Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung einer strömenden Luftmenge nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Aus dem SAE-Technical-Paper-Series 88 05 60, Seiten 105 - 109, ist bereits eine Einrichtung zur Messung einer strömenden Luftmenge nach der Gattung des Hauptanspruchs bekannt, bei der der Heizschichtwi¬ derstand auf der einen Seite des isolierenden Substrats und der zur Erfassung der Temperatur des Heizschichtwiderstandes dienende Sen¬ sorschichtwiderstand auf der anderen Seite des isolierenden Sub¬ strats, dem Heizschichtwiderstand gegenüberliegend, angeordnet ist, wobei diese beiden Widerstände flächenhaft auf die ebene Oberfläche des isolierenden Substrats aufgebracht sind. Weil das isolierende Substrat aber aus Stabilitätsgründen eine bestimmte Mindestdicke nicht unterschreiten darf, bedeutet ein derartiger Aufbau, daß die thermische Kopplung zwischen den beiden genannten Widerständen über das dazwischenliegende isolierende Substrat nicht ausreichend sein kann. Einmal findet der Wärmeübergang durch das isolierende Substrat hindurch nicht schnell genug statt, zum anderen wird ein Teil der im Heizschichtwiderstand entstehenden Verlustwärme im isolierenden Sub¬ strat parallel zur Substratoberfläche seitlich abgeführt, so daß die

Temperaturerfassung mit Hilfe des Sensorschichtwiderstandes ungenau und träge ist.

Aus der US-PS 43 82 247 ist des weiteren eine Druck eßdose bekannt, die eine druckempfindliche Membran enthält, die aus einer aus Glas¬ keramik bestehenden Blase besteht, die auf einem isolierenden Sub¬ strat in Dickschichttechnik hergestellt ist.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Messung einer strömenden Luft¬ menge mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat ge¬ genüber der eingangs beschriebenen bekannten Einrichtung zur Messung einer strömenden Luftmenge den Vorteil, daß der Sensorschichtwider¬ stand und der Heizschichtwiderstand von dem isolierenden Substrat und von den darauf gegebenenfalls aufgebrachten weiteren Komponenten thermisch sehr gut abgekoppelt werden und daß die gegenseitige ther¬ mische Kopplung zwischen dem Sensorschichtwiderstand und dem Heiz¬ schichtwiderstand erheblich verbessert wird. Dadurch werden kurze Ansprechzeiten erreicht. Aus dem Unteranspruch 3 ergibt sich der Vorteil einer sehr guten thermischen Abkopplung des weiteren Sensor¬ schichtwiderstandes von dem isolierenden Substrat und einer sehr gu¬ ten thermischen Kopplung dieses Widerstandes mit der vorbeiströmen¬ den Luft, deren Temperatur durch diesen Widerstand gemessen werden soll. Weitere Vorteile ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen 2 und 4 bis 8 und aus der Beschreibung.

Zeichnung

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 das elektrische Schaltbild eines bekannten und des erfin¬ dungsgemäßen Luftmassendurchflußmessers,

Figur 2 einen Luft assendurchflußmesser nach der Erfindung, teilwei¬ se im Schaltbild, teilweise in der schematisch gezeichneten Drauf¬ sicht auf ein in Dickschichttechnik ausgeführtes Sensorelement,

Figur 3 einen Schnitt nach der Linie III - III der Figur 2,

Figur 4 einen Schnitt nach der Linie IV - IV der Figur 2,

Figur 5 einen Luftmassendurchflußmesser nach der Erfindung zur Mes¬ sung der angesaugten Luftmenge im Saugrohr eines Kraftfahrzeuges, schematisch.

Beschreibung der Erfindung

Der in Figur 1 in seinem elektrischen Schaltbild dargestellte erfin¬ dungsgemäße Luftmassendurchflußmesser enthält eine Brückenschaltung, die in an sich bekannter Weise mit einem extern angeordneten, mit einem der Brückenwiderstände thermisch gekoppelten Heizschichtwider- stand R derart zusammenarbeitet, daß der durch den Heizschichtwi- H derstand fließende Heizstrom ein Maß für die vorbeiströmende Luft¬ menge ist.

An die Spannung U einer Kraftfahrzeugbatterie ist ein aus einem Widerstand R und einer Zenerdiode Z bestehender Spannungsteiler angeschlossen, wobei der Minuspol der Batterie und die Anode der Zenerdiode gleichzeitig an Masse angeschlossen sind. Zwischen dem Abgriff T des Spannungsteilers R , Z und Masse wird eine weitge¬ hend konstante Spannung U„ bereitgestellt. An die Spannung U

K K. ist ein aus den Widerständen R , R und R bestehender erster Brückenzweig einer Brückenschaltung angeschlossen, dem ein aus den Widerständen und R bestehender zweiter Brückenzweig paral-

._> lelgeschaltet ist. Der Verbindungspunkt zwischen den Widerständen R und R ist an den invertierenden Eingang, der Verbindungs-

punkt zwischen den Widerständen R und an den nicht invertie-

<> -_> renden Eingang eines Operationsverstärkers OP gelegt, dessen Ausgang an die Basis eines Leistungstransistors LT angeschlossen ist. Der Emitter des Leistungstransistors LT liegt an der Plusklemme der Bat¬ terie. Der Kollektor des Leistungstransistors LT ist über den Heiz¬ schichtwiderstand R H an Masse angeschlossen, wobei der Heiz- schichtwiderstand R mit einem Sensorschichtwiderstand R , der

H S

Bestandteil der Brückenschaltung ist, thermisch gekoppelt ist. Der Kollektor des Leistungstransistors LT ist des weiteren über einen Widerstand an die Ausgangsklemme A des Luftmassendurchflußmes- sers angeschlossen. Die zwischen der Klemme A und Masse abgenommene AusgangsSpannung U des Luftmassendurchflußmessers ist ein Maß für die zu messende Menge der vorbeiströmenden Luft.

Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung nach Figur 1 ist im ein¬ zelnen folgende:

Im stationären Zustand ist die Widerstandsbrücke R , R , R , R , R so abgestimmt, daß am Operationsverstärker OP nur eine sehr kleine Differenzspannung U anliegt. Diese steuert über den Operationsverstärker OP den Leistungstransistor LT, der den Strom für den Heizschichtwiderstand XI im stationären Zustand begrenzt.

Der Heizschichtviderstand R und somit auch der Sensorschichtwi-

X derstand R haben in jedem Betriebszustand (bei beliebiger Durch- flußmenge) annähernd die gleiche Temperatur und damit auch einen be¬ stimmten Widerstandswert.

Bei einer Änderung der Durchflußmenge der störmenden Luft ändern sich die Kühlungsverhältnisse für Heizschichtwiderstand und Sensor¬ schichtwiderstand. Wird beispielsweise die Luftmasse erhöht, dann werden beide Widerstände R und stärker gekühlt. Der Wider-

H S stand bekommt dadurch einen höheren Widerstandswert, der die Brücke verstimmt. Die dadurch erhöhte Differenzspannung U führt

über den Operationsverstärker OP und den Leistungstransistor LT zu einem erhöhten Strom durch den Heizschichtwiderstand R , der sich so lange aufheizt, bis beide Widerstände R und R wieder ihre

H S

Ausgangstemperatur erreicht haben und die Brücke wieder nahezu abge¬ glichen ist.

Bei dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel eines erfin- dungsgemäßen Luftmassendurchfluß essers sind die Widerstände R ,

R-, R_ und R aus Figur 1 auf einem Keramiksubstrat 10 (Figur

H S T

3) in Dickschichttechnik integriert und bilden zusammen mit dem Sub¬ strat 10 das der strömenden Luft ausgesetzte Sensorelement.

Der Widerstand ist in üblicher Dickschichttechnologie ebenflä¬ chig auf das Keramiksubstrat 10 aufgebracht.

Die ebenfalls in Dickschichttechnologie hergestellten Widerstände

R und R -sind dagegen gut wärmeleitend, aber elektrisch gegen- H einander isoliert, in einer Dickschichtblase 11 untergebracht, die auf dem Keramiksubstrat 10 oberhalb eines auf diesem angeordneten Podests 17 (Figur 3) aufgewölbt ist und in Figur 2 mit gestricheltem Linienzug angedeutet ist.

Der zur Erfassung der Temperatur der strömenden Luftmenge dienende weitere Sensorschichtwide'rstand R ist in ähnlicher Weise wie die beiden Widerstände R und R in einer weiteren Dickschichtblase

H S

12 untergebracht, die in Figur 2 ebenfalls mit gestricheltem Linien¬ zug angedeutet ist.

Figur 3 zeigt einen Schnitt nach der Linie III - III der Figur 2. Wie aus Figur 3 erkennbar, sind in der Dickschichtblase 11 die bei¬ den Schichtwiderstände R und R durch eine Zwischenschicht 13

H aus Glas voneinander getrennt. Die Zwischenschicht 13 isoliert die beiden Schichtwiderstände R und R elektrisch gegeneinander,

H

ist aber andererseits gut wärmeleitend ausgeführt, so daß die im Wi¬ derstand R erzeugte Verlustwärme leicht auf den Sensorschichtwi-

XI derstand übertreten kann.

Die Membran 14 der Blase 11 ist in Dickschichttechnik hergestellt und durch Einlagerung von Glas verstärkt. Auf der Membran 14 ist das aus dem Heizschichtwiderstand R , der Zwischenschicht 13 und dem

XX

Sensorschichtwiderstand R bestehende Schichtsystem angeordnet, wobei der Sensorschichtwiderstand R zwischen der Membran 14 und dem Heizschichtwiderstand R liegt. Auf den Heizschichtwiderstand ist eine Schutzschicht 15 aufgebracht. Zwischen dem Sensor-

H schichtwiderstand R_ und der Membran 14 ist eine aus Glas beste- hende Zwischenschicht 16 angeordnet.

Abweichend von der in Figur 3 dargestellten Anordnung können auch die beiden Schichtwiderstände R und R in ihrer Lage ver-

H 5 tauscht, d. h. der Heizschichtwiderstand R zwischen der Membran

H

14 und dem Sensorschichtwiderstand R __> angeordnet sein.

Figur 4 zeigt einen Schnitt nach der Linie IV - IV der Figur 2. Aus Figur 4 ist erkennbar, daß der Aufbau der t-raiteren Blase 12, in der der weitere Sensorschichtwiderstand R untergebracht ist, demjeni¬ gen der Blase 11 weitgehend entspricht. Dem Podest 17 der Blase 11 entspricht das Podest 170 der Blase 12, der Membran 14 die Membran 140, der Schutzschicht 15 die Schutzschicht 150 und der Zwischen¬ schicht 16 die Zwischenschicht 160. Für die Schutzschicht 150 der Blase 12 wird ein Material mit einer sehr guten Wärmeleitfähigkeit verwendet.

Der im folgenden beschriebene Herstellungsprozeß bezieht sich auf die in Figur 3 dargestellte Dickschichtblase 11, in der die beiden Schichtwiderstände und R untergebracht sind. Die Herstellung xi der weiteren Dickschichtblase 12 mit dem darin untergebrachten wei-

teren Sensorschichtwiderstand erfolgt jedoch in entsprechender Weise.

Der Prozeß beginnt damit, daß auf das Keramiksubstrat 10 an der Stelle, an der die Blase 11 angebracht werden soll, ein aus einer Dickschichtpaste bestehendes Podest 17 aufgedruckt und anschließend getrocknet und in Luft gebrannt wird. Hierauf wird auf das Podest 17 eine in Figur 3 nicht dargestellte Schicht aus Kohlepaste gedruckt, die anschließend getrocknet und in Stickstoff gebrannt wird. Beim Brennen der Kohlepaste in Stickstoff entweichen im wesentlichen nur die flüchtigen Bestandteile, die Kohle bleibt jedoch erhalten. Dann wird auf die Kohleschicht und auf einen sie umgebenden Randbereich eine aus einer keramischen Dickschichtpaste bestehende Schicht auf¬ gedruckt und das System anschließend in Stickstoff und hierauf in Luft gebrannt. Beim Brennen des Systems in Luft brennt die Kohle¬ schicht vollständig aus und die auf die Kohleschicht aufgebrachte Schicht wird zu einer Membran aufgewölbt. Da in diesem Verfahrens¬ stand die Membran noch zu porös und zu dünn ist, wird sie anschlie¬ ßend durch Einlagerung von Glas verstärkt und verdichtet. Auf diese Weise entsteht die Membran 14, wie sie in Figur 3 dargestellt ist.

Auf die Membran 14 wird nun eine Glasschicht 16 aufgedruckt, die als Unterlage für das darauf aufzubringende, die Schichtwiderstände und R enthaltende Schichtsystem dient und die Haftung und die Ho- H mogenitat dieses Schichtsystems verbessern soll. Bei geeigneter Wahl des Materials für die Membran 14 kann jedoch die Glasschicht 16 auch entfallen.

Zur Herstellung des Sensorschichtwiderstandes wird eine platin- haltige Paste verwendet. Dann erfolgt der Druck der Zwischenschicht

13 und hierauf der Druck des Heizschichtwiderstandes R . Die Zwi-

H schenschicht 13 besteht aus einem Glas, das einerseits eine gute thermische Kopplung, andererseits eine gute elektrische Isolierung

der beiden Schichten und R_ gewährleistet. Für den Druck des

H S

Heizschichtwiderstandes wird vorzugsweise eine Platin-Resi- nat-Paste verwendet. Statt dessen kann aber auch eine andere Dick¬ schicht-Widerstandspaste verwendet werden.

Anschließend wird die Schutzschicht 15 aufgetragen. Die Schutz¬ schicht 15 schützt die Schichtelemente R_ und R und die in Fi¬ gur 3 nicht dargestellten Leiterbahnen 18 vor Verschmutzung und Kor¬ rosion.

Figur 5 zeigt als Anwendungsbeispiel eines Luftmassendurchflußmes- sers gemäß der Erfindung eine Ausführung, die zur Messung der ange¬ saugten Luftmenge im Saugrohr eines Kraftfahrzeuges bestimmt ist.

Das Saugrohr ist mit 19, das die Widerstände R , R , R und xi - X

R tragende Sensorelement mit 20 bezeichnet. Die übrigen Schal¬ tungsteile der Meßeinrichtung sind in einem am Saugrohr 19 montier¬ ten Gehäuse 21 untergebracht. Die Richtung der strömenden Luftmenge ist durch einen Pfeil 22 angedeutet.

Die Erfindung ist nicht auf die anhand der Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispiele einer Einrichtung zur Messung einer strömenden Luftmenge beschränkt. Es sind vielerlei Abwandlungen denkbar. Auch kann die beschriebene Einrichtung zur Mengenmessung bei anderen strömenden Medien, insbesondere auch bei Flüssigkeiten, verwendet werden.

Darüber hinaus kann der zur Erfassung der Temperatur der strömenden Luftmenge dienende weitere Sensorschichtwiderstand R , losgelöst von seiner Verwendung als Temperaturfühler in einem Luftmassendurch¬ flußmesser, auch für andere Temperaturmeßaufgaben an festen Körpern, Flüssigkeiten oder Gasen verwendet werden. In diesem Falle entfällt seine Integration mit den Schichtwiderständen R , R und R

H S 1 auf dem gemeinsamen Substrat 10.