schutzmaßnahmen wesentlich erhöht werden. Eventuell wäre es sogar möglich, unter Verwendung des aufgezeigten Prinzips ganz auf ei-

nen Leitkanal bzw. einen Mess-Bypass in einem Sensorgehäuse zu verzichten. In einer Ausführungsform der Erfindung wird unter Realisierung einer vorstehend beschriebenen Geometrie dementsprechende in dem Hauptkanal bzw. Ansaugrohr direkt dort gemessen, wo vergleichsweise günstigere Strömungsverhältnisse existieren.

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

Figur 1: einen Längsschnitt durch ein Gehäuse eines erfin- dungsgemäßen Luftmassenmessers und

Figur 2: einen Längsschnitt durch einen bekannten Luftmassenmesser bestehend aus einem Rohrstück mit eingesetztem Sensorgehäuse.

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

Figur 2 zeigt einen Längsschnitt durch einen Luftmassenmesser bestehend aus einem Rohrstück 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- stück 1 kann z. B. als Ansaugrohr in einem Personenkraftwagen im Motorraum die Luft von einem hier nicht dargestellten Luftfilter und/oder Ladeluftkühler zu einer ebenfalls nicht weiter dargestellten Brennkraftmaschine führen.

Aus dem Ansaugrohr 1 wird ein Teil der angesaugten Luft durch das in das Ansaugrohr 1 hineinragende Gehäuse 3 abgezweigt und durch eine Einlassöffnung 4 in den Luftmassenmesser 2 ge-

führt. Die Luft strömt dann in dem Gehäuse 3 von der Einlassöffnung 4 über ein Hilfsrohr bzw. einen Leitkanal 5 zu einer Auslassöffnung 6. Dabei strömt die Luft an einem Sensorelement 7 und einem Sensorelement 8 vorbei. Derartige Sensorele- mente 7, 8 sind als temperaturabhängige 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 vorbeiströmende Luft kühlt das beheizte Sensorelement 8 ab, wobei ein Messsignal erzeugt wird, das repräsentativ für den Luftmassenstrom ist, der an den Sensorelementen 7, 8 vorbeiströmt .

Der Luftmassenmesser 2 weist zudem in dem Gehäuse 3 Ausneh- mungen 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 zuge- ordnet, dass von dem in der mit dem Pfeil 10 dargestellten Hauptströmungsrichtung strömenden Luftmassenstrom nur ein Teilstrom 11 innerhalb des Sensorgehäuses 3 ausgewertet wird. Die Zuordnung der Sensorsignale zu den Massenstromwerten erfolgt über eine Kennlinie und kann analog oder digital erfol- gen.

In einer Vorrichtung 1 gemäß Figur 2 findet ein Luftmassensensor auf der Grundlage eines Heißfilmanemometers Einsatz. Ein derartiges Heißfilmanemometer 2 besteht aus einem in Form eines Wafers gefertigten und nachfolgend vereinzelten

Schichtaufbaus. Als solcher umfasst ein Sensorelement ein dünnes Trägermaterial aus ca. 150 μm dickem Glas, auf dem eine temperaturabhängige Widerstandsschicht auf einer Molybdän- Basis mit einer Mächtigkeit von etwa 0,8 bis 1 μm aufgetragen ist. Diese Widerstandsschicht wird durch eine nur ca. 350 nm starke Passivierungsschicht überdeckt, die eine durch Oxida- tionsprozesse 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 Verschmut- zung, die zu Kurzschlüssen an der Widerstandsschicht führen können, aufgetragen werden. Als Schutz wird derzeit z.B. eine ca. 5 μm starke Polyimid-Schutzschicht aufgetragen.

Damit liegt ein Sensorelement von seinem Durchmesser her im Bereich der Durchmesser schwerer Schmutzpartikel. Derart dünne oder gar noch dünnere Schichtmächtigkeiten sind für diese Art Sensoren zur Minimierung der thermischen Trägheit des Sensors notwendig. Bei Betrachtung der verwendeten Materialien und deren Sprödigkeit ist leicht erkennbar, wie gefähr- det hinsichtlich Abplatzungen oder Bruch ein derartiger Aufbau beim Auftreffen schwerer Schmutzpartikel mit entsprechend hoher Auftreffgeschwindigkeit ist.

Figur 1 zeigt nun einen vergrößerten Ausschnitt aus einem Längsschnitt durch ein Gehäuse eines erfindungsgemäßen Luftmassenmessers. Der Teilstrom 11 der angesaugten Luft wird durch das in das Ansaugrohr 1 analog Figur 2 hineinragende Gehäuse 3 abgezweigt und durch die Einlassöffnung 4 in den Luftmassenmesser 2 geführt. Der Teilstrom 11 strömt also wei- terhin in dem Gehäuse 3 von der Einlassöffnung 4 durch das Hilfsrohr bzw. den Bypass 5 zu der Auslassöffnung 6. Dabei strömt die Luft entlang eines Strömungsweges 12 erst nach Durchlaufen eines Umlenkungsabschnitts 13 an dem Sensorelement 7 vorbei. In dem Umlenkungsabschnitt 13 ist ein Bereich 14 vorgesehen, auf deren Oberfläche sich eine Schicht aus Pyramiden 15 befindet. Die Pyramiden 15 weisen Außenseiten aus rechtwinkligen Dreiecken und eine quadratische Grundseite auf. Diese Schicht hat die Eigenschaft, eintreffende Partikel, die kleiner als die Pyramiden 15 sind, wieder im selben Winkel zurückzuwerfen. Dieser Effekt ist ähnlich dem des sog. Katzenauges aus dem Bereich der klassischen Optik: Ein retro- reflektierender Rückstrahler bzw. ein flächiges "Katzenauge"

umfasst viele kleine Winkelreflektoren . Dabei werden verspiegelte Vertiefungen in Form einer beispielsweise dreiseitigen Pyramide bzw. einer Würfel-Ecke in einem flächigen Array angeordnet. Da im vorliegenden Fall Stoßvorgänge im Tragen kom- men, kann hier eine Verspiegelung entfallen.

Anhand eines schweren Partikels bzw. Schmutzpartikels 16 wird nachfolgend skizziert, wie sich ein solcher Störkörper entlang einer Bahn 17 mit einer Anfangsgeschwindigkeit V ₁ durch das Hilfsrohr 5 bewegt: Der Schmutzpartikel 16 trifft nach

Durchlaufen eines an die Einlassöffnung 4 anschließenden ersten Rohrabschnitts in dem Umlenkungsabschnitt 13 auf den Bereich 14, wo er durch Stoßvorgänge an den Außenflächen zweier benachbarter Pyramiden 15 umgelenkt wird. Schwere bzw. masse- reiche Schmutzpartikel 16, die sich wie Geschosse und in guter Näherung vergleichbar mit Billardkugeln verhalten, bewegen sich streng nach Reflektionsregeln . Sie bleiben also in ihrer Bewegungsbahn auch von der Luftströmung 11 weitgehend unbeeindruckt. Nach einem Verlust von kinetischer Energie, hervorgerufen durch zwei Stoßvorgänge in dem Bereich 14, ver- lässt der Schmutzpartikel 16 in diesem Beispielszenario damit das Hilfsrohr 5 des Gehäuses 3 durch die Einlassöffnung 4 mit einer Endgeschwindigkeit v ₂ unter nur marginalem Parallelversatz wieder in die Richtung, aus der er ursprünglich gekommen war. Es kann somit in diesem Fall schon prinzipiell gar nicht zu einer Kollision mit dem Sensor 7 kommen. Unter anderen, hier nicht dargestellten Einfallswinkeln treffen massereichere Schmutzpartikel 16 erst nach einer ganzen Anzahl von abbremsenden Stößen im Umlenkungsabschnitt 13 auf den Sensor 7. Auch in diesem Fall können derartige Schmutzpartikel 16 keine schwerwiegenden Beschädigungen mehr an dem Sensor 7 hervorrufen, so dass sich die Lebens- und Einsatzdauer eines Sensors 7 in einer vorstehend beschriebenen Vorrichtung gegenüber aktuell üblichen Anordnungen bei geringem Mehraufwand deutlich verlängert.