DE102005028142A1

DE102005028142A1 - Hot film air mass meter for motor vehicle`s diesel internal combustion engine, has auxiliary heating unit and temperature sensors arranged on measuring surface outside sensor area, where measuring circuit strip size define sensor area

Info

Publication number: DE102005028142A1
Application number: DE200510028142
Authority: DE
Inventors: Erhard Renninger; Bernhard Opitz; Uwe Konzelmann; Ulrich Wagner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-06-17
Filing date: 2005-06-17
Publication date: 2007-01-18
Also published as: JP2006349687A; JP4980654B2

Abstract

The meter has a sensor chip (110) with a smaller conductivity in area of measuring surface around a range than that in area of a main surface of a chip upper surface. Conducting strips of a central hot film air mass measuring circuit with a central heating unit and a temperature sensor are attached on a measuring surface (114). External dimensions of the conducting strip of the central hot film measuring circuit define a sensor area of the measuring surface. An auxiliary heating unit and auxiliary temperature sensors (158, 160) are arranged on the measuring surface outside a sensor area.

Description

Die Erfindung betrifft einen Heißfilmluftmassenmesser zur Messung eines mit einer Hauptströmungsrichtung strömenden Luftmassenstroms. Derartige Heißfilmluftmassenmesser werden insbesondere im Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine eingesetzt.The The invention relates to a hot film air mass meter for measuring an air mass flow flowing with a main flow direction. Such hot film air mass meter be especially in the intake of an internal combustion engine used.

Bei vielen Prozessen, beispielsweise auf dem Gebiet der Verfahrenstechnik, der Chemie oder des Maschinenbaus, muss definiert eine Gasmasse, insbesondere eine Luftmasse, zugeführt werden. Hierzu zählen insbesondere Verbrennungsprozesse, welche unter geregelten Bedingungen ablaufen. Ein wichtiges Beispiel ist dabei die Verbrennung von Kraftstoff in Verbrennungskraftmaschinen von Kraftfahrzeugen, insbesondere mit anschließender katalytischer Abgasreinigung. Zur Messung des Luftmassendurchsatzes werden dabei verschiedene Typen von Sensoren eingesetzt.at many processes, for example in the field of process engineering, Chemistry or mechanical engineering, must define a gas mass, in particular an air mass fed become. Which includes in particular combustion processes, which under controlled conditions expire. An important example is the combustion of fuel in internal combustion engines of motor vehicles, in particular with following catalytic emission control. For measuring the air mass flow rate Different types of sensors are used.

Ein aus dem Stand der Technik bekannter Sensortyp ist der so genannte Heißfilmluftmassenmesser (HFM), welcher beispielsweise in DE 196 01 791 A1 in einer Ausführungsform beschrieben ist. Bei derartigen Heißfilmluftmassenmessern wird üblicherweise ein Sensorchip eingesetzt, welcher eine dünne Sensormembran aufweist, beispielsweise ein Silicium-Sensorchip. Auf der Sensormembran ist typischerweise mindestens ein Heizwiderstand angeordnet, welcher von zwei oder mehr Temperaturmesswiderständen (Temperaturfühlern) umgeben ist. In einem Luftstrom, welcher über die Membran geführt wird, ändert sich die Temperaturverteilung, was wiederum von den Temperaturmesswiderständen erfasst werden kann und mittels einer Ansteuer- und Auswertungsschaltung ausgewertet werden kann. So kann, zum Beispiel aus einer Widerstandsdifferenz der Temperaturmesswiderstände, ein Luftmassenstrom bestimmt werden. Verschiedene andere Varianten dieses Sensortyps sind aus dem Stand der Technik bekannt.One type of sensor known from the prior art is the so-called hot film air mass meter (HFM), which is used, for example, in US Pat DE 196 01 791 A1 in one embodiment. Such a hot-film air mass meter usually uses a sensor chip which has a thin sensor membrane, for example a silicon sensor chip. On the sensor membrane is typically arranged at least one heating resistor, which is surrounded by two or more temperature measuring resistors (temperature sensors). In an air flow, which is guided over the membrane, the temperature distribution changes, which in turn can be detected by the temperature measuring resistors and can be evaluated by means of a control and evaluation circuit. Thus, for example, from a difference in resistance of the temperature measuring resistors, an air mass flow can be determined. Various other variants of this type of sensor are known in the art.

Eine beispielsweise aus DE 101 11 840 C2 bekannte Problematik dieses Typs von Sensor besteht darin, dass häufig Kontaminationen des Sensortyps auftreten können, beispielsweise Kontaminationen durch Öl, andere Flüssigkeiten oder andere Arten von Verunreinigungen. Der Sensorchip wird üblicherweise direkt im Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine oder in einem Bypass zum Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine eingesetzt. Dabei kann sich im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine Öl auf dem Sensorchip und dabei insbesondere auf der Sensormembran niederschlagen. Dieser Ölniederschlag kann zu einer unerwünschten Messsignalbeeinflussung des Sensorchips führen, insbesondere da ein Ölfilm auf der Oberfläche des Sensorchips auf die Wärmeleitfähigkeit der Oberfläche einwirkt, was zur Verfälschung der Messsignale führt. Die Ölkontamination kann weiterhin auch beim oder kurz nach dem Abschalten der Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise eines Dieselmotors, auftreten. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn sich nach Abschalten der Verbrennungskraftmaschine ein in einem Kurbelgehäuse vorhandener Überdruck über eine Kurbelgehäuseentlüftung in den Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine (und damit zum Beispiel auch in den Bypasskanal des Heißfilmluftmassenmessers) abbaut. Dabei wird häufig Öldampf beziehungsweise Ölnebel mitgeführt.An example from DE 101 11 840 C2 The known problem with this type of sensor is that contamination of the sensor type can frequently occur, for example contamination by oil, other liquids or other types of contaminants. The sensor chip is usually used directly in the intake tract of the internal combustion engine or in a bypass to the intake tract of the internal combustion engine. In this case, oil may be deposited on the sensor chip and in particular on the sensor membrane during operation of the internal combustion engine. This oil precipitate can lead to an undesired influence of the measurement signal of the sensor chip, in particular since an oil film acts on the surface of the sensor chip on the thermal conductivity of the surface, which leads to the falsification of the measurement signals. The oil contamination can also occur during or shortly after switching off the internal combustion engine, for example a diesel engine. This is the case in particular when, after switching off the internal combustion engine, an overpressure present in a crankcase is reduced via a crankcase ventilation into the intake tract of the internal combustion engine (and thus, for example, into the bypass duct of the hot film air mass meter). In this case, oil vapor or oil mist is often carried.

Die DE 101 11 840 C2 schlägt daher ein Verfahren zur Vermeidung von Verschmutzungen auf einem Sensorchip unter Verwendung eines Zusatzheizers vor. Der Sensorchip weist einen Sensorbereich auf sowie einen außerhalb des Sensorbereichs angeordneten Zusatzheizer. Dieser Zusatzheizer wird elektrisch so erhitzt, dass im Bereich des Zusatzheizers Thermogradientenwirbel auftreten, welche zu Niederschlägen der Verschmutzungen des strömenden Mediums im Bereich des Zusatzheizers abseits des Bereichs des Sensorbereichs führen.The DE 101 11 840 C2 therefore proposes a method of preventing soiling on a sensor chip using an auxiliary heater. The sensor chip has a sensor area and an additional heater arranged outside the sensor area. This additional heater is electrically heated so that in the area of the additional heater thermal gradient vortices occur, which lead to precipitation of the contaminants of the flowing medium in the region of the additional heater away from the region of the sensor area.

Die in der DE 101 11 840 C2 offenbarte Anordnung und das offenbarte Verfahren sind jedoch in der Praxis bei verschiedenen Betriebsarten der Verbrennungskraftmaschine mit Nachteilen verbunden. Ein Nachteil besteht beispielsweise darin, dass eine Lokalisierung der Thermogradientenwirbel, welche durch die in der DE 101 11 840 C2 offenbarte Vorrichtung bezweckt wird, in der Praxis kaum möglich ist. Aufgrund der hohen thermischen Leitfähigkeit des Siliciums breitet sich die vom Zusatzheizer generierte Wärme leicht über den gesamten Chip aus, was zu einer „ausgeschmierten" Temperaturverteilung und somit zu einer Aufheizung des gesamten Chips führt.The in the DE 101 11 840 C2 However, the disclosed arrangement and the disclosed method are in practice associated with various operating modes of the internal combustion engine with disadvantages. A disadvantage, for example, is that a localization of the Thermogradientenwirbel, which by the in the DE 101 11 840 C2 disclosed device is hardly possible in practice. Due to the high thermal conductivity of the silicon, the heat generated by the additional heater spreads easily over the entire chip, which leads to a "smeared" temperature distribution and thus to a heating of the entire chip.

Die Problematik der Verschmutzung der Membran beziehungsweise Sensoroberfläche wird durch thermodynamische Effekte verschärft. So ist es bekannt, dass Flüssigkeitstropfen, welche einen Gradienten in ihrer Oberflächenspannung aufweisen, eine Kraft in Richtung der höheren Oberflächenspannung erfahren. Dies führt in der Regel zu einer Bewegung des Tropfens von einer niedrigen zu einer hohen Oberflächenspannung. Insbesondere kann dieser Gradient durch einen Temperaturgradienten auf einer Oberfläche, auf welche der Flüssigkeitstropfen aufgebracht ist, hervorgerufen werden. Der Tropfen wird durch den Temperaturgradienten und die daraus resultierende Kraft üblicherweise von einem wärmeren Bereich der Oberfläche in einen kälteren Bereich der Oberfläche bewegt. Dieser Effekt ist beispielsweise in V.G. Levich, „Physicochemical Hydrodynamics", Prentice-Hall, N.J., 1962, S. 373 u. S. 380, beschrieben.The Problem of contamination of the membrane or sensor surface is through thermodynamic effects exacerbated. So it is known that liquid drops, which have a gradient in their surface tension, a Force in the direction of the higher surface tension Experienced. this leads to usually to a movement of the drop from a low to a high surface tension. In particular, this gradient can be due to a temperature gradient on a surface, on which the liquid drops applied is to be evoked. The drop is due to the temperature gradient and the resulting force usually from a warmer area the surface in a colder Area of the surface emotional. This effect is for example in V.G. Levich, "Physicochemical Hydrodynamics ", Prentice-Hall, N.J., 1962, p. P. 380.

Wie oben beschrieben sind typische Heißfilmluftmassenmesser derart aufgebaut, dass diese eine Sensormembran (beispielsweise eine Silicium-Membran) mit geringer thermischer Leitfähigkeit sowie ein umgebendes Chip-Festland aufweisen. Im Betrieb des Heißfilmluftmassenmessers baut sich daher üblicherweise an den Rändern der Sensormembran, also an der Grenze zum umgebenden Chip-Festland, ein Temperaturgradient und dementsprechend ein Flüssigkeitswall, beispielsweise in Form von Öltröpfchen, auf. Durch die Luftströmung kann dieser Flüssigkeitswall ganz oder teilweise mitgerissen werden, so dass Öltröpfchen auf die Sensormembran gelangen und dort die Messung beeinflussen können. Weiterhin bewirkt der Flüssigkeitswall eine Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit an den Rändern der Sensormembran, was zu einer Verfälschung und einer Drift des Messsignals führen kann.As described above are typical Heißfileinuftmassenmesser such constructed that this a sensor membrane (for example, a silicon membrane) with low thermal conductivity as well have a surrounding chip mainland. During operation of the hot film air mass meter usually builds up on the edges the sensor membrane, ie at the border to the surrounding chip mainland, a temperature gradient and, accordingly, a liquid wall, for example in the form of oil droplets, on. Through the air flow can this liquid wall be wholly or partially entrained, so that oil droplets on the sensor membrane get there and can influence the measurement there. Furthermore causes the liquid Wall an increase the thermal conductivity on the edges the sensor membrane, resulting in a distortion and drift of the Measuring signal can lead.

Vorteile der ErfindungAdvantages of invention

Es wird daher ein Heißfilmluftmassenmesser zur Messung eines mit einer Hauptströmungsrichtung strömenden Luftmassenstroms, insbesondere im Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine, vorgeschlagen, welcher die Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen vermeidet. Der Heißfilmluftmassenmesser ist universell einsetzbar, ist jedoch insbesondere optimiert zur Messung eines Luftmassenstroms mit einer Strömungsgeschwindigkeit zwischen 0 und 60 m/s.It Therefore, a hot-film air mass meter for Measurement of one with a main flow direction flowing Air mass flow, in particular in the intake of an internal combustion engine, proposed which the disadvantages of the known from the prior art devices avoids. The hot film air mass meter is universally applicable, but is particularly optimized for Measurement of an air mass flow with a flow velocity between 0 and 60 m / s.

Der Heißfilmluftmassenmesser weist einen Sensorchip mit einer vom Luftmassenstrom überströmbaren Chipoberfläche auf. Beispielsweise kann es sich dabei, wie oben beschrieben, um einen Silicium-Chip handeln. Die Chipoberfläche wiederum weist eine Messoberfläche und eine Festlandsoberfläche auf. Im Bereich der Messoberfläche weist der Sensorchip eine um mindestens eine Größenordnung geringere transversale Leitfähigkeit auf als im Bereich der Festlandsoberfläche.Of the Hot film air mass meter has a sensor chip with a chip surface that can be overflowed by the air mass flow. For example, as described above, this may be a Act silicon chip. The chip surface in turn has a measuring surface and a mainland surface on. In the area of the measuring surface the sensor chip has a transverse at least an order of magnitude smaller conductivity on than in the area of the mainland surface.

Diese Verringerung der transversalen Leitfähigkeit kann auf verschiedene Weisen erzielt werden. Beispielsweise können, wie aus dem Stand der Technik bekannt und oben beschrieben, Sensorchips mit einer Sensormembran eingesetzt werden, welche eine Dicke von lediglich wenigen μm aufweist. Hierbei wird die geringe thermische Leitfähigkeit (ca. 0,026 W/m K) der die Sensormembran umgebenden Luft ausgenutzt. Alternativ können als Messbereich mit einer dem Luftmassenstrom zugewandten Messoberfläche auch poröse Bereiche im Chip hergestellt werden, beispielsweise durch eine Porösifizierung eines Siliciumchips. Auf diese Weise lassen sich Messbereiche herstellen, welche aufgrund der eingeschlossenen Luftkavernen transversale Leitfähigkeiten von 0,1 bis 2 W/(m K) herstellen, im Vergleich zu einem Siliciumsubstrat mit einer thermischen Leitfähigkeit von 156 W/(m K).These Reduction of transverse conductivity can be due to different Ways are achieved. For example, as from the state of Technique known and described above, sensor chips with a sensor membrane can be used, which has a thickness of only a few microns. Here, the low thermal conductivity (about 0.026 W / m K) of the exploiting the air surrounding the sensor membrane. Alternatively, as Measuring range with a measuring surface facing the air mass flow also porous Areas are produced in the chip, for example by a Porösifizierung a silicon chip. In this way measuring ranges can be produced which due to the trapped air caverns transversal conductivities from 0.1 to 2 W / (m K), compared to a silicon substrate with a thermal conductivity of 156 W / (m K).

Auf die Messoberfläche sind Leiterbahnen einer zentralen Heißfilmluftmassenmesserschaltung aufgebracht. Diese zentrale Heißfilmluftmassenmesserschaltung weist mindestens ein zentrales Heizelement und mindestens einen, vorzugsweise mindestens zwei, Temperaturfühler auf. Beispielsweise kann es sich, wie oben beschrieben, um ein zentrales Heizelement handeln, welches von zwei Temperaturfühlern umgeben ist. Auch andere Geometrien sind denkbar.On the measuring surface are printed conductors of a central Heißfileinuftmassenmesserschaltung applied. This central hot film air mass meter circuit has at least one central heating element and at least one, preferably at least two, temperature sensor on. For example, it can as described above, is a central heating element, which of two temperature sensors is surrounded. Other geometries are conceivable.

Die äußeren Abmessungen der Leiterbahnen der zentralen Heißfilmluftmassenmesserschaltung definieren einen Sensorbereich der Messoberfläche. Somit ist die Messoberfläche in einen Sensorbereich und einen außerhalb des Sensorbereichs liegenden Bereich unterteilt. Beispielsweise kann der Sensorbereich die Form eines Rechtecks, beispielsweise eines die Leiterbahnen der zentralen Heißfilmluftmassenmesserschaltung umrandenden (virtuellen) Rechtecks einnehmen, welches beispielsweise zentral innerhalb der Messoberfläche angeordnet ist.The outer dimensions the tracks of the central Heißfileinuftmassenmesserschaltung define a sensor area of the measurement surface. Thus the measuring surface is in one Sensor area and an outside divided by the sensor area. For example For example, the sensor area may be in the shape of a rectangle one of the tracks of the central hot film air mass meter circuit occupy bordering (virtual) rectangles, which central, for example within the measurement surface is arranged.

