DE19619910C2 - Meßelement für einen Massenluftstromsensor und Massenluftstromsensor, der das Meßelement verwendet - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Meßelement für einen Massenluftstromsen­ sor und vorzugsweise insbesondere ein Meßelement für einen Massenluftstrom­ sensor zur Messung einer Ansaugluftstromrate in einem Verbrennungsmotor.

Als Luftstromsensor, der an einem elektronischen Kraftstoffsteuerungssystem für einen Verbrennungsmotor in einem Fahrzeug, beispielsweise einem Kraftfahr­ zeug, angebracht ist, nimmt ein Sensor des Heizwiderstandtyps eine führende Stellung ein, da ein solcher Sensor eine Massenluftstromrate direkt nachweisen kann und in JP-A-821/1987 und JP-A-73124/1987 offenbart ist. Die in den obigen offengelegten Anmeldungen offenbarten Techniken wiesen als Problem hohe Produktionskosten auf, da die offenbarten Sensoren zwei erwärmte Widerstands­ sonden (Heizwiderstandssonden) und zwei nicht erwärmte Widerstände (Umge­ bungstemperaturfühlwiderstände), die für eine Kompensation der Umgebungs­ temperaturwirkungen verwendet werden, aufweisen (insgesamt vier Widerstände).

Die US 5,271,272 zeigt einen Massenluftstromsensor mit Widerständen, die dem Luftstrom ausgesetzt und in einer elektrischen Brückenschaltung angeordnet bzw. als Heiz- oder Kompensationswiderstand benutzt sind. Der Sensor arbeitet abhän­ gig von der Strömungsrichtung, da die Heiz- und Kompensationswiderstände ein­ ander im Luftstrom überlappen und der Kompensationswiderstand je nach Strö­ mungsrichtung vom Heizwiderstand verschieden beeinflußt wird. Eine Abhilfe dieser störenden Erscheinung ist in der US 5,271,272 nicht angeregt. Ein Versuch einer Vermehrung der Widerstände würde auch nicht ohne weiteres zum Erfolg führen, da Aufbau der Sonde und erforderliche Bauelemente nicht geklärt sind.

Die bestehende Technik zur Herstellung von vier Heizwiderstandssonden unter Verwendung von auf einem Substrat gebildeten dünnen Filmen zur Verminderung der Produktionskosten wurde dann in JP-A-185416/1989 entwickelt.

Die in JP-A-185416/1989 offenbarte Technik weist jedoch das folgende Problem auf, das unter Bezugnahme auf Fig. 8 erläutert wird. Fig. 8 zeigt eine Grundrißansicht eines bestehenden Meßelements für einen Massenluft­ stromsensor, die der in der Beschreibung der offengelegten Anmeldung gezeigten Fig. 4 entspricht. In dieser Figur ist das bestehende Meßelement aufgebaut aus erwärmten Widerständen (Heizwiderständen) 1 und 2, nicht erwärmten Umgebungstemperatur erfassenden Widerständen (Umgebungs­ temperaturfühlwiderständen) 3a und 3b, einem Substrat 4, das aus einem elektrisch isolierenden Material mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit, wie beispielsweise Keramik gemacht ist, Elektrodenanschlüssen 6 und einem Schlitz 10. Bei einer solchen Struktur des Sensors, obgleich der Schlitz 10 zwischen den Heizwiderständen 1 und 2 und den Umgebungstemperaturfühl­ widerständen 3a und 3b vorgesehen ist, ist, da beide Widerstände einander naheliegen und das eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweisende Substrat 4 an beiden Endseiten des Schlitzes 10 in dem Substrat 4 miteinander ver­ bunden ist, die thermische Isolation zwischen beiden Widerständen so unzu­ reichend, daß die Wärme leicht von den Heizwiderständen 1 und 2 zu den Umgebungstemperaturfühlwiderständen 3a und 3b fließt, was die Meßgenau­ igkeit einer Luftstromrate beeinträchtigt. Bezugszeichen 7 bezeichnet dabei einen Luftstrom und die Richtung des Luftstromes.

Das oben erwähnte bestehende Meßelement weist insofern eine doppelendsei­ tige Tragstruktur auf, als elektrische Signale von den Heizwiderständen 1 und 2 und den Umgebungstemperaturfühlwiderständen 3a und 3b von zwei Gruppen von Elektrodenanschlüssen 6 ausgegeben werden, die an den zwei Endseiten des Substrats 4 (seinen rechten und linken in der Figur gezeigten Endseiten) vorgesehen sind, und jede der zwei Gruppen der Elektroden­ anschlüsse 6 an jeder Endseite getragen ist und an einen externen Schalt­ kreis, der nicht in der Figur gezeigt ist, angeschlossen ist. Diese Struktur weist das Problem auf, daß, weil die Anzahl der Elektrodenanschlüsse 6 acht ist, die elektrische Verbindung eines Schaltkreises in dem Sensor kompliziert wird und der Belegungsanteil der Fläche für die Elektrodenanschlüsse 8 zu der Fläche des Substrats 4 groß ist, was die Herstellungskosten erhöht.

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Meßelement mit hoher Genauigkeit und niedrigen Herstellungskosten für einen Massenluftstromsensor durch eine Verbesserung der thermischen Isolation zwischen einem erwärmten Widerstand (Heizwiderstand) und einem nicht erwärmten Widerstand (Umgebungstempera­ turfühlwiderstand) zu schaffen, die Verbindungen zwischen Schaltkreiselementen des Massenluftstromsensors einschließlich der Widerstände zu vereinfachen, und einen Massenlufistromsensor zu schaffen, der das Meßelement verwendet.

Die obige Aufgabe wird gelöst durch Bereitstellung eines Meßelements für einen auf einem Substrat gebildeten Massenluftstromsensor gemäß Anspruch 1.

Die Erfindung verwendet jeweils mindestens ein Paar von Dünnfilm- Heizwiderständen und von Dünnfilm-Umgebungstemperaturfühlwiderständen, die derart quer zur Richtung des Luftstromes gegeneinander versetzt sind, daß sich ihre Projektionen längs der Richtung des Luftstromes nicht überschneiden.

Es ist bevorzugt, ein Teil mit einem Schlitz zwischen dem Dünnfilm- Heizwiderstandsteil und dem Dünnfilm-Umgebungstemperaturfühlwiderstandsteil bereitzustellen. Der Schlitz kann bis zu dem Tragteil verlängert sein.

Darüber hinaus ist es bevorzugt, die Heizwiderstände und die Umgebungstempera­ turfühlwiderstände unter Verwendung des gleichen Materials und durch den gleichen Herstellungsprozeß unter den gleichen Prozeßbedingungen zu bilden.

Durch die Vor- und Nachversetzung des erwärmten Dünnfilm-Heizwiderstandsteils und des Dünnfilm-Umgebungstemperaturfühlwiderstandsteils in Stromrichtung und ihre Querversetzung verbessert sich im Vergleich mit den bestehenden Sensoren die thermische Isolierung zwischen den Heiz- und den Umgebungstemperaturfühlwiderständen und die ther­ mischen Effekte von den Heizwiderständen zu den Umgebungstemperaturfühlwider­ ständen werden fast vollständig vermieden, was die Meßgenauigkeit verbessert. Insbesondere verbessert die Bereitstellung eines Teiles mit einem Schlutz zwischen den Heiz- und Umgebungstemperaturfühlwiderständen die thermischen Isolierungs­ effekte und ferner die Meßgenauigkeit.

Da die Mehrzahl von Elektrodenanschlüssen an einer einzigen Seite des Substrats gesammelt und angeordnet sind, sind einige der Elektrodenanschlüsse gemeinsam mit einem Paar von jeweils dem Heizwiderstand und dem Umgebungstemperatur­ fühlwiderstand verbunden, womit die elektrische Verbindung zwischen dem Meße­ lement für den Massenlufistromsensor und einem externen Schaltkreis vereinfacht ist, was eine Verminderung der Herstellungskosten von Luftstromsensoren bewirkt.

Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden im folgenden anhand Ausführungs­ formen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Grundansicht eines Massenluftstromsensors in einer Aus­ führungform der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2a bis 2d zeigen vergrößerte Ansichten von Beispielen von Dünnfilmmