Beschreibung

Strömungssensor

Die Erfindung betrifft einen Strömungssensor zur Messung der charakteristischen Eigenschaften einer Fluidströmung mit einem in einen Strömungskanal einbringbaren Sensorelement, dem eine Sensorschaltung nachgeschaltet ist.

Ein derartiger Strömungssensor ist aus der

DE 10 2004 038 988 B3 bekannt. Bei dem bekannten Strömungssensor handelt es sich um einen thermischen Strömungssensor, der ein Substrat aufweist, das mit einem Temperaturmessarm und einem Heizarm versehen ist. Auf dem Temperaturmessarm und dem Heizarm sind jeweils ein Temperaturfühler und ein Heizelement angeordnet, die jeweils mit einer Sensorschaltung verbunden sind, die ebenfalls auf dem Substrat ausgebildet ist .

Die Sensorschaltung hält die Temperatur des Heizwiderstands um eine vorbestimmte Temperaturdifferenz über der Temperatur des Messwiderstands. Da die dafür notwendige Heizleistung um so größer ist, je stärker die Fluidströmung ist, kann die dafür nötige Heizleistung als Maß für die Strömungsgeschwin- digkeit des Fluids dienen.

Da das Heizelement und der Temperaturfühler direkt in Kontakt mit der Fluidströmung stehen, kann es zur Verschmutzung von denjenigen Seiten des Heizelements und des Temperaturfühlers kommen, die der Fluidströmung zugewandt sind. Diese Verschmutzung kann zu Signaldriften führen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, einen Strömungssensor zu schaf- fen, dessen Sensorelemente nach Möglichkeit vor Verschmutzung geschützt sind.

Diese Aufgabe wird durch einen Strömungssensor mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. In davon abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben.

Bei dem Strömungssensor ist in Strömungsrichtung vor dem Sensorelement ein das Sensorelement vor unmittelbarer Anströmung durch die Fluidströmung schützender Strömungsschutzkörper angeordnet. Damit lagern sich die in der Fluidströmung enthaltenen Schmutzpartikel vorzugsweise an dem Strömungsschutzkörper an, während das Sensorelement weitgehend von Verschmutzungen frei bleibt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Strömungs- schutzkörper Teil eines die Sensorschaltung tragenden Substrats. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass das Substrat, das die Sensorschaltung trägt, und der Strömungsschutzkörper in einem Arbeitsgang strukturiert werden können.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Sensorelement auch auf dem Substrat ausgebildet, das die Sensorschaltung trägt. In diesem Fall kann der das Sensorelement tragende Teil des Substrats zusammen mit dem restlichen Substrat ausgebildet und strukturiert werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Sensorelement von dem die Sensorschaltung tragenden Teil des Substrats getrennt angeordnet. Dadurch kann das Sensorelement thermisch vom übrigen Substrat entkoppelt werden, wodurch sich kürzere Reaktionszeiten ergeben.

Dabei ist das Sensorelement vorzugsweise ein Bauelement, das über freitragende Kontaktleitungen mit Leiterbahnen des Substrats verbunden ist, auf dem die Sensorschaltung angeord- net ist. Bei dieser Ausführungsform sind das Sensorelement und das die Sensorschaltung tragende Substrat thermisch

entkoppelt, so dass sich ebenfalls kurze Reaktionszeiten ergeben .

Vorzugsweise wird der Strömungsschutzkörper durch eine Verdi- ckung des in Strömungsrichtung vor dem Sensorelement gelegenen Abschnitts des Substrats bewerkstelligt. Der Strömungsschutzkörper weist daher einen größeren Strömungsquerschnitt als das Sensorelement auf. Der Strömungsquerschnitt des Strömungsschutzkörpers deckt somit den Strömungsquerschnitt des Sensorelements ab. Dadurch ist das Sensorelement wirksam vor der unmittelbaren Anströmung durch die Fluidströmung geschützt .

Weiterhin kann das Substrat aus mehreren aufeinander gesta- pelten Substratschichten gefertigt sein. Die Anzahl der

Substratschichten kann im Bereich der Strömungsschutzkörpers erhöht werden, um die lokale Verdickung des Substrats zu erreichen .

Die Substratschichten werden vorzugsweise auf der Grundlage eines Materials hergestellt, das aus Keramikpulver und organischem Bindemittel gemischt ist. Mehrere derartige Substratschichten können aufeinander gestapelt werden und nach Ab- schluss des Formprozesses einer Wärmebehandlung unterzogen werden, die zu einem mechanisch festen Substrat führt.

Falls es sich bei dem Strömungssensor um einen thermischen Luftmassesensor handelt, verfügt der Strömungssensor über wenigstens zwei Sensorelemente, von denen eines ein Heizele- ment und das andere ein Temperaturfühler ist. Beide Sensorelemente können in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sein und von vor den Sensorelementen angeordneten Strömungsschützkörpern vor einer unmittelbaren Anströmung durch die Fluidströmung geschützt sein.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, in der Ausführungsbeispie-

Ie der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung im Einzelnen erläutert werden. Es zeigen:

Figur 1 eine Schaltungsanordnung zur Verdeutlichung des Messprinzips eines thermischen Anemometers;

Figur 2 eine Aufsicht auf einen thermischen Strömungssensor;

Figur 3 eine Querschnittsansicht entlang der Schnittlinie III-III in Figur 2;

Figur 4 eine Aufsicht auf einen weiteren Strömungssensor;

Figur 5 eine Querschnittsansicht entlang der Schnittlinie V-V in Figur 4.

Figur 1 zeigt eine Sensorschaltung 1, die dazu dient, die Geschwindigkeit einer Fluidströmung 2 in einem Strömungskanal 3 zu bestimmen. Bei dem Strömungskanal 3 kann es sich beispielsweise um ein Ansaugrohr oder einer Abgasleitung eines Verbrennungsmotors handeln.

Die Sensorschaltung 1 umfasst einen Temperaturmesswiderstand 4 und einen Heizwiderstand 5, die zusammen mit Brückenwiderständen 6 und 7 eine einseitig mit Masse 8 verbundene Messbrücke bilden. Dabei bilden der Temperaturmesswiderstand 4 und der Brückenwiderstand 6 sowie der Heizwiderstand 5 und der Brückenwiderstand 7 jeweils Spannungsteiler der Messbrü- cke . Die Teilspannungen der Messbrücken werden den Eingängen eines Operationsverstärkers 9 zugeführt. Der Ausgang des Operationsverstärkers 9 stellt die an den Spannungsteilern anliegende Spannung so ein, dass sich gleiche Teilspannungen ergeben. Dadurch wird der Strom durch den Heizwiderstand 5 in Abhängigkeit von der Fluidströmung 2 geregelt. Der zum Beheizen des Heizwiderstands 5 erforderliche Heizstrom ist dabei umso größer, je größer die Kühlung des Heizwiderstands 5

durch die Fluidströmung 2 ist. Da der durch den Heizwiderstand 5 fließende Heizstrom auch durch den Brückenwiderstand 7 fließt, ist die über den Brückenwiderstand 7 abfallende Spannung ein Maß für den durch den Heizwiderstand 5 fließen- den Heizstrom. An einem die Spannung zwischen Heizwiderstand

5 und Brückenwiderstand 7 abgreifenden Ausgangsverstärkern 10 kann daher eine zum Heizstrom durch den Heizwiderstand 5 proportionaler Ausgangsspannung abgegriffen werden, die einer Auswerteeinheit 11 zur weiteren Verarbeitung zugeführt werden kann. In der Auswerteeinheit 11 kann das Ausgangssignal des Ausgangsverstärkers 10 beispielsweise linearisiert oder zu Bestimmung eines integrierten Massenstromwertes integriert werden .

Figur 2 zeigt einen Strömungssensor 12 für die in Figur 1 dargestellte Sensorschaltung 1. Der Strömungssensor 2 weist einen Messarm 13 und einen Heizarm 14 auf. Auf dem Messarm 13 ist der Temperaturmesswiderstand 4 und auf dem Heizarm 14 der Heizwiderstand 5 ausgebildet. Beide sind über Leiterbahnen 15 mit einem Bauelement 16 verbunden. Bei dem Bauelement 16 kann es sich beispielsweise um eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (= ASIC) handeln, die die Brückenwiderstände

6 und 7, den Operationsverstärker 9, den Ausgangsverstärker 10 und die Auswerteschaltung 11 umfasst. Das Bauelement 16 kann schließlich an Anschlüssen 17 mit einer externen Schaltung verbunden werden.

Der Strömungssensor 12 verfügt ferner über Strömungsschutzarme 18, 19 und 20, die gegenüber dem Messarm 13 und dem Heiz- arm 14 verdickt sind.

Die Strömungsschutzarme 18, 19 und 20 sowie der Messarm 13 und der Heizarm 14 sind Teil eines Substrats 21, auf dem auch die Leiterbahnen 15 ausgebildet sind und auf dem das Bauele- ment 16 angeordnet ist. Das Substrat 21 ist vorzugsweise aus einer Vielzahl von dünnen keramischen Schichten gebildet, wobei die Anzahl der keramischen Schichten im Bereich der

Strömungsschutzarme 18, 19 und 20 größer als im Bereich des Messarms 13 und des Heizarms 14 ist. Insbesondere kann es sich bei dem Substrat 21 um eine so genannte LTCC (= low temperature cofired ceramics) handeln. Durch die Strömungs- schutzarme 18 und 19 werden der Messarm 13 und der Heizarm 14 vor direkter Anströmung durch die Fluidströmung 2 geschützt. Insbesondere lagern sich Schmutzpartikel vorzugsweise an einer Vorderseite 22 des Strömungssensors 12 an. Damit ist der Messarm 13 durch den Strömungsschutzarm 18 geschützt, während der Strömungsschutzarm 19 eine direkte Anströmung des Heizarms 14 verhindert. Die Strömungsschutzarme 19 und 20 haben ferner die Aufgabe, die Strömung im Bereich des Messarms 13 und des Heizarms 14 nach Möglichkeit laminar zu halten .

Figur 3 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Schnittlinie III - III in Figur 2 durch den Strömungssensor 12. Anhand Figur 3 sind die verdickten Strömungsschutzarme 18, 19 und 20 deutlich zu erkennen.

Es sei angemerkt, dass der Messarm 13 und der Heizarm 14 im übergangsbereich zum restlichen Substrat 21 verjüngt sein kann, um den Temperaturmesswiderstand 4 und den Heizwiderstand 5 nach Möglichkeit thermisch vom Rest des Substrats 21 zu entkoppeln.

In Figur 4 ist ein weiterer Strömungssensor 23 dargestellt, bei dem der Temperaturmesswiderstand 4 und der Heizwiderstand 5 jeweils über Kontaktstifte 24 mit den Leiterbahnen 15 verbunden sind, die zum Bauelement 16 führen. Der Temperaturmesswiderstand 4 und der Heizwiderstand 5 sind in Ausnehmungen 25 und 26 eines Substrats 27 angeordnet. Das Substrat 27 weist eine Dicke auf, die größer ist als die Dicke des Temperaturmesswiderstands 4 und des Heizwiderstands 5. Dadurch wirkt das Substrat 27 als eine strömungsabweisende Umrahmung, da ein vorderes Rahmenteil 28 verhindert, dass der Temperaturmesswiderstand 4 unmittelbar angeströmt wird. In der

Fluidströmung 2 enthaltene Schmutzpartikel lagern sich daher vorzugsweise an der Vorderkante 22 des vorderen Rahmenteils 28 an. Ein mittleres Rahmenteil 29 bewirkt das Gleiche für den Heizwiderstand 5, während ein hinteres Rahmenteil 30 zusammen mit dem mittleren Rahmenteil 29 dazu vorgesehen ist, die Strömung im Bereich des Heizwiderstands 5 laminar zu halten .

Der Strömungssensor 23 bietet den Vorteil, dass der Tempera- turmesswiderstand 4 und der Heizwiderstand 5 thermisch vom Substrat 27 entkoppelt sind.

Figur 5 zeigt einen Querschnitt durch den Strömungssensor 23 entlang der Schnittlinie V - V in Figur 4. Anhand Figur 5 ist erkennbar, dass das Substrat 27 aus einer Kernschicht 31 besteht, auf die Verdickungsschichten 32 aufgebracht sind. Die Verdickungsschichten 32 können auf den Temperaturmesswiderstand 4 und den den Heizwiderstand 5 umrahmenden Bereich des Substrats 27 beschränkt sein.

Daneben ist es möglich, von vornherein das Substrat 27 so dick zu wählen, dass die Dicke des Temperaturmesswiderstands 4 und des Heizwiderstands 5 übertroffen wird.

Abschließend sei darauf hingewiesen, dass Merkmale und Eigenschaften, die im Zusammenhang mit einem bestimmten Ausführungsbeispiel beschrieben worden sind, auch mit einem anderen Ausführungsbeispiel kombiniert werden können, außer wenn dies aus Gründen der Kompatibilität ausgeschlossen ist.

Schließlich wird noch darauf hingewiesen, dass in den Ansprüchen und in der Beschreibung der Singular den Plural einschließt, außer wenn sich aus dem Zusammenhang etwas anderes ergibt. Insbesondere wenn der unbestimmte Artikel verwendet wird, ist sowohl der Singular als auch der Plural gemeint.