In der Praxis ist jedoch in der Regel die Herstellung der Messoberflächen, beispielsweise der Membran oder des porösen Bereiches, aufwendig und teuer. Dies ist insbesondere dadurch bedingt, dass entsprechende halbleitertechnische Verfahren eingesetzt werden. Weiterhin sind üblicherweise die Messoberflächen störungsanfällig und empfindlich, da beispielsweise eine Membran leicht beschädigt werden kann. Entsprechend können poröse Bereiche im Silicium leicht verschmutzen und sind erhöhter Bruchgefahr ausgesetzt. Dementsprechend gehen die Bestrebungen dahin, die Messoberfläche bei üblichen Heißfilmluftmassenmessern in ihrer Fläche zu minimieren. Daher wird bei üblichen Heißfilmluftmassenmessern die Messoberfläche üblicherweise nahezu vollständig mit den Leiterbahnen der zentralen Heißfilmluftmassenmesserschaltung ausgefüllt. Die zur Verfügung stehende Messoberfläche wird dabei räumlich optimal ausgenutzt, so dass Sensorbereich und Messoberfläche bei üblichen Sensorchips nahezu identisch sind.In However, the practice is usually the production of the measuring surfaces, for example membrane or porous Range, elaborate and expensive. This is due in particular to the fact that appropriate semiconductor technology method can be used. Furthermore, they are usually the measuring surfaces prone to failure and sensitive, since, for example, a membrane are easily damaged can. Correspondingly porous Slightly pollute areas in the silicon and increase the risk of breakage exposed. Accordingly, the efforts go to the measuring surface at usual Hot film air mass meters in their area to minimize. Therefore, at usual Hot film air mass meters the measuring surface usually almost complete with the tracks of the central hot film air mass meter circuit filled. The available standing measuring surface becomes spatial optimally utilized, so that sensor area and measuring surface at usual Sensor chips are almost identical.

Ein erster Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Messoberfläche nicht vollständig durch den Sensorbereich auszufüllen, sondern zusätzlich mindestens ein Zusatzheizelement und mindestens einen zusätzlichen Temperaturfühler auf der Messoberfläche außerhalb des Sensorbereichs anzuordnen. Im Gegensatz zur DE 101 11 840 C2 besteht ein entscheidender Vorteil dieser Anordnung darin, dass die von dem mindestens einen Zusatzheizelement eingebrachte Wärme aufgrund der geringen thermischen Leitfähigkeit der Messoberfläche räumlich weitgehend lokalisiert ist. Eine Erwärmung des gesamten Sensorchips oder der gesamten Messoberfläche ist somit bei Aufheizen des mindestens einen Zusatzheizelementes nicht gegeben.A first basic idea of the present invention consists in not completely filling the measurement surface through the sensor region, but additionally arranging at least one additional heating element and at least one additional temperature sensor on the measurement surface outside the sensor region. In contrast to DE 101 11 840 C2 a decisive advantage of this arrangement is that the heat introduced by the at least one additional heating element Due to the low thermal conductivity of the measuring surface is spatially largely localized. A heating of the entire sensor chip or the entire measuring surface is thus not given when heating the at least one Zusatzheizelementes.

Weiterhin ermöglicht der mindestens eine zusätzliche Temperaturfühler, welcher vorzugsweise in unmittelbarer Nähe des mindestens einen Zusatzheizelements angeordnet ist, eine exakte Einstellung der Temperatur des mindestens einen Zusatzheizelementes beziehungsweise der Messoberfläche in unmittelbarer Nähe dieses mindestens einen Zusatzheizelementes oder des mindestens einen zusätzlichen Temperaturfühlers. Beispielsweise können mehrere Zusatzheizelemente vorgesehen sein, welchen z. B. jeweils ein zusätzlicher Temperaturfühler zugeordnet ist. Auf diese Weise lassen sich in bestimmten Bereichen der Messoberfläche des Sensorchips definierte Temperaturen einstellen. Somit lässt sich die Ausbildung von Thermogradientenwirbeln auf der Chipoberfläche erheblich besser einstellen als mit aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen.Farther allows the at least one additional Temperature sensor, which preferably in the immediate vicinity of the at least one additional heating element is arranged, an exact adjustment of the temperature of at least an additional heating element or the measuring surface in the immediate Near this at least one Zusatzheizelementes or at least one additional Temperature sensor. For example, several Additional heating be provided, which z. B. in each case an additional Temperature sensor assigned is. In this way, in certain areas of the measuring surface of the Set sensor chips defined temperatures. Thus can be the formation of Thermogradientenwirbeln on the chip surface considerably set better than with known from the prior art devices.

Ein weiterer Grundgedanke der vorliegenden Erfindung nutzt ein Weiterbildung des beschriebenen Aufbaus des Heißfilmluftmassenmessers, bei welchem die Leiterbahnen der zentralen Heißfilmluftmassenmesserschaltung mit einer Ansteuer- und Auswertungsschaltung zum Ansteuern und Auswerten der Messung des Luftmassenstroms verbunden sind und bei der das mindestens eine Zusatzheizelement und der mindestens eine zusätzliche Temperaturfühler mit einer Temperaturregelungsschaltung zum Einstellen und/oder Regeln einer vorgegebenen Temperatur T_fix verbunden sind. Mit einer derartigen Anordnung kann, unter Ausnutzung des oben beschriebenen Effektes der Krafteinwirkungen auf Flüssigkeitstropfen auf einer Oberfläche mit einem Temperaturgradienten, ein „Temperaturwall" um den Sensorbereich des Heißfilmluftmassenmessers aufgebaut werden. Beispielsweise kann der mindestens eine zusätzliche Temperaturfühler mit einem Regeleingang der Temperaturregelungsschaltung verbunden sein, und das mindestens eine Zusatzheizelement mit einem entsprechenden Ausgang (gegebenenfalls indirekt, zum Beispiel über eine Stromversorgung) der Temperaturregelungsschaltung. Auf diese Weise können, unabhängig vom Betriebszustand des Heißfilmluftmassenmessers, bestimmte Bereiche auf der Messoberfläche mit einer definierten Temperatur beaufschlagt werden. Somit lassen sich beispielsweise Umgebungstemperatureffekte vom Sensorbereich abschirmen, so dass der Sensorbereich stets unter gleichen thermischen Bedingungen arbeitet. Eine Drift der Messsignale lässt sich somit vermeiden.Another basic idea of the present invention utilizes a further development of the described construction of the hot film air mass meter, in which the conductor tracks of the central hot film air mass meter circuit are connected to a control and evaluation circuit for driving and evaluating the measurement of the air mass flow and in which the at least one additional heating element and the at least one additional Temperature sensor with a temperature control circuit for setting and / or regulating a predetermined temperature T are _fixedly connected. With such an arrangement, utilizing the above-described effect of liquid droplet drops on a temperature gradient surface, a "temperature ramp" may be built around the sensor area of the hot film air mass meter. and at least one additional heating element with a corresponding output (possibly indirectly, for example via a power supply) of the temperature control circuit In this way, regardless of the operating state of the hot film air mass meter, certain areas on the measuring surface can be exposed to a defined temperature from the sensor area, so that the sensor area always operates under the same thermal conditions, so that a drift of the measuring signals can be achieved avoided.

Weiterhin bewirkt der „Temperaturwall" auch, dass Öltröpfchen, welche beispielsweise durch den Luftmassenstrom auf den Sensorbereich getrieben werden, aufgrund der oben genannten Oberflächenspannungseffekte eine Gegenkraft erfahren und somit vom Sensorbereich ferngehalten werden. Es lassen sich gezielt Temperaturgradienten einstellen, mit denen die Thermogradientenkraft auf Öltröpfchen gezielt beeinflusst werden kann, um Öltröpfchen von dem Sensorbereich fernzuhalten.Farther causes the "temperature wall" also that oil droplets, which, for example, by the air mass flow to the sensor area be driven, due to the above-mentioned surface tension effects experienced a counter force and thus kept away from the sensor area become. It is possible to set specific temperature gradients, with which the thermogradient force specifically influences oil droplets can be to oil droplets from the Keep sensor area away.

In der Praxis hat es sich dabei als besonders wirksam erwiesen, wenn das mindestens eine Zusatzheizelement und der mindestens eine zusätzliche Temperaturfühler den Sensorbereich zumindest teilweise umrahmen. Unter „teilweise" kann dabei zum Beispiel verstanden werden, dass ein aus einem ersten Zusatzheizelement und einem ersten zusätzlichen Temperaturfühler bestehendes Paar bezüglich der Hauptströmungsrichtung des Luftmassenstroms stromaufwärts des Sensorbereichs angeordnet ist und das ein aus einem zweiten Zusatzheizelement und einem zweiten zusätzlichen Temperaturfühler bestehendes Paar bezüglich der Hauptströmungsrichtung des Luftmassenstroms stromabwärts des Sensorbereichs angeordnet ist. Insbesondere kann diese Anordnung symmetrisch zu einer Symmetrieachse des Heißfilmluftmassenmessers, welches sich senkrecht zur Hauptströmungsrichtung erstreckt, sein. Dabei können die Zusatzheizelemente und die zusätzlichen Temperaturfühler jeweils paarweise symmetrisch bezüglich der Symmetrieachse angeordnet sein. Auch weitere geometrische Ausgestaltungen, beispielsweise unter Verwendung weiterer zusätzlicher Temperaturfühler und Zusatzheizelemente, sind denkbar.In In practice, it has proven to be particularly effective when the at least one additional heating element and the at least one additional temperature sensor frame the sensor area at least partially. Under "partially" can thereby for example be understood that one of a first additional heating element and a first additional one temperature sensor existing couple regarding the Main flow direction the air mass flow upstream the sensor region is arranged and the one from a second Additional heating element and a second additional temperature sensor existing Couple re the main flow direction the mass air flow downstream the sensor area is arranged. In particular, this arrangement symmetrical to an axis of symmetry of the Heißfileinuftmassenmessers, which perpendicular to the main flow direction extends, be. It can the additional heating elements and the additional temperature sensors respectively in pairs symmetrical with respect to be arranged the axis of symmetry. Also other geometrical configurations, for example, using additional additional temperature sensor and Additional heating elements are conceivable.

Wie bereits angedeutet, ist insbesondere eine symmetrische Ausgestaltung des Sensorchips von Vorteil. Dies erleichtert insbesondere die Auswertung der Messsignale, da keine asymmetriebedingten Korrekturalgorithmen auf die Messsignale angewandt werden müssen. Andere Ausgestaltungen, insbesondere nicht-symmetrischer Art, sind selbstverständlich jedoch genauso denkbar.As already indicated, is in particular a symmetrical design of the sensor chip of advantage. This facilitates in particular the evaluation of the measurement signals, since there are no asymetry-related correction algorithms must be applied to the measurement signals. Other embodiments, especially non-symmetrical type, of course, however just as conceivable.

In einer bevorzugten symmetrischen Ausgestaltung nehmen Messoberfläche und Sensorbereich im Wesentlichen die Form von Rechtecken ein, wobei die längeren Seiten jedes Rechtecks im Wesentlichen senkrecht zur Hauptströmungsrichtung angeordnet sind. Insbesondere kann das Rechteck des Sensorbereichs im Wesentlichen symmetrisch bezüglich einer Symmetrieachse senkrecht zur Hauptströmungsrichtung in dem Rechteck der Messoberfläche angeordnet sein. Das mindestens eine Zusatzheizelement erstreckt sich in diesem Fall vorzugsweise im Wesentlichen parallel zu den senkrecht zur Hauptströmungsrichtung angeordneten Seiten der Rechtecke. Unter „im Wesentlichen" kann dabei insbesondere eine Abweichung von nicht mehr als 10°, vorzugsweise von nicht mehr als 5°, verstanden werden.In a preferred symmetrical embodiment, the measurement surface and the sensor region essentially take the form of rectangles, wherein the longer sides of each rectangle are arranged substantially perpendicular to the main flow direction. In particular, the rectangle of the sensor region can be arranged substantially symmetrically with respect to an axis of symmetry perpendicular to the main flow direction in the rectangle of the measurement surface. In this case, the at least one additional heating element preferably extends substantially parallel to the sides of the rectangles arranged perpendicular to the main flow direction. Under "essentially" can into the particular, a deviation of not more than 10 °, preferably not more than 5 ° understood.

Insbesondere bei den letztgenannten bevorzugten Ausgestaltungen, bei welchen der Sensorbereich von dem mindestens einen Zusatzheizelement und dem mindestens einen zusätzlichen Temperaturfühler „umrahmt" wird (das heißt zumindest stromaufwärts und/oder stromabwärts bezüglich der Hauptströmungsrichtung), hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Temperatur T_fix am Ort des mindestens einen zusätzlichen Temperaturfühlers mittels des mindestens einen Zusatzheizelementes auf einen bestimmten Wert eingestellt wird. Wird beispielsweise das mindestens eine zentrale Heizelement der zentralen Heißfilmluftmassenmesserschaltung bei einer Temperatur T_max betrieben und weist die Festlandsoberfläche des Sensorchips eine mittlere Temperatur T₀ auf, so hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Temperatur T_fix folgendermaßen eingestellt wird: Tfix = T0 + k(Tmax – T0). Particularly in the last-mentioned preferred embodiments, in which the sensor area is "framed" by the at least one additional heating element and the at least one additional temperature sensor (that is, at least upstream and / or downstream with respect to the main flow direction), it has proven advantageous if the temperature T _fix an additional temperature sensor means of said at least one additional heating element is for example, when the operation for at least a central heating element of the central hot-film air mass meter circuit at a temperature T _max, and has the fixed land surface of the sensor chip has an average temperature T ₀ in the place of at least set to a certain value. so it has proved to be advantageous if the temperature T _fix is set as follows: T fix = T 0 + k (T. Max - T 0 ).

Dabei ist k ein Hebefaktor, welcher vorzugsweise einen Wert zwischen 0,1 und 0,7, insbesondere zwischen 0,2 und 0,6 und besonders bevorzugt von näherungsweise 0,5 einnimmt. Mit dieser Wahl der Fixtemperatur T_fix hat es sich gezeigt, dass insbesondere bei einer näherungsweise mittigen Anordnung des mindestens einen Zusatzheizelementes zwischen dem Rand des Sensorbereichs und dem Rand des Messbereichs eine besonders effiziente Abschirmung des Sensorbereichs erzielen lässt. Die so eingestellte Fixtemperatur T_fix liegt dann in der Regel leicht über der Temperatur, welche sich an diesem Ort ohne Verwendung von Zusatzheizelementen einstellen würde, das heißt allein aufgrund des mindestens einen zentralen Heizelementes. Dementsprechend lässt sich die Temperatur T_fix in diesem Bereich allein durch Ein- und Ausschalten des mindestens einen Zusatzheizelementes regeln. Weiterhin ist jedoch die Fixtemperatur T_fix nicht so hoch, dass diese die Messung der zentralen Heißfilmluftmassenmesserschaltung signifikant beeinflussen würde. Auch andere Einstellungen der Temperatur T_fix sind jedoch möglich.In this case, k is a lifting factor, which preferably assumes a value between 0.1 and 0.7, in particular between 0.2 and 0.6 and particularly preferably of approximately 0.5. With this choice of the _fixed temperature T _fix , it has been shown that particularly with an approximately central arrangement of the at least one additional heating element between the edge of the sensor region and the edge of the measuring region, a particularly efficient shielding of the sensor region can be achieved. The set _fixed temperature T _fix is then usually slightly above the temperature which would be set at this location without the use of additional heating elements, that is to say solely on the basis of the at least one central heating element. Accordingly, the temperature T _fix in this range can be controlled solely by switching the at least one additional heating element on and off. Furthermore, however, the _fixed temperature T _{fix is} not so high that it would significantly affect the measurement of the central Heißfiluuftmassenmesserschaltung. However, other settings of the temperature T _fix are possible.

Mit der dargestellten Anordnung einer der oben beschriebenen Ausführungsformen lässt sich insbesondere auch eine Signaldrift aufgrund von Kontaminationen besonders wirkungsvoll vermeiden. Der oben beschriebene Aufbau eines Flüssigkeitsfilms entlang des Randes der Messoberfläche kann im Laufe des Betriebs des Heißfilmluftmassenmessers eine Veränderung der thermischen Leitfähigkeit bewirken. Dementsprechend ändert sich die Temperaturverteilung auf der Messoberfläche, welche sich aufgrund des Betriebs des mindestens einen zentralen Heizelementes ausbildet. Dies bewirkt eine Signaldrift. Durch Verwendung einer Fixtemperatur, welche durch das mindestens eine Zusatzheizelement und dem mindestens einen zusätzlichen Temperaturfühler eingestellt wird, lässt sich diese Drift, insbesondere die kontaminationsbedingte Veränderung der Temperaturverteilung, aktiv ausgleichen. Die Signalqualität des vorgeschlagenen Heißfilmluftmassenmessers ist daher dem aus der Stand der Technik bekannten Vorrichtungen weit überlegen.With the illustrated arrangement of one of the embodiments described above in particular Also a signal drift due to contamination particularly effective avoid. The above-described structure of a liquid film along the Edge of the measuring surface can in the course of the operation of the Heißfileinuftmassenmessers a change cause the thermal conductivity. Accordingly changes the temperature distribution on the measuring surface, which is due to the Operation of the at least one central heating element is formed. This causes a signal drift. By using a fixed temperature, which by the at least one additional heating element and the at least An additional temperature sensor is set, lets This drift, especially the contamination-related change the temperature distribution, actively balance. The signal quality of the proposed Hot film air mass meter is therefore known from the prior art devices far superior.

Zeichnungdrawing

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.Based the drawing, the invention is explained in more detail below.

Es zeigt:It shows:

1 eine dem Stand der Technik entsprechende Ausgestaltung einer Messoberfläche eines Sensorchips; 1 a prior art embodiment of a measuring surface of a sensor chip;

2 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung eines Sensorchips eines Heißfilmluftmassenmessers. 2 a preferred embodiment of an inventive embodiment of a sensor chip of a Heißfileinuftmassenmessers.

Ausführungsbeispieleembodiments

In 1 ist eine dem Stand der Technik entsprechende Ausgestaltung eines Sensorchips 110 (nur andeutungsweise dargestellt) eines Heißfilmluftmassenmessers dargestellt. Der Sensorchip 110 kann beispielsweise im Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine oder in einem Bypasskanal zum Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine eingesetzt werden. Derartige Vorrichtungen sind beispielsweise aus DE 196 01 791 A1 bekannt. Der Sensorchip gemäß der Ausgestaltung in 1 weist ein Chip-Festland mit einer Festlandsoberfläche 112 in der Zeichenebene (nur ansatzweise dargestellt) auf. In diesem Ausführungsbeispiel sei angenommen, dass es sich bei dem Sensorchip 110 um einen Silicium-Sensorchip handelt.In 1 is a prior art embodiment of a sensor chip 110 (shown only hinted) of a Heißfileinuftmassenmessers shown. The sensor chip 110 For example, it can be used in the intake tract of an internal combustion engine or in a bypass duct to the intake tract of an internal combustion engine. Such devices are made, for example DE 196 01 791 A1 known. The sensor chip according to the embodiment in FIG 1 has a chip mainland with a mainland surface 112 in the drawing plane (only slightly represented). In this embodiment, it is assumed that the sensor chip 110 is a silicon sensor chip.

Weiterhin weist der Sensorchip 110 einen Messbereich mit einer Messoberfläche 114 in der Zeichenebene auf. Die Messoberfläche 114 ist in diesem Ausführungsbeispiel in Form eines Rechtecks 116 ausgestaltet, welches längere Seiten L_M 118, 120 senkrecht zu einer Hauptströmungsrichtung 122 eines Luftmassenstroms aufweist. Die kürzeren Seiten l_M des Rechtecks 116 sind mit den Bezugsziffern 124, 126 bezeichnet und sind parallel zur Hauptströmungsrichtung 122 angeordnet.Furthermore, the sensor chip 110 a measuring range with a measuring surface 114 in the drawing plane. The measuring surface 114 is in the form of a rectangle in this embodiment 116 designed, which longer sides L _M 118 . 120 perpendicular to a main flow direction 122 having an air mass flow. The shorter sides l _{M of} the rectangle 116 are with the reference numbers 124 . 126 and are parallel to the main flow direction 122 arranged.

Der Sensorchip 110 weist im Bereich der Messoberfläche 114 eine thermische Leitfähigkeit auf, welche bei 0,5 bis 2 W/(m K) liegt, im Vergleich zum umgebenden Festland mit 156 W/(m K). Dies kann beispielsweise durch eine Porösifizierung des Siliciums im Bereich der Messoberfläche 114 erreicht werden.The sensor chip 110 points in the area of the measuring surface 114 a thermal conductivity, which is 0.5 to 2 W / (m K), in comparison to the surrounding mainland with 156 W / (m K). This can be done, for example, by a porosification of the silicon in the area of the measuring surface 114 be achieved.

Im Bereich der Messoberfläche 114 sind Leiterbahnen einer zentralen Heißfilmluftmassenmesserschaltung 128 angeordnet. Diese Leiterbahnen 128 setzen sich aus einem zentralen Heizelement 130 und zwei Temperaturfühlern 132, 134 zusammen. Dabei ist ein Temperaturfühler 132 stromaufwärts zum zentralen Heizelement 130 angeordnet und ein Temperaturfühler 134 stromabwärts. Die Leiterbahnen 128 begrenzen in ihren äußeren Abmessungen auf der Messoberfläche 114 einen Sensorbereich 136. Dieser Sensorbereich 136 ist in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls in Form eines Rechtecks 138 ausgestaltet, welches die längeren Seiten 140, 142 und kürzere Seiten 144, 146 aufweist. Die anschlussseitige kürzere Seite 144 des Rechtecks 138 liegt dabei auf der anschlussseitigen kürzeren Seite 124 des Rechtecks 116 der Messoberfläche. Die Seitenlängen des Rechtecks 138 des Sensorbereichs 136 sind in 1 mit L_S und l_S bezeichnet.In the area of the measuring surface 114 are tracks of a central Heißfileinuftmassenmesserschaltung 128 arranged. These tracks 128 are made up of a central heating element 130 and two temperature sensors 132 . 134 together. There is a temperature sensor 132 upstream of the central heating element 130 arranged and a temperature sensor 134 downstream. The tracks 128 limit in their external dimensions on the measuring surface 114 a sensor area 136 , This sensor area 136 is also in the form of a rectangle in this embodiment 138 designed, which the longer sides 140 . 142 and shorter pages 144 . 146 having. The connection side shorter side 144 of the rectangle 138 lies on the connection side shorter side 124 of the rectangle 116 the measuring surface. The side lengths of the rectangle 138 of the sensor area 136 are in 1 denoted by L _S and l _S.

In dem dem Stand der Technik entsprechenden Ausführungsbeispiel gemäß 1 erstrecken sich die Leiterbahnen 128 der zentralen HFM-Schaltung bis nahezu an das äußere Rechteck 116 der Messoberfläche 114 heran. Typischerweise haben die längeren Seiten 118, 120 des Rechtecks 116 eine Länge L_M von ca. 1600 μm und die kürzeren Seiten 124, 126 des Rechtecks 116 eine Länge von l_M = 450-500 μm. Das Rechteck 138 des Sensorbereichs 136 ist dabei nur unwesentlich kleiner dimensioniert, wobei beispielsweise L_S ungefähr 0,9 bis 0,95 × L_M ist und l_S ungefähr 0,7 × l_M ist.In the embodiment corresponding to the prior art according to 1 extend the tracks 128 the central HFM circuit almost to the outer rectangle 116 the measuring surface 114 approach. Typically, the longer sides have 118 . 120 of the rectangle 116 a length L _M of about 1600 microns and the shorter sides 124 . 126 of the rectangle 116 a length of l _M = 450-500 microns. The rectangle 138 of the sensor area 136 is dimensioned only insignificantly smaller, for example, L _{S is} about 0.9 to 0.95 × L _M and l _{S is} about 0.7 × l _M.

Weiterhin ist in 1 auch die Problematik der Ansammlung von Öltröpfchen 148 entlang dem Rechteck 116 der Messoberfläche 114 dargestellt. Diese Öltröpfchen 148 sind somit in unmittelbarer Nachbarschaft der Leiterbahnen 128 angeordnet. Eine leichte äußere Krafteinwirkung, beispielsweise durch den Luftmassenstrom, bewirkt, dass Öltröpfchen 148 auf die Leiterbahnen 128 gelangen. Weiterhin bewirkt die Ansammlung von Öltröpfchen 148 auch eine Veränderung der thermischen Leitfähigkeit des Sensorchips 110 im Bereich des Randes des Rechtecks 116 der Messoberfläche 114. Insbesondere kann durch die Öltröpfchen 148 die Leitfähigkeit am Übergang zwischen Messoberfläche 114 und Festlandsoberfläche 112 erhöht werden. Dies hat einen signifikanten Einfluss auf die Temperaturverteilung auf der Messoberfläche 114. Weiterhin bilden die Öltröpfchen 148 häufig einen Haftvermittler für Staub und Ruß. Zu sätzlich bildet sich in vielen Fällen ein „Ölwall" mit einer Höhe von ca. 30 Mikrometern im Bereich des Randes des Rechtecks 116 der Messoberfläche, was zu Luftverwirbelungen in diesem Bereich führt, die sich erst nach einer gewissen Laufstrecke wieder beruhigen. Dies führt zu einer weiteren Verfälschung des Messsignals. Thermische Effekte und Strömungseffekte, beide hervorgerufen durch die Öltröpfchen 148, wirken also oft zusammen und führen gemeinsam zu einer Veränderung des Messsignals.Furthermore, in 1 also the problem of the accumulation of oil droplets 148 along the rectangle 116 the measuring surface 114 shown. These oil droplets 148 are thus in the immediate vicinity of the tracks 128 arranged. A slight external force, for example due to the air mass flow, causes oil droplets 148 on the tracks 128 reach. Furthermore, the accumulation of oil droplets causes 148 also a change in the thermal conductivity of the sensor chip 110 in the area of the edge of the rectangle 116 the measuring surface 114 , In particular, by the oil droplets 148 the conductivity at the transition between the measuring surface 114 and mainland surface 112 increase. This has a significant influence on the temperature distribution on the measuring surface 114 , Furthermore, the oil droplets form 148 often a bonding agent for dust and soot. In addition, in many cases forms an "oil rampart" with a height of about 30 microns in the region of the edge of the rectangle 116 the measuring surface, which leads to air turbulence in this area, which calm down only after a certain distance. This leads to a further distortion of the measurement signal. Thermal effects and flow effects, both caused by the oil droplets 148 , So often work together and together lead to a change in the measurement signal.

Im oberen Bereich von 1 ist eine Temperaturverteilung parallel zur Hauptströmungsrichtung 128 auf der Messoberfläche 114 dargestellt. Dabei wird angenommen, dass das zentrale Heizelement 130 auf eine Temperatur T_max aufgeheizt wird. Das umgebende Chip-Festland mit der Festlandsoberfläche 112 hat eine Umgebungstemperatur T₀. Die Kurven 150, 152 im oberen Bereich von 1 bezeichnen dabei die Temperaturverteilung entlang der Hauptströmungsrichtung 122 auf der Messoberfläche 114 und zwar im Fall ohne Ansammlung von Öltröpfchen 148 (Kurve 150, durchgezogene Linie) bzw. im Fall mit Ansammlung von Öltröpfchen 148 (Kurve 152, gestrichelt). Dabei ist deutlich zu erkennen, dass infolge der erhöhten thermischen Leitfähigkeit durch die Öltröpfchen 148 die Temperatur im Bereich der Temperaturfühler 132, 134 absinkt. Dementsprechend wird an diesen Temperaturfühlern 132, 134 eine um den Betrag ΔT_mess geringere Temperatur gemessen als im Fall einer Öltröpfchen-kontaminationsfreien Messung. Dies hat in verschiedener Hinsicht negative Auswirkungen. Eine Auswirkung besteht darin, dass eine geringere gemessene Temperatur grundsätzlich zu einem größeren relativen Messfehler führt. Eine weitere Auswirkung liegt darin, dass eine Schwankung der Kontamination durch Öltröpfchen 148 auch zu einer Schwankung des Temperaturabfalls des ΔT_mess führt. Dies wiederum führt zu einer Drift des Signals des Heißfilmluftmassenmessers.In the upper area of 1 is a temperature distribution parallel to the main flow direction 128 on the measuring surface 114 shown. It is assumed that the central heating element 130 is heated to a temperature T _max . The surrounding chip mainland with the mainland surface 112 has an ambient temperature T ₀ . The curves 150 . 152 in the upper area of 1 denote the temperature distribution along the main flow direction 122 on the measuring surface 114 in the case without accumulation of oil droplets 148 (Curve 150 , solid line) or in the case of accumulation of oil droplets 148 (Curve 152 , dashed). It can be clearly seen that due to the increased thermal conductivity of the oil droplets 148 the temperature in the area of the temperature sensor 132 . 134 decreases. Accordingly, at these temperature sensors 132 . 134 a measured by the amount .DELTA.T _mess lower temperature than in the case of an oil droplet contamination-free measurement. This has negative effects in several ways. One effect is that a lower measured temperature generally results in a larger relative measurement error. Another effect is that a variation in contamination by oil droplets 148 also leads to a fluctuation of the temperature drop of the ΔT _mess . This in turn leads to a drift of the signal of the Heißfileinuftmassenmessers.

In 2 ist demgegenüber eine erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Sensorchips 110 dargestellt. Prinzipiell ist die Ausgestaltung des Sensorchips 110 entsprechend zur Ausgestaltung gemäß dem dem Stand der Technik entsprechenden Ausführungsbeispiel in 1. Jedoch ist in 2 erfindungsgemäß die Dimensionierung der Rechtecke 116 und 138 der Messoberfläche 114 bzw. des Sensorbereichs 136 von der Darstellung gemäß 1 stark verschieden. So weist in diesem Ausführungsbeispiel das Rechteck 138 des Sensorbereichs 136 eine kürzere Seitenlänge l_S von 440 μm auf, wohingegen die kürzere Seitenlänge des Rechtecks 116 des Messbereichs 114 eine Länge von ca. l_M = 1500 μm aufweist. Die Dimensionierung der längeren Seitenlängen der Rechtecke 116, 138 ist L_M = 1800 μm und L_S = 1600 μm. Somit ergibt sich, dass die Fläche des Rechtecks 116 der Messoberfläche 114 in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel um einen Faktor 3,8 größer ist als die Fläche des Rechtecks 138 des Sensorbereichs 136. Bevorzugt sind insgesamt Flächenverhältnisse im Bereich 1,5 und 4,5. Für die kürzeren Seiten l_M, l_S ergibt sich ein Verhältnis von 3,4, für die längeren Seiten L_M, L_S ein Verhältnis von 1,1.In 2 In contrast, an inventive embodiment of a sensor chip 110 shown. In principle, the design of the sensor chip 110 according to the embodiment according to the prior art embodiment in FIG 1 , However, in 2 According to the invention, the sizing of the rectangles 116 and 138 the measuring surface 114 or the sensor area 136 from the representation according to 1 strongly different. Thus, in this embodiment, the rectangle 138 of the sensor area 136 a shorter side length l _S of 440 μm, whereas the shorter side length of the rectangle 116 of the measuring range 114 has a length of about l _M = 1500 microns. The dimensioning of the longer side lengths of the rectangles 116 . 138 L _M = 1800 μm and L _S = 1600 μm. Thus it follows that the area of the rectangle 116 the measuring surface 114 in this preferred embodiment by a factor of 3.8 is greater than the area of the rectangle 138 of the sensor area 136 , Preferably, a total of Va ratios in the range 1.5 and 4.5. For the shorter sides l _M , l _{S there} is a ratio of 3.4, for the longer sides L _M , L _S a ratio of 1.1.

Wie aus der näherungsweise maßstäblichen Darstellung der Öltröpfchen 148 in 2 hervorgeht, sind in diesem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel die Öltröpfchen 148 am Übergang zwischen Messbereich 114 und Festlandsoberfläche 112 erheblich weiter von dem Sensorbereich 136 und somit von den Leiterbahnen 128 entfernt. Unter „erheblich weiter" kann beispielsweise verstanden werden, dass die Beabstandung zwischen Öltröpfchen 148 und Leiterbahnen 128 den Durchmesser der Öltröpfchen 148 um ein Vielfaches übersteigt. Da sich nicht in jedem Fall diskrete Öltröpfchen 148 ausbilden, sondern beispielsweise auch kontinuierliche Flüssigkeitsfilme oder Flüssigkeitsbarrieren, ist diese Definition jedoch nicht in allen Fällen anwendbar.As from the approximate scale representation of the oil droplets 148 in 2 shows, in this embodiment of the invention, the oil droplets 148 at the transition between measuring range 114 and mainland surface 112 significantly further from the sensor area 136 and thus of the tracks 128 away. By "significantly further" may be understood, for example, that the spacing between oil droplets 148 and tracks 128 the diameter of the oil droplets 148 exceeds many times. Since not always discrete oil droplets 148 However, for example, continuous liquid films or liquid barriers, this definition is not applicable in all cases.

Rechnungen und strömungsmechanische Betrachtungen haben einen optimalen Abstand zwischen Sensorbereich 136 (d. h. z. B. der Seite 140 des Rechtecks 138) und Grenze der Messoberfläche 114 (d. h. einer Grenze der Messoberfläche hin zum Chipfestland, z. B. Seite 118 des Rechtecks 116) von ca. 540 Mikrometern ergeben, was mit den genannten geometrischen Längen näherungsweise erfüllt ist.Calculations and fluid mechanical considerations have an optimal distance between sensor area 136 (ie, eg the page 140 of the rectangle 138 ) and border of the measuring surface 114 (ie a boundary of the measuring surface towards the chip mainland, eg side 118 of the rectangle 116 ) of about 540 microns, which is approximately satisfied with the said geometric lengths.

Der erfindungsgemäße Sensorchip 110 im Ausführungsbeispiel gemäß 2 weist zusätzlich zu den Leiterbahnen 128 der zentralen HFM-Schaltung im Sensorbereich 136 weitere Leiterbahnen auf der Messoberfläche 114 außerhalb des Sensorbereichs 136 auf. So weist die Messoberfläche 114 weiterhin zwei Zusatzheizelemente 154, 156 auf sowie zwei zusätzliche Temperaturfühler 158, 160. Die Zusatzheizelemente 154, 156 und die zusätzlichen Temperaturfühler 158, 160 sind im Wesentlichen parallel zu den Leiterbahnen 128 der zentralen HFM-Schaltung angeordnet. Senkrecht zur Hauptströmungsrichtung erstrecken sich diese Zusatzheizelemente 154, 156 und die zusätzlichen Temperaturfühler 158, 160 jedoch über die Leiterbahnen 128 hinaus bis fast zu der von der Anschlussseite abgewandten kürzeren Seite 126 des Rechtecks 116. Wie in 2 symbolisch dargestellt ist, sind die Leiterbahnen 128 der zentralen HFM-Schaltung mit einer Ansteuer- und Auswertungsschaltung 162 zum Ansteuern und Auswerten der Messung des Luftmassenstroms verbunden. Derartige Ansteuer- und Auswerteschaltungen 162 sind aus dem Stand der Technik bekannt. Die Zusatzheizelemente 154, 156 und die zusätzlichen Temperaturfühler 158, 160 sind hingegen mit einer Temperaturregelungsschaltung 164 verbunden.The sensor chip according to the invention 110 in the embodiment according to 2 points in addition to the tracks 128 the central HFM circuit in the sensor area 136 further tracks on the measuring surface 114 outside the sensor area 136 on. This is how the measuring surface points 114 furthermore two additional heating elements 154 . 156 on and two additional temperature sensors 158 . 160 , The additional heating elements 154 . 156 and the additional temperature sensors 158 . 160 are essentially parallel to the tracks 128 the central HFM circuit arranged. Perpendicular to the main flow direction, these additional heating extend 154 . 156 and the additional temperature sensors 158 . 160 however, over the tracks 128 out to almost the side facing away from the connection side shorter side 126 of the rectangle 116 , As in 2 is shown symbolically, are the tracks 128 the central HFM circuit with a drive and evaluation circuit 162 connected to the control and evaluation of the measurement of the air mass flow. Such control and evaluation circuits 162 are known from the prior art. The additional heating elements 154 . 156 and the additional temperature sensors 158 . 160 are on the other hand with a temperature control circuit 164 connected.

Im oberen Bereich der 2 ist, analog zur 1, wiederum der Temperaturverlauf auf der Messoberfläche 114 des Sensorchips 110 bei einer Messung des Luftmassenstroms dargestellt. Wiederum kennzeichnet dabei die gestrichelte Kurve 152 den Fall einer Messung bei einer Kontamination durch Öltröpfchen 148, wohingegen die durchgezogene Linie 150 den Fall einer kontaminationsfreien Messung kennzeichnet.In the upper area of the 2 is, analogous to 1 , again the temperature curve on the measuring surface 114 of the sensor chip 110 shown in a measurement of the air mass flow. Again, it indicates the dashed curve 152 the case of a measurement of contamination by oil droplets 148 whereas the solid line 150 characterizes the case of a contamination-free measurement.

Die Temperaturregelungsschaltung 164 wird dabei erfindungsgemäß so betrieben, dass mittels der Zusatzheizelemente 154, 156 die Temperatur der zusätzlichen Temperaturfühler 158, 160 konstant auf einem vorgegebenen Wert T_fix gehalten wird. Idealerweise liegt diese konstante Temperatur T_fix oberhalb der Temperatur, welche sich am Ort der zusätzlichen Temperaturfühler 158, 160 einstellen würde, wenn die Zusatzheizelemente 154, 156 ausgeschaltet wären und lediglich das zentrale Heizelement 130 betrieben wird. Dies gewährleistet eine Regelbarkeit der Temperatur auf den Wert T_fix allein durch die Zusatzheizelemente 154, 156. Wie oben beschrieben, hat sich in der Praxis ein Temperaturwert für T_fix als vorteilhaft erwiesen, welcher um ca. 0,5 der Differenz zwischen der Umgebungstemperatur T₀ und der Betriebstemperatur T_max des zentralen Heizelements 130 über der Umgebungstemperatur T₀ liegt. Typischerweise liegt die Umgebungstemperatur T₀ bei ca. 20°C, und die Betriebstemperatur T_max bei ca. 160°C. Die Fixtemperatur T_fix wird somit vorzugsweise bei ca. 90°C gewählt und auf diesen Wert geregelt.The temperature control circuit 164 is operated according to the invention so that by means of Zusatzheizelemente 154 . 156 the temperature of the additional temperature sensor 158 . 160 is kept constant at a predetermined value T _fix . Ideally, this constant temperature T _{fix is} above the temperature, which is at the location of the additional temperature sensor 158 . 160 would set if the auxiliary heating elements 154 . 156 would be turned off and only the central heating element 130 is operated. This ensures a controllability of the temperature to the value T _fix solely by the additional heating elements 154 . 156 , As described above, a temperature value for T _{fix has} proven to be advantageous in practice, which is about 0.5 of the difference between the ambient temperature T ₀ and the operating temperature T _{max of} the central heating element 130 is above the ambient temperature T ₀ . Typically, the ambient temperature T ₀ is about 20 ° C, and the operating temperature T _max at about 160 ° C. The _fixed temperature T _fix is thus preferably selected at about 90 ° C and controlled to this value.

Wie der Temperaturverlauf im oberen Bereich der 2 zeigt, beeinflusst die Kontamination durch Öltröpfchen 148 nunmehr lediglich den Temperaturverlauf stromaufwärts des stromaufwärts gelegenen Temperaturfühlers 158 und stromabwärts des stromabwärts gelegenen Temperaturfühlers 160 (vgl. den Verlauf der Kurven 150, 152). Die Messtemperatur T_mess am Ort der Temperaturfühler 132, 134 wird durch eine Ölkontamination kaum beeinflusst. Somit wird durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung des Sensorchips 110 nicht nur die Ölkontamination 158 in einen Bereich weit abgelegen vom Sensorbereich 136 verdrängt, sondern es wird zusätzlich durch die Zusatzheizelemente 154, 156 und die zusätzlichen Temperaturfühler 158, 160 eine „Temperaturbarriere" um den Sensorbereich 136 herum geschaffen. Dies bewirkt, dass die Luftmassenmessung durch eine Ölkontamination praktisch nicht mehr beeinflusst wird. Somit sind durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung gemäß 2 Kontaminationseinflüsse und Signaldrift durch Verunreinigung mit Öltröpfchen 148 nahezu ausgeschlossen.Like the temperature curve in the upper area of the 2 shows, influences the contamination by oil droplets 148 now only the temperature profile upstream of the upstream temperature sensor 158 and downstream of the downstream temperature sensor 160 (See the course of the curves 150 . 152 ). The measuring temperature T _mess at the location of the temperature sensor 132 . 134 is hardly affected by oil contamination. Thus, this inventive design of the sensor chip 110 not just the oil contamination 158 in an area far away from the sensor area 136 displaced, but it is additionally by the additional heating elements 154 . 156 and the additional temperature sensors 158 . 160 a "temperature barrier" around the sensor area 136 created around. This has the effect that the air mass measurement is practically no longer influenced by oil contamination. Thus, by the embodiment according to the invention 2 Contamination effects and signal drift due to contamination with oil droplets 148 almost impossible.

Es sei abschließend noch darauf hingewiesen, dass die Ausgestaltung der Sensorchips 110 gemäß den Ausführungsbeispielen in den 1 und 2 symmetrisch zu einer Symmetrielinie 166 sind. Diese Symmetrielinie 166 ist senkrecht zur Hauptströmungsrichtung 122 des Luftmassenstroms angeordnet. Eine derartige symmetrische Anordnung der Leiterbahnen 128 und der Zusatzheizelemente 154, 156 sowie der zusätzlichen Temperaturfühler 158, 160 erleichtert die Auswertung der Messsignale des Heißfilmluftmassenmessers erheblich. In diesem Fall kann auf eine abschließende Korrektur der Messsignale aufgrund von asymmetriebedingten Artefakten verzichtet werden. Dies erleichtert die Auswertung. Selbstverständlich sind jedoch auch asymmetrische Ausgestaltungen von Sensorchips 110 und Messoberflächen 114 denkbar.It should finally be noted that the design of the sensor chips 110 according to the embodiments in the 1 and 2 symmetrical to a symmetry line 166 are. This symmetry line 166 is perpendicular to the main flow direction 122 arranged the air mass flow. Such a symmetrical arrangement of the conductor tracks 128 and the additional heating elements 154 . 156 as well as the additional temperature sensor 158 . 160 facilitates the evaluation of the measuring signals of the hot film air flow meter considerably. In this case, a final correction of the measurement signals due to asymmetry-related artifacts can be dispensed with. This facilitates the evaluation. Of course, however, are also asymmetric configurations of sensor chips 110 and measuring surfaces 114 conceivable.

110110: Sensorchipsensor chip
112112: FestlandsoberflächeMainland surface
114114: Messoberflächemeasuring surface
116116: Rechteck der Messoberflächerectangle the measuring surface
118118: längere Seite des Rechtecks 116 longer side of the rectangle 116
120120: längere Seite des Rechtecks 116 longer side of the rectangle 116
122122: HauptströmungsrichtungMain flow direction
124124: kürzere Seite des Rechtecks 116 shorter side of the rectangle 116
126126: kürzere Seite des Rechtecks 116 shorter side of the rectangle 116
128128: Leiterbahnen einer zentralenconductor tracks a central one
: HFM-SchaltungHFM circuit
130130: zentrales Heizelementcentral heating element
132132: Temperaturfühlertemperature sensor
134134: Temperaturfühlertemperature sensor
136136: Sensorbereichsensor range
138138: Rechteck des Sensorbereichsrectangle of the sensor area
: 136136
140140: längere Seite des Rechtecks 138 longer side of the rectangle 138
142142: längere Seite des Rechtecks 138 longer side of the rectangle 138
144144: kürzere Seite des Rechtecks 138 shorter side of the rectangle 138
146146: kürzere Seite des Rechtecks 138 shorter side of the rectangle 138
148148: Öltröpfchenoil droplets
150150: Temperaturverlauf ohne Ölkontemperature curve without oil con
: taminationdecontamination
152152: Temperaturverlauf mit Ölkontemperature curve with oil con
: taminationdecontamination
154154: ZusatzheizelementAdditional heating
156156: ZusatzheizelementAdditional heating
158158: zusätzlicher Temperaturfühleradditional temperature sensor
160160: zusätzlicher Temperaturfühleradditional temperature sensor
162162: Ansteuer- und Auswertungsactuation and evaluation
: schaltungcircuit
164164: TemperaturregelungsschaltungTemperature control circuit
166166: Symmetrielinieline of symmetry

Claims

Heißfilmluftmassenmesser zur Messung eines mit einer Hauptströmungsrichtung (122) strömenden Luftmassenstroms, insbesondere im Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Heißfilmluftmassenmesser einen Sensorchip (110) mit einer vom Luftmassenstrom überströmbaren Chipoberfläche aufweist, wobei die Chipoberfläche eine Messoberfläche (114) und eine Festlandsoberfläche (112) aufweist, wobei der Sensorchip (110) im Bereich der Messoberfläche (114) eine um mindestens eine Größenordnung geringere Leitfähigkeit aufweist als im Bereich der Festlandsoberfläche (112), wobei auf die Messoberfläche (114) Leiterbahnen (130, 132, 134) einer zentralen Heißfilmluftmassenmesserschaltung mit mindestens einem zentralen Heizelement (130) und mindestens einem Temperaturfühler (132, 134) aufgebracht sind, wobei die äußeren Abmessungen der Leiterbahnen (130, 132, 134) der zentralen Heißfilmluftmassenmesserschaltung einen Sensorbereich (136) der Messoberfläche (114) definieren, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich mindestens ein Zusatzheizelement (154, 156) und mindestens ein zusätzlicher Temperaturfühler (158, 160) auf der Messoberfläche (114) außerhalb des Sensorbereichs (136) angeordnet sind.Hot-film air mass meter for measuring one with a main flow direction ( 122 ), in particular in the intake tract of an internal combustion engine, wherein the hot film air mass meter a sensor chip ( 110 ) has a chip surface that can be overflowed by the air mass flow, wherein the chip surface has a measuring surface ( 114 ) and a mainland surface ( 112 ), wherein the sensor chip ( 110 ) in the area of the measuring surface ( 114 ) has at least an order of magnitude lower conductivity than in the region of the mainland surface ( 112 ), whereby on the measuring surface ( 114 ) Conductor tracks ( 130 . 132 . 134 ) of a central Heißfileinuftmassenmesserschaltung with at least one central heating element ( 130 ) and at least one temperature sensor ( 132 . 134 ) are applied, wherein the outer dimensions of the tracks ( 130 . 132 . 134 ) of the central hot film air mass meter circuit comprises a sensor area ( 136 ) of the measuring surface ( 114 ), characterized in that in addition at least one additional heating element ( 154 . 156 ) and at least one additional temperature sensor ( 158 . 160 ) on the measuring surface ( 114 ) outside the sensor area ( 136 ) are arranged.

Heißfilmluftmassenmesser gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen (130, 132, 134) der zentralen Heißfilmluftmassenmesserschaltung mit einer Ansteuer- und Auswertungsschaltung (162) zum Ansteuern und Auswerten der Messung des Luftmassenstroms verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Zusatzheizelement (154, 156) und der mindestens eine zusätzliche Temperaturfühler (158, 160) mit einer Temperaturregelungsschaltung (164) zum Einstellen und/oder Regeln einer vorgegebenen Temperatur T_fix verbunden sind.Hot film air mass meter according to the preceding claim, characterized in that the conductor tracks ( 130 . 132 . 134 ) of the central Heißfileinuftmassenmesserschaltung with a drive and evaluation circuit ( 162 ) are connected for driving and evaluating the measurement of the air mass flow, characterized in that the at least one additional heating element ( 154 . 156 ) and the at least one additional temperature sensor ( 158 . 160 ) with a temperature control circuit ( 164 ) are connected to set and / or regulating a predetermined temperature T _fixed .

Heißfilmluftmassenmesser gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuer- und Auswertungsschaltung (162) ausgestaltet ist, um die Temperatur des mindestens einen zentralen Heizelements (130) im Betrieb des Heißfilmluftmassenmessers auf eine Temperatur T_max zu regeln, wobei die Temperaturregelungsschaltung (164) ausgestaltet ist, um die Temperatur T_fix am Ort des mindestens einen zusätzlichen Temperaturfühlers (158, 160) mittels des mindestens einen Zusatzheizelements (154, 156) auf einen Wert T₀+k(T_max-T₀) einzustellen, wobei T₀ die mittlere Temperatur der Festlandsoberfläche (112) ist und wobei k ein Wert zwischen 0,1 und 0,7, vorzugsweise zwischen 0,2 und 0,6 und besonders bevorzugt von näherungsweise 0,5 ist.Hot film air mass meter according to the preceding claim, characterized in that the drive and evaluation circuit ( 162 ) is adapted to the temperature of the at least one central heating element ( 130 ) in the operation of the Heißfileinuftmassenmessers to a temperature T _max , wherein the temperature control circuit ( 164 ) is configured to _fix the temperature T at the location of the at least one additional temperature sensor ( 158 . 160 ) by means of the at least one additional heating element ( 154 . 156 ) to a value T ₀ + k (T _max -T ₀ ), where T _{0 is} the mean temperature of the mainland surface ( 112 and k is a value between 0.1 and 0.7, preferably between 0.2 and 0.6 and more preferably of approximately 0.5.

Heißfilmluftmassenmesser gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messoberfläche (114) und der Sensorbereich (136) im Wesentlichen die Form von Rechtecken (116, 138) aufweisen, wobei die längeren Seiten (118, 120, 140, 142) jedes Rechtecks (116, 138) im Wesentlichen senkrecht zur Hauptströmungsrichtung (122) angeordnet sind.Hot-film air mass meter according to one of the preceding claims, characterized in that the measuring surface ( 114 ) and the sensor area ( 136 ) essentially the shape of rectangles ( 116 . 138 ), the longer sides ( 118 . 120 . 140 . 142 ) of each rectangle ( 116 . 138 ) substantially perpendicular to the main flow direction ( 122 ) are arranged.

Heißfilmluftmassenmesser gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Rechteck (138) des Sensorbereichs (136) im Wesentlichen symmetrisch bezüglich einer Symmetrieachse (166) senkrecht zur Hauptströmungsrichtung (122) in dem Rechteck (116) der Messoberfläche (114) angeordnet ist.Hot-film air mass meter according to the preceding claim, characterized in that the rectangle ( 138 ) of the sensor area ( 136 ) substantially symmetrical with respect to an axis of symmetry ( 166 ) perpendicular to the main flow direction ( 122 ) in the rectangle ( 116 ) of the measuring surface ( 114 ) is arranged.

Heißfilmluftmassenmesser gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensorbereich (136) im Wesentlichen in Form eines Rechtecks (138) ausgestaltet ist, wobei das Rechteck (138) zwei senkrecht zur Hauptströmungsrichtung (122) angeordnete Seiten (140, 142) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Zusatzheizelement (154, 156) sich im Wesentlichen parallel zu den senkrecht zur Hauptströmungsrichtung (122) angeordneten Seiten (154, 156) erstreckt.Hot film air mass meter according to one of the preceding claims, wherein the sensor area ( 136 ) essentially in the form of a rectangle ( 138 ), the rectangle ( 138 ) two perpendicular to the main flow direction ( 122 ) arranged pages ( 140 . 142 ), characterized in that the at least one additional heating element ( 154 . 156 ) are substantially parallel to the perpendicular to the main flow direction ( 122 ) ( 154 . 156 ).

Heißfilmluftmassenmesser gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein erstes Zusatzheizelement (154) und mindestens ein erster zusätzlicher Temperaturfühler (158) bezüglich der Hauptströmungsrichtung (122) stromaufwärts des Sensorbereichs (136) angeordnet sind und dass mindestens ein zweites Zusatzheizelement (156) und mindestens ein zweiter zusätzlicher Temperaturfühler (160) bezüglich der Hauptströmungsrichtung (122) stromabwärts des Sensorbereichs (136) angeordnet sind.Hot film air mass meter according to one of the preceding claims, characterized in that at least one first additional heating element ( 154 ) and at least one first additional temperature sensor ( 158 ) with respect to the main flow direction ( 122 ) upstream of the sensor area ( 136 ) and that at least one second additional heating element ( 156 ) and at least a second additional temperature sensor ( 160 ) with respect to the main flow direction ( 122 ) downstream of the sensor area ( 136 ) are arranged.

Heißfilmluftmassenmesser gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Heißfilmluftmassenmesser eine senkrecht zur Hauptströmungsrichtung (122) angeordnete Symmetrieachse (166) aufweist, wobei die Zusatzheizelemente (154, 156) und die zusätzlichen Temperaturfühler (158, 160) jeweils paarweise symmetrisch bezüglich der Symmetrieachse (166) angeordnet sind.Hot-film air mass meter according to the preceding claim, characterized in that the hot-film air mass meter has a direction perpendicular to the main flow direction ( 122 ) arranged symmetry axis ( 166 ), wherein the additional heating elements ( 154 . 156 ) and the additional temperature sensors ( 158 . 160 ) in pairs symmetrically with respect to the axis of symmetry ( 166 ) are arranged.