DE102004038988B3 - Gas mass flow measurement system for various applications has substrate with ceramic particles in organic matrix holding heating elements with temperature sensors - Google Patents

Gas mass flow measurement system for various applications has substrate with ceramic particles in organic matrix holding heating elements with temperature sensors Download PDF

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Abstract

A typical gas mass flow measurement system may project into two gas channels (2) side-by-side. The gas may flow (5) through the two channels in opposite directions. There is a central switching network (11) with temperature measurement arms (6) and heater arms (8) extending on either side. There are temperature measurement strips (7) and heater strips (9) connected to the central switching network. There are further heating arms (30) with extra heating elements (31). The substrate consists of ceramic particles in an organic matrix.

Description

Die Erfindung betrifft einen Strömungssensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to a flow sensor according to the preamble of claim 1.

Strömungssensoren werden unter anderem in der Automobilindustrie zur Motorsteuerung verwendet. Dabei kommen verschiedene Messprinzipien zum Einsatz.flow sensors Among other things in the automotive industry for engine control used. Various measuring principles are used.

Bei einer Art von Strömungssensoren wird von einem Temperaturfühler die Temperatur des Gases erfasst, dessen Gasmassenfluss gemessen werden soll. Ein Heizelement wird dann auf eine Temperatur oberhalb der Temperatur des strömenden Gases aufgeheizt. Die dafür erforderliche Heizleistung ist ein Maß für den Gasmassenfluss des strömenden Gases.at a kind of flow sensors is from a temperature sensor detects the temperature of the gas whose gas mass flow is measured shall be. A heating element is then heated to a temperature above the temperature of the flowing Gas heated up. The one for it required heating power is a measure of the gas mass flow of the flowing gas.

Aus der DE 41 12 601 A1 ist eine Vorrichtung zur Messung eines Gasstromes bekannt. Der hier gezeigte thermosensitive Sensor umfasst einen thermosensitiven Dünnschichtwiderstand und eine Versorgungsstromsteuerschaltung zum Steuern des dem thermosensitiven Dünnschichtwiderstandes zugeführten Stromes, wobei beide auf einem gemeinsamen Trägermaterial ausgebildet und durch dieselbe Herstellungstechnologie hergestellt sind. Die thermosensitive Dünnschichtwiderstandseinheit ist in Richtung der zu erfassenden Luftströmung angeordnet.From the DE 41 12 601 A1 a device for measuring a gas flow is known. The thermosensitive sensor shown here includes a thin film thermosensitive resistor and a supply current control circuit for controlling the current supplied to the thin film thermosensitive resistor, both being formed on a common substrate and manufactured by the same manufacturing technology. The thermosensitive thin film resistor unit is arranged in the direction of the air flow to be detected.

Bei einer anderen Art von Strömungssensor befindet sich ein Heizelement in Strömungsrichtung zwischen Temperaturfühlern. Das Heizelement wird auf eine vorgegebene Temperatur oberhalb der Temperatur des strömenden Gases aufgeheizt. Mit Hilfe der Temperaturfühler wird dann der Temperaturunterschied zwischen der Temperatur am Ort des ersten Temperaturfühlers und der Temperatur am Ort des zweiten Temperaturfühlers erfasst. Der gemessene Temperaturunterschied ist ein Maß für den Gasmassendurchsatz des strömenden Gases. Aus dem Vorzeichen der Temperaturdifferenz kann zudem auf die Richtung der Gasströmung geschlossen werden.at another type of flow sensor is located a heating element in the flow direction between Temperature sensors. The heating element is heated to a predetermined temperature above the Temperature of the flowing Gas heated up. With the help of the temperature sensor then the temperature difference between the temperature at the location of the first temperature sensor and the temperature detected at the location of the second temperature sensor. The measured temperature difference is a measure of the gas mass flow rate of the streaming Gas. From the sign of the temperature difference can also on the direction of the gas flow getting closed.

Da die Strömungssensoren in großen Stückzahlen hergestellt werden, ist eine möglichst kostengünstige Fertigung von Vorteil. Darüber hinaus sollen die Strömungssensoren robust sein und eine möglichst lange Lebensdauer aufweisen.There the flow sensors in big numbers one is possible inexpensive Production of advantage. About that In addition, the flow sensors be robust and one as possible have a long life.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen möglichst kostengünstig herstellbaren Strömungssensor zu schaffen.outgoing From this prior art, the invention is based on the object one possible economical manufacturable flow sensor too create.

Diese Aufgabe wird durch einen Strömungssensor mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. In davon abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben.These Task is by a flow sensor with the characteristics of the independent Claim solved. In dependent on it Claims are indicated advantageous embodiments and developments.

Der Strömungssensor weist ein Heizelement und einen Temperaturfühler auf, die zusammen mit dem Schaltungselement auf einem gemeinsamen keramischen Substrat angeordnet sind. Da sich das Heizelement, der Temperaturfühler und das Schaltungselement auf einem gemeinsamen keramischen Substrat befinden, können diese in einem gemeinsamen Arbeitsgang, beispielsweise durch ein geeignetes Druckverfahren, hergestellt werden. Ferner ersetzt das keramische Substrat auch eine separate Halterung, da das keramische Substrat unmittelbar in die Wand eines Strömungskanals einsetzbar ist. Damit entfällt die Notwendigkeit, den Träger für das Heizelement und den Temperaturfühler in einer separaten Halterung zu montieren und eine elektrische Verbindung zwischen der Halterung und dem Heizelement sowie dem Temperaturfühler herzustellen. Zudem weist der Strömungssensor auf entgegen gesetzten Seiten jeweils einen Temperaturmessarm und einen Temperaturmessfühler auf. Damit erfasst der Strömungssensor in zwei dicht nebeneinander liegenden Strömungskanälen den im jeweiligen Strömungskanal befindlichen Gasmassenstrom.Of the flow sensor has a heating element and a temperature sensor, which together with the Circuit element arranged on a common ceramic substrate are. As the heating element, the temperature sensor and the circuit element located on a common ceramic substrate, these can in a joint operation, for example by a suitable one Printing process to be produced. Furthermore, replaced the ceramic Substrate also a separate holder, since the ceramic substrate can be used directly in the wall of a flow channel. This is eliminated the need for the carrier for the Heating element and the temperature sensor to mount in a separate bracket and an electrical connection between the holder and the heating element and the temperature sensor manufacture. In addition, the flow sensor on opposite sides in each case a temperature measuring arm and a temperature sensor on. Thus the flow sensor detects in two closely spaced flow channels in the respective flow channel located gas mass flow.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Substrat aus einem Material auf der Grundlage einer Mischung aus Keramikpulver und organischem Bindermaterial hergestellt. Die aus diesem Material hergestellten Rohkörper werden auch als Grünlinge bezeichnet. Derartige Grünlinge können mit Dicken zwischen 25 μm und 500 μm hergestellt werden. Bei Bedarf können auch mehrere Grünlinge zu einem Substrat mit der gewünschten Dicke aufeinander gestapelt werden. Nach Abschluss des Formprozesses kann das Substrat einer Wärmebehandlung unterzogen werden, die zu einem mechanisch festen Strömungssensor mit langer Lebensdauer führt. Aufgrund der geringen Dicke des aus einem derartigen Material hergestellten Substrates, reagiert ein derartiger Strömungssensor auch auf kurzzeitige Schwankungen des Gasmassenstromes. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Wärmeleitung entlang dem Substrat nur schwach ausgeprägt ist. Bei einem ausreichend großem Abstand zwischen dem Heizelement und dem Schaltungselement wird daher die Temperatur des Schaltungselements auch dann nicht die zulässige Obergrenze überschreiten, wenn das Heizelement auf mehrere hundert Grad aufgeheizt wird.at a preferred embodiment is the substrate of a material based on a mixture made of ceramic powder and organic binder material. The Raw bodies made from this material are also called green bodies. Such greenlings can with thicknesses between 25 μm and 500 μm getting produced. If necessary you can also several greenlings to a substrate with the desired Thickness stacked on each other. After completing the molding process can the substrate of a heat treatment be subjected to a mechanically fixed flow sensor leads with a long life. Due to the small thickness of the material produced from such a material Substrates reacts such a flow sensor to short-term Fluctuations in the gas mass flow. Another advantage is that the heat conduction along the substrate is weak. With a sufficient great Distance between the heating element and the circuit element is therefore, the temperature of the circuit element not even then exceed the permissible upper limit, when the heating element is heated to several hundred degrees.

Die Dicke des Substrats kann auch lokal variieren. Beispielsweise ist es möglich, die Arme des Substrats, die das Heizelement und den Temperaturfühler tragen, dünner zu gestalten, als den Bereich des Substrates, auf dem die Gassensorschaltung angeordnet ist. Aufgrund der geringen Masse des Temperaturmessarms und des Heizarms ist ein derartiger Strömungssensor in der Lage, kurzzeitige Schwankungen im Gasmassenstrom zu erfassen. Daneben ist das Substrat aber noch ausreichend massiv, um unmittelbar in der Wand eines Strömungskanals befestigt zu werden.The thickness of the substrate can also vary locally. For example, it is possible to make the arms of the substrate carrying the heating element and the temperature sensor thinner than the area of the substrate on which the gas sensor circuit is mounted is ordered. Due to the low mass of the temperature measuring arm and the heating arm, such a flow sensor is able to detect short-term fluctuations in the gas mass flow. In addition, the substrate is still sufficiently solid to be fixed directly in the wall of a flow channel.

Ferner ist es möglich, zwischen dem Temperaturmessarm und dem Heizarm des Strömungssensors eine thermische Barriere auszubilden. Dadurch werden der Temperaturmessarm und der Heizarm des Strömungssensors gegeneinander thermisch isoliert, ohne dass die Festigkeit des Strömungssensors beeinträchtigt wird.Further Is it possible, between the temperature measuring arm and the heating arm of the flow sensor to form a thermal barrier. This will be the temperature measuring arm and the heating arm of the flow sensor thermally insulated against each other without affecting the strength of the flow sensor impaired becomes.

Denn eine entsprechend lange Ausführung des Temperaturmessarms und des Heizarms würde zwar zu einer guten thermischen Isolierung aber zu einem mechanisch schwachen Temperaturmessarm und Heizarm führen.Because a correspondingly long execution of the Temperaturmessarms and the Heizarms would indeed be a good thermal Insulation but to a mechanically weak temperature measuring arm and Low heat lead.

Die thermische Barriere kann beispielsweise ausgebildet werden, indem das Substrat selbst im Bereich der thermischen Barriere geschwächt wird. Gegebenenfalls kann die thermische Barriere auch mit Hilfe einer Glasschicht bewerkstelligt werden.The For example, thermal barrier can be formed by the substrate itself is weakened in the area of the thermal barrier. Possibly The thermal barrier can also be accomplished with the aid of a glass layer become.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden das Heizelement und der Temperaturfühler aus einer Widerstandspaste hergestellt, deren Widerstand von der Temperatur abhängt. Derartige Pasten können beispielsweise auf der Basis von Platin und Rhutenium hergestellt sein. Solche Widerstandspasten lassen sich in einem Druckverfahren auf das Substrat aufdrucken.at a preferred embodiment The heating element and the temperature sensor are made of a resistance paste manufactured, whose resistance depends on the temperature. such Pastes can made for example on the basis of platinum and ruthenium be. Such resistor pastes can be in a printing process imprint on the substrate.

Um das Heizelement und den Temperaturfühler vor Verunreinigungen zu schützen, können der Temperaturfühler und das Heizelement mit einer Schutzschicht bedeckt sein. Diese Schutzschicht kann eine weitere keramische Schicht oder aus einem Glas hergestellt sein.Around the heating element and the temperature sensor against contamination too protect, can the temperature sensor and the heating element to be covered with a protective layer. These Protective layer may be another ceramic layer or one of a kind Be made of glass.

Zur Messung der Flussrichtung können neben einem Temperatursensor zwei weitere in Stromrichtung nebeneinander angeordnete Heizelemente vorgesehen sein. Aus der Heizleistung, die notwendig ist, um eine bestimmte Temperatur zu erreichen, kann dann auf die Strömungsrichtung geschlossen werden.to Measurement of the flow direction can next to a temperature sensor two more side by side in the flow direction be arranged arranged heating elements. From the heating power, which is necessary to reach a certain temperature can then on the flow direction getting closed.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, in der Ausführungsbeispie le der Erfindung anhand der Zeichnungen im Einzelnen erläutert werden. Es zeigen:Further Details and advantages of the invention will become apparent from the following Description, in the Ausführungsbeispie le the invention with reference to the drawings will be explained in detail. Show it:

1 eine Aufsicht auf das Substrat eines Strömungssensors; 1 a plan view of the substrate of a flow sensor;

2 einen Querschnitt durch einen Strömungssensor von der Art des in 1 dargestellten Strömungssensors; 2 a cross section through a flow sensor of the type of in 1 illustrated flow sensor;

3 einen Querschnitt durch einen weiteren abgewandelten Strömungssensor; 3 a cross section through another modified flow sensor;

4 einen Querschnitt durch einen dritten abgewandelten Strömungssensor; 4 a cross section through a third modified flow sensor;

5 eine Aufsicht auf einen Strömungssensor, der mit zwei Heizelementen ausgestattet ist; 5 a plan view of a flow sensor, which is equipped with two heating elements;

6 einen Strömungssensor, der dazu eingerichtet ist, den Gasmassenfluss in zwei nebeneinander liegenden Strömungskanälen zu messen; 6 a flow sensor configured to measure gas mass flow in two adjacent flow channels;

7 eine Aufsicht auf einen Strömungssensor, dessen Temperaturfühler und Heizelemente in einem Strömungskanal und dessen Gassensorschaltung in einem benachbarten Kühlkanal liegen; 7 a plan view of a flow sensor, the temperature sensor and heating elements are located in a flow channel and the gas sensor circuit in an adjacent cooling channel;

8 eine Aufsicht auf einen Strömungssensor, der mit Sensorelementen zum Erfassen von Druck, Feuchtigkeit und Gaskonzentration ausgestattet ist; und 8th a plan view of a flow sensor, which is equipped with sensor elements for detecting pressure, humidity and gas concentration; and

9 eine Aufsicht auf einen Feuchtigkeitssensor, der für den Einsatz in einem Strömungssensor gemäß 8 geeignet ist. 9 a plan view of a moisture sensor, for use in a flow sensor according to 8th suitable is.

1 zeigt einen Strömungssensor 1, der teilweise in einen Strömungskanal 2 hineinragt. Der Strömungskanal 2 ist von Wänden 3 begrenzt, die in 1 gestrichelt eingezeichnet sind. Im Strömungskanal 2 fließt Gas 4 in eine Strömungsrichtung 5 am Strömungssensor 1 vorbei. Das durch den Strömungskanal 2 fließende Gas kann Luft oder ein von einem Verbrennungsmotor abgegebenes Abgas sein. 1 shows a flow sensor 1 partially in a flow channel 2 protrudes. The flow channel 2 is from walls 3 limited in 1 dashed lines are shown. In the flow channel 2 gas flows 4 in a flow direction 5 at the flow sensor 1 past. That through the flow channel 2 flowing gas may be air or an exhaust gas emitted by an internal combustion engine.

Zur Messung des Gasmassenstroms des im Strömungskanal 2 strömenden Gases 4 verfügt der Strömungssensor 1 über einen Temperaturmessarm 6, der mit einem Temperaturfühler 7 ausgestattet ist, sowie über einen Heizarm 8, auf dem sich ein Heizelement 9 befindet. Vom Temperaturfühler 7 und vom Heizelement 9 führen Leiterbahnen 10 zu einer Gassensorschaltung 11, die die zum Betrieb des Strömungssensors 1 erforderlichen Schaltungselemente enthält. Die Gassensorschaltung 11 kann beispielsweise in ein einzelnes Bauelement integriert sein. Daneben kann die Gassensorschaltung 11 auch eine Vielzahl von integrierten Bauelementen sowie weitere passive Bauelemente umfassen oder eine Vielzahl von aktiven oder passiven Bauelementen enthalten. Die verschiedenen Bauelemente sollen in diesem Zusammenhang unter dem Oberbegriff Schaltungselemente zusammengefasst werden.For measuring the gas mass flow of the flow channel 2 flowing gas 4 has the flow sensor 1 via a temperature measuring arm 6 that with a temperature sensor 7 is equipped, as well as a heating arm 8th on which is a heating element 9 located. From the temperature sensor 7 and from the heating element 9 lead tracks 10 to a gas sensor circuit 11 which are responsible for the operation of the flow sensor 1 contains required circuit elements. The gas sensor circuit 11 For example, it can be integrated into a single component. In addition, the gas sensor circuit 11 Also include a plurality of integrated components and other passive components or contain a plurality of active or passive components. The various components are intended in this Context under the generic term circuit elements are summarized.

Der Temperaturfühler 7 und das Heizelement 9 sowie die Gassensorschaltung 11 sind auf einem gemeinsamen Substrat 12 angeordnet. Das Substrat 12 bildet dabei sowohl den Temperaturmessarm 6 als auch den Heizarm 8. Am gegenüberliegenden Ende des Substrats 12 befindet sich ein Schaltungsbereich 13, der die Gassensorschaltung 11 trägt. Der Temperaturmessarm 6 sowie der Heizarm 8 sind mit dem Schaltungsbereich 13 über einen Zwischenbereich 14 verbunden, der durch eine sich vom Temperaturmessarm 6 oder Heizarm 8 zum Schaltungsbereich 13 erstreckende thermische Barriere 15 thermisch unterteilt ist. Die thermische Barriere 15 dient dazu, den Zwischenbereich 14 entsprechend dem Temperaturmessarm 6 und dem Heizarm 8 zu unterteilen, so dass der Temperaturmessarm 6 gegenüber dem Heizarm 8 ausreichend thermisch isoliert ist.The temperature sensor 7 and the heating element 9 and the gas sensor circuit 11 are on a common substrate 12 arranged. The substrate 12 forms both the temperature measuring arm 6 as well as the heating arm 8th , At the opposite end of the substrate 12 there is a circuit area 13 that the gas sensor circuit 11 wearing. The temperature measuring arm 6 and the heating arm 8th are with the circuit area 13 over an intermediate area 14 Connected by one of the temperature measuring arm 6 or heating arm 8th to the circuit area 13 extending thermal barrier 15 thermally divided. The thermal barrier 15 serves to the intermediate area 14 according to the temperature measuring arm 6 and the heating arm 8th divide so that the temperature measuring arm 6 opposite the heating arm 8th sufficiently thermally insulated.

Daneben dient der Zwischenbereich 14 auch der thermischen Isolierung des Schaltungsbereichs 13 vom Heizarm 8. Denn die im Schaltungsbereich 13 angeordnete Gassensorschaltung 11 darf auch dann nicht den zulässigen oberen Grenzwert für die Betriebstemperatur überschreiten, wenn der Heizarm 8 auf Temperaturen von bis zu 500° C aufgeheizt wird. Die Breite des Zwischenbereichs 14 ist daher so gewählt, dass die Betriebstemperatur der Gassensorschaltung 11 auch dann nicht den maximal zulässigen Wert überschreitet, wenn der Heizarm 8 auf die Solltemperatur aufgeheizt ist.Next to it is the intermediate area 14 also the thermal insulation of the circuit area 13 from the heating arm 8th , Because in the circuit area 13 arranged gas sensor circuit 11 must not exceed the permissible upper limit for the operating temperature even if the heating arm 8th is heated to temperatures of up to 500 ° C. The width of the intermediate area 14 is therefore chosen so that the operating temperature of the gas sensor circuit 11 even then does not exceed the maximum allowable value when the heating arm 8th heated to the target temperature.

Im Substrat 12 können auch Durchführungen 16 vorgesehen sein, die der Befestigung des Strömungssensor 1 an einem Träger dienen. Ferner können am Substrat 12 nicht dargestellte Ausnehmungen ausgebildet sein, in die ein dazu vorgesehener Träger verrastet. Der Strömungssensor 1 kann schließlich an Kontakten 17 kontaktiert werden.In the substrate 12 can also be executions 16 be provided, which is the attachment of the flow sensor 1 to serve on a carrier. Furthermore, on the substrate 12 recesses not shown may be formed, in which a designated carrier locked. The flow sensor 1 can finally contact 17 be contacted.

Typischerweise ist ein Strömungssensor von der in 1 dargestellten Art einige Millimeter lang und weniger als ein Millimeter breit. Die Dicke des Substrats liegt im Bereich von 500 μm.Typically, a flow sensor is different from the one in FIG 1 represented a few millimeters long and less than a millimeter wide. The thickness of the substrate is in the range of 500 μm.

Beim Betrieb des Strömungssensor 1 erfasst der Temperaturfühler 7 die Temperatur des anströmenden Gases 4. Das Heizelement 9 wird dann auf eine Temperatur oberhalb der Temperatur des Gases 4 aufgeheizt. Die Temperatur des Heizelements 9 wird dabei über eine Widerstandsmessung am Heizelement 9 erfasst. Der Strom durch das Heizelement 9 wird nun so geregelt, dass die eingestellte Temperatur oberhalb der Temperatur des Gases 4 gehalten wird. Die dazu notwendige Leistung ist ein Maß für den Gasmassenstrom des Gases 4.When operating the flow sensor 1 the temperature sensor detects 7 the temperature of the incoming gas 4 , The heating element 9 is then at a temperature above the temperature of the gas 4 heated. The temperature of the heating element 9 is doing a resistance measurement on the heating element 9 detected. The current through the heating element 9 is now regulated so that the set temperature above the temperature of the gas 4 is held. The necessary power is a measure of the gas mass flow of the gas 4 ,

Zur Herstellung des Substrats 12 werden vorzugsweise so genannte Grünlinge verwendet, die aus einer Masse hergestellt sind, in der Keramikteilchen in einem organischen Bindemittel eingebettet sind. Diese Grünlinge stehen in Dicken ab 25μm zur Verfügung. Auf die Grünlinge können dann die Leiterbahnen 10 sowie das Heizelement 9 und der Temperaturfühler 7 durch ein Siebdruckverfahren aufgedruckt werden. Dabei kann auch die Gassensorschaltung 11 ausgebildet werden. Zur Herstellung des Heizelements 9 und des Temperaturfühlers 7 wird vorzugsweise eine Widerstandspaste verwendet, die auf der Basis von Platin und Rhutenium hergestellt ist.For the preparation of the substrate 12 Preferably, so-called green compacts are used, which are made of a mass in which ceramic particles are embedded in an organic binder. These greenlings are available in thicknesses from 25μm. On the green compacts can then the tracks 10 as well as the heating element 9 and the temperature sensor 7 be printed by a screen printing process. In this case, also the gas sensor circuit 11 be formed. For the production of the heating element 9 and the temperature sensor 7 For example, it is preferable to use a resistance paste made on the basis of platinum and ruthenium.

Durch eine nachfolgende Wärmebehandlung kann der Grünling in eine Keramik umgewandelt werden. Je nach der Höhe der Temperatur während der Wärmebehandlung ergibt sich eine so genannte LTCC (= low temperature cofired ceramics) oder eine HTCC (= high temperature cofired ceramics).By a subsequent heat treatment can the greenling be transformed into a ceramic. Depending on the height of the temperature while the heat treatment results in a so-called LTCC (= low temperature cofired ceramics) or a HTCC (= high temperature cofired ceramics).

Ein Vorteil der für die Herstellung des Substrats 12 verwendeten Grünlinge ist, dass diese sich zu Stapeln aufeinander schichten lassen.An advantage of for the production of the substrate 12 used green compacts is that they can be stacked in stacks.

2 zeigt einen Querschnitt durch einen weiteren Strömungssensor 18, dessen Substrat 12 von einer Schutzschicht 19 abgedeckt ist. Ansonsten entspricht der Aufbau des Strömungssensors 18 dem Aufbau des Strömungssensor 1 aus 1. 2 shows a cross section through another flow sensor 18 , its substrate 12 from a protective layer 19 is covered. Otherwise, the structure of the flow sensor corresponds 18 the structure of the flow sensor 1 out 1 ,

Zur Herstellung des Strömungssensors 18 wird zunächst auf das Substrat 12 der Temperaturfühler 7 sowie das Heizelement 9 und die Gassensorschaltung 11 aufgebracht. Anschließend wird das Substrat 12 mit der Schutzschicht 19 abgedeckt. Ferner werden Vias 20 ausgebildet, die die Schutzschicht 19 durchqueren. Durch eine nachfolgende Wärmebehandlung entsteht ein von dem Substrat 12 und der Schutzschicht 19 gebildeter Verbundkörper, in den die Funktionselemente, wie der Temperaturfühler 7, das Heizelement 9 sowie die Gassensorschaltung 11 gekapselt sind. Damit sind der Temperaturfühler 7, das Heizelement 9 und die Gassensorschaltung 11 vor störenden Umwelteinflüssen geschützt.For the production of the flow sensor 18 is first on the substrate 12 the temperature sensor 7 as well as the heating element 9 and the gas sensor circuit 11 applied. Subsequently, the substrate becomes 12 with the protective layer 19 covered. Furthermore, vias become 20 formed the protective layer 19 traverse. Subsequent heat treatment creates one from the substrate 12 and the protective layer 19 formed composite body in which the functional elements, such as the temperature sensor 7 , the heating element 9 and the gas sensor circuit 11 are encapsulated. This is the temperature sensor 7 , the heating element 9 and the gas sensor circuit 11 protected against disturbing environmental influences.

Nach der Wärmebehandlung können auf der Schutzschicht 19 Kontakte 21 ausgebildet werden, über die der Strömungssensor 18 kontaktierbar ist.After the heat treatment can on the protective layer 19 contacts 21 be formed, via which the flow sensor 18 is contactable.

3 zeigt einen weiteren Strömungssensor 22, bei dem das Substrat 12 von mehreren Substratschichten 23 gebildet ist. Auf diese Weise kann die Festigkeit des Substrats 12 erhöht werden. 3 shows a further flow sensor 22 in which the substrate 12 of several substrate layers 23 is formed. In this way, the strength of the substrate 12 increase.

Eine weitere Besonderheit des Strömungssensors 22 ist, dass der Strömungssensor 22 eine Schutzschicht 24 aufweist, die den Schaltungsbereich 13 freilässt. Beim Strömungssensor 22 kann daher im Schaltungsbereich 13 zum Beispiel ein integriertes Bauelement 25 angeordnet werden, in das die Gassensorschaltung 11 integriert ist. Bei dem in 3 dargestellten Strömungssensor brauchen insbesondere keine Vias ausgebildet zu werden. Vielmehr kann das integrierte Bauelement unmittelbar auf den auf dem Substrat 12 ausgebildeten Leiterbahnen 10 abgebracht werden.Another special feature of the flow sensor 22 is that the flow sensor 22 a protective layer 24 having the circuit area 13 leaves free. With the flow sensor 22 can therefore in the circuit area 13 for example, an integrated component 25 are arranged, in which the gas sensor circuit 11 is integrated. At the in 3 in particular, no vias need to be formed. Rather, the integrated device can directly contact the on the substrate 12 trained tracks 10 be dissuaded.

Der Strömungssensor 22 bietet den Vorteil, dass die thermische Barriere 15 durch eine Schwächung des Substrats 12 realisiert werden kann. Zu diesem Zweck wird beispielsweise in einer der beiden Substratschichten 23 und in der Schutzschicht 24 im Bereich der thermischen Barriere 15 das Material entfernt, so dass der Strömungssensor 22 im Bereich der thermischen Barriere 15 nur noch die Dicke einer einzigen Substratschicht 23 aufweist. Durch diese gezielte Schwächung des Strömungssensors 22 im Bereich der thermischen Barriere 15 wird verhindert, dass eine unzulässige Menge an Wärme unmittelbar vom Heizarm 8 zum Temperaturmessarm 6 gelangt und die Temperaturmessung verfälscht. Gegebenenfalls kann die Festigkeit der thermischen Barriere 15 erhöht werden, indem im Bereich der thermischen Barriere 15 auf der verbleibenden Substratschicht 23 eine Verstärkung der Glasschicht ausgebildet wird.The flow sensor 22 offers the advantage of being the thermal barrier 15 by weakening the substrate 12 can be realized. For this purpose, for example, in one of the two substrate layers 23 and in the protective layer 24 in the area of the thermal barrier 15 removed the material, leaving the flow sensor 22 in the area of the thermal barrier 15 only the thickness of a single substrate layer 23 having. Through this targeted weakening of the flow sensor 22 in the area of the thermal barrier 15 Prevents an inadmissible amount of heat directly from the heating arm 8th to the temperature measuring arm 6 passes and the temperature measurement falsified. Optionally, the strength of the thermal barrier 15 be increased by in the range of the thermal barrier 15 on the remaining substrate layer 23 a reinforcement of the glass layer is formed.

4 zeigt einen Querschnitt durch einen weiteren Strömungssensor 26, bei dem das Substrat 12 unterschiedliche Dicken aufweist. Im Bereich des Temperaturfühler 7 und des Heizelement 9 weist das Substrat 12 lediglich eine einzelne Substratschicht 27 auf. Im Zwischenbereich 14 sowie im Schaltungsbereich 13 ist das Substrat 12 um zwei weitere Substratschichten 28 verstärkt. Dadurch wird die Befestigung des Strömungssensors 26 in der Wand des Strömungskanals 2 erleichtert, da das verstärkte Substrat 12 im Bereich der Durchführungen 16 eine größere Festigkeit aufweist als der Strömungssensor 1 aus 1. 4 shows a cross section through another flow sensor 26 in which the substrate 12 has different thicknesses. In the area of the temperature sensor 7 and the heating element 9 has the substrate 12 only a single substrate layer 27 on. In the intermediate area 14 as well as in the circuit area 13 is the substrate 12 by two more substrate layers 28 strengthened. This will attach the flow sensor 26 in the wall of the flow channel 2 relieved as the reinforced substrate 12 in the field of bushings 16 has a greater strength than the flow sensor 1 out 1 ,

5 zeigt eine Aufsicht auf einen weiteren Strömungssensor 29, der einen weiteren Heizarm 30 mit einem weiteren Heizelement 31 aufweist. Mit dem Strömungssensor 29 lässt sich die Strömungsrichtung 5 des Gases 4 im Strömungskanal 2 bestimmen. Bei dem in 5 dargestellten Fall ist zum Erwärmen des Heizelements 9 auf dem Heizarm 8 eine größere Heizleistung erforderlich, als für das Heizelement 31 auf dem Heizarm 30. Denn das in Strömungsrichtung 5 strömende Gas 4 wird durch das Heizelement 9 erwärmt, so dass auf das Heizelement 31 vorgewärmtes Gas trifft. Dementsprechend geringer fällt die zum Erwärmen des Heizelements 31 erforderliche Heizleistung aus. 5 shows a plan view of another flow sensor 29 , another heating arm 30 with another heating element 31 having. With the flow sensor 29 can the flow direction 5 of the gas 4 in the flow channel 2 determine. At the in 5 The illustrated case is for heating the heating element 9 on the heating arm 8th a greater heating capacity is required than for the heating element 31 on the heating arm 30 , Because in the flow direction 5 flowing gas 4 is through the heating element 9 heated, so that on the heating element 31 preheated gas hits. Accordingly, the lower for heating the heating element falls 31 required heating power off.

In 6 ist ein weiterer Strömungssensor 32 dargestellt, der in der Lage ist, neben dem Gasmassenfluss in einem Strömungskanal 2 einen weiteren Gasmassenfluss in einem weiteren Strömungskanal 33 zu erfassen. Zu diesem Zweck weist der Strömungssensor 32 auf gegenüberliegenden Seiten des Schaltungsbereichs 13 Zwischenbereiche 34 auf, an denen die Temperaturmessarme 6 sowie die Heizarme 8 und 30 angesetzt sind. Bei dem in 6 dargestellten Fall befindet sich der Schaltungsbereich 13 im Bereich des Strömungskanals 2 und des Strömungskanals 33.In 6 is another flow sensor 32 shown, which is capable, in addition to the gas mass flow in a flow channel 2 a further gas mass flow in another flow channel 33 capture. For this purpose, the flow sensor 32 on opposite sides of the circuit area 13 between areas 34 on where the temperature measuring arms 6 as well as the heating arms 8th and 30 are attached. At the in 6 the case shown is the circuit area 13 in the area of the flow channel 2 and the flow channel 33 ,

Es ist jedoch auch denkbar, dass beispielsweise ein Strömungssensor von der Art des Strömungssensors 29 so an der Wand 3 des Strömungskanals 2 angebracht wird, dass der Schaltungsbereich 13 strömendem Gas ausgesetzt ist.However, it is also conceivable that, for example, a flow sensor of the type of flow sensor 29 on the wall 3 of the flow channel 2 is attached that the circuit area 13 is exposed to flowing gas.

7 zeigt einen solchen Fall, bei dem der Strömungssensor 29 in eine Trennwand 35 zwischen dem Strömungskanal 2 und einem Kühlkanal 36 angebracht ist. In diesem Fall sind entsprechende Befestigungsvorrichtungen im Zwischenbereich 14 des Substrats 12 vorzusehen. Ferner muss die Gassensorschaltung 11 gegen ein im Strömungskanal 36 strömendes Gas 37 ausreichend geschützt sein. Dies kann beispielsweise mit Hilfe einer Schutzschicht von der Art der Schutzschicht 19 bewerkstelligt werden. 7 shows such a case where the flow sensor 29 in a partition 35 between the flow channel 2 and a cooling channel 36 is appropriate. In this case, corresponding fastening devices are in the intermediate area 14 of the substrate 12 provided. Furthermore, the gas sensor circuit must 11 against a in the flow channel 36 flowing gas 37 be sufficiently protected. This can be done, for example, by means of a protective layer of the type of protective layer 19 be accomplished.

8 zeigt schließlich eine Aufsicht auf einen weiteren Strömungssensor 38, dessen Funktion durch zusätzliche Sensoren erweitert worden ist. So befindet sich auf dem Substrat 12 des Strömungssensors 38 ein Gaszusammensetzungssensor 39. Derartige Gaszusammensetzungssensoren 39 sind dem Fachmann bekannt und als solche nicht Gegenstand der Anmeldung. 8th finally shows a plan view of another flow sensor 38 whose function has been expanded by additional sensors. So is on the substrate 12 of the flow sensor 38 a gas composition sensor 39 , Such gas composition sensors 39 are known to the person skilled in the art and as such are not the subject of the application.

Ferner sind ein Drucksensor 40 und ein Feuchtigkeitssensor 41 vorgesehen. Als Drucksensor 40 kommt beispielsweise ein Drucksensor mit der Bezeichnung KP 120 der Firma Infineon AG in Frage. Als Feuchtigkeitssensor 41 eignet sich beispielsweise ein Sensor mit der Bezeichnung HC 103 von E&E Elektronik Ges.m.b.H, Engerwitzdorf, Österreich. Der Drucksensor 40 und der Feuchtigkeitssensor 41 sind jeweils so auf dem Substrat 12 positioniert, dass sie im Bereich einer Seitenkammer 42 des Strömungskanals 2 liegen. Die Seitenkammer 42 ist durch eine Öffnung 43 mit dem Strömungskanal 2 verbunden. Demnach findet in der Seitenkammer 42 selbst keine wesentliche Gasströmung statt.Further, a pressure sensor 40 and a humidity sensor 41 intended. As a pressure sensor 40 For example, a pressure sensor with the designation KP 120 of the company Infineon AG comes into question. As a moisture sensor 41 For example, a sensor with the designation HC 103 from E & E Elektronik Ges.mbH, Engerwitzdorf, Austria is suitable. The pressure sensor 40 and the humidity sensor 41 are each so on the substrate 12 positioned in the area of a side chamber 42 of the flow channel 2 lie. The side chamber 42 is through an opening 43 with the flow channel 2 connected. Accordingly, takes place in the page chamber 42 even no significant gas flow takes place.

9 zeigt schließlich der Vollständigkeit halber eine Aufsicht auf den Feuchtigkeitssensor 41. Der Feuchtigkeitssensor 41 weist zwei ineinander geschachtelte kammartige Elektroden 44 auf, die von einer Feuchtigkeit absorbierenden Polymerschicht 45 abgedeckt sind. Je nach Feuchtigkeitsgehalt der Polymerschicht 45 ändert sich die Kapazität der Elektroden 44, so dass durch eine Kapazitätsmessung an den Elektroden 44 die Feuchtigkeit gemessen werden kann. Falls erforderlich kann der Feuchtigkeitssensor 41 unmittelbar auf dem Substrat 12 ausgebildet werden. 9 Finally, for completeness, shows a view of the moisture sensor 41 , The moisture sensor 41 has two nested comb-like electrodes 44 absorbed by a moisture-absorbing polymer layer 45 are covered. Depending on the moisture content of the polymer layer 45 changes the capacity of the Elek trodes 44 , so by measuring the capacitance at the electrodes 44 the moisture can be measured. If necessary, the humidity sensor 41 directly on the substrate 12 be formed.

Die hier beschriebenen Strömungssensoren 1, 18, 22, 26, 29, 32 und 38 sind besonders einfach herstellbar und können ohne weiteres in den Wänden 3 der Strömungskanäle 2, 33 und 36 montiert werden. Darüber hinaus kann der Aufbau der Strömungssensoren 1, 18, 22, 26, 29, 32 und 38 flexibel an die jeweiligen Anforderungen bezüglich Festigkeit und Zeitverhalten angepasst werden.The flow sensors described here 1 . 18 . 22 . 26 . 29 . 32 and 38 are very easy to produce and can easily in the walls 3 the flow channels 2 . 33 and 36 to be assembled. In addition, the structure of the flow sensors 1 . 18 . 22 . 26 . 29 . 32 and 38 be flexibly adapted to the respective requirements regarding strength and time behavior.

Es sei angemerkt, dass die Reihenfolge des Temperaturmessarms 6 sowie der Heizarme 8 und 30 bezüglich der Strömungsrichtung 5 je nach Messprinzip verschieden sein kann. Beispielsweise kann ein Temperaturmessarm in Strömungsrichtung zwischen zwei Heizarmen angeordnet sein. Auch der umgekehrte Fall ist denkbar, nämlich dass ein Heizarm zwischen zwei Temperaturmessarmen angeordnet ist. In letzterem Fall wird die Temperaturdifferenz der Temperaturen ermittelt, die von den Temperaturfühlern auf den Temperaturmessarmen ermittelt werden. Die Temperaturdifferenz zwischen den Temperaturfühlern ist dann ein Maß für den Gasmassenstrom.It should be noted that the order of the temperature measuring arm 6 and the heating arms 8th and 30 with respect to the flow direction 5 may vary depending on the measuring principle. For example, a temperature measuring arm can be arranged in the flow direction between two heating arms. The reverse case is also conceivable, namely that a heating arm is arranged between two temperature measuring arms. In the latter case, the temperature difference of the temperatures which are determined by the temperature sensors on the temperature measuring arms is determined. The temperature difference between the temperature sensors is then a measure of the gas mass flow.

Claims (15)

Strömungssensor mit einem Heizarm (8, 30), der mit einem Heizelement (9, 31) versehen ist und der in einen Strömungskanal (2, 33) einbringbar ist, mit einem Temperaturmessarm (6), der mit einem Temperaturfühler (7) ausgestattet ist und der im Abstand zum Heizarm (8, 30) in den Strömungskanal (2, 33) einbringbar ist, und mit einer Gassensorschaltung (11), die wenigstens ein zum Betrieb des Strömungssensors erforderliches Schaltungselement umfasst, wobei das Heizelement (9, 31) und der Temperaturfühler (7) zusammen mit dem Schaltungselement auf einem gemeinsamen keramischen Substrat (12) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungssensor auf entgegen gesetzten Seiten jeweils einen Temperaturmessarm (6) und einen Temperaturfühler (7) aufweist.Flow sensor with a heating arm ( 8th . 30 ), which is equipped with a heating element ( 9 . 31 ) and in a flow channel ( 2 . 33 ) can be introduced, with a temperature measuring arm ( 6 ), which is equipped with a temperature sensor ( 7 ) and in the distance to the heating arm ( 8th . 30 ) in the flow channel ( 2 . 33 ), and with a gas sensor circuit ( 11 ) comprising at least one circuit element required for operation of the flow sensor, wherein the heating element ( 9 . 31 ) and the temperature sensor ( 7 ) together with the circuit element on a common ceramic substrate ( 12 ) are arranged, characterized in that the flow sensor on opposite sides each have a temperature measuring arm ( 6 ) and a temperature sensor ( 7 ) having. Strömungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Substrat (12) aus einem Material hergestellt ist, das in ein organisches Bindemittel eingebettete keramische Teilchen umfasst.Flow sensor according to claim 1, characterized in that the ceramic substrate ( 12 ) is made of a material comprising ceramic particles embedded in an organic binder. Strömungssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schaltungsbereich (13), der der Aufnahme der Gassensorschaltung (11) dient, durch eine sich zwischen dem Temperaturmessarm (6) und dem Heizarm (8) erstreckende thermische Barriere (15) thermisch unterteilt ist.Flow sensor according to claim 1 or 2, characterized in that a circuit area ( 13 ), the inclusion of the gas sensor circuit ( 11 ) serves, by a between the temperature measuring arm ( 6 ) and the heating arm ( 8th ) extending thermal barrier ( 15 ) is thermally subdivided. Strömungssensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (12) im Bereich der thermischen Barriere (15) geschwächt ist.Flow sensor according to claim 3, characterized in that the substrate ( 12 ) in the area of the thermal barrier ( 15 ) is weakened. Strömungssensor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Barriere (15) mit Hilfe einer Glasschicht bewerkstelligt ist.Flow sensor according to claim 3 or 4, characterized in that the thermal barrier ( 15 ) is accomplished by means of a glass layer. Strömungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (12) im Bereich des Temperaturmessarms (6) und des Heizarms (8) geschwächt ist.Flow sensor according to one of claims 1 to 5, characterized in that the substrate ( 12 ) in the area of the temperature measuring arm ( 6 ) and the heating arm ( 8th ) is weakened. Strömungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (12) aus mehreren aufeinander gestapelten Substratschichten (23, 27, 28) gefertigt ist.Flow sensor according to one of claims 1 to 6, characterized in that the substrate ( 12 ) of several stacked substrate layers ( 23 . 27 . 28 ) is made. Strömungssensor nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Substratschichten (23, 27, 28) in den geschwächten Bereichen des Substrats (12) verringert ist.Flow sensor according to claim 6 and 7, characterized in that the number of substrate layers ( 23 . 27 . 28 ) in the weakened areas of the substrate ( 12 ) is reduced. Strömungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (12) von einer Schutzschicht (19) abgedeckt ist.Flow sensor according to one of claims 1 to 8, characterized in that the substrate ( 12 ) of a protective layer ( 19 ) is covered. Strömungssensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (19) aus einem Material hergestellt ist, das in ein organisches Bindemittel eingebettete Keramikteilchen aufweist.Flow sensor according to claim 9, characterized in that the protective layer ( 19 ) is made of a material having ceramic particles embedded in an organic binder. Strömungssensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (19) aus Glas hergestellt ist.Flow sensor according to claim 9, characterized in that the protective layer ( 19 ) is made of glass. Strömungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (9) und der Temperaturfühler (7) aus einer Widerstandspaste auf der Basis von Platin und Ruthenium hergestellt sind.Flow sensor according to one of claims 1 to 11, characterized in that the heating element ( 9 ) and the temperature sensor ( 7 ) are made of a platinum and ruthenium based resistor paste. Strömungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungssensor wenigstens zwei im Abstand zum Temperaturmessarm (6) angeordnete Heizarme (8, 30) aufweist.Flow sensor according to one of claims 1 to 12, characterized in that the flow sensor at least two at a distance from the temperature measuring arm ( 6 ) arranged heating arms ( 8th . 30 ) having. Strömungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch ge kennzeichnet, dass das Substrat (12) des Strömungssensors an einer Wand (3, 35) des Strömungskanals (2, 33, 36) anbringbar ist.Flow sensor according to one of claims 1 to 13, characterized in that the substrate ( 12 ) of the flow sensor on a wall ( 3 . 35 ) of the flow channel ( 2 . 33 . 36 ) is attachable. Strömungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Substrat (12) wenigstens ein weiterer Sensor (39, 40, 41) zur Messung der Gaszusammensetzung, des Gasdruckes oder der Feuchtigkeit angeordnet ist.Flow sensor according to one of claims 1 to 14, characterized in that on the substrate ( 12 ) at least one further sensor ( 39 . 40 . 41 ) for measuring the gas composition, Gas pressure or humidity is arranged.
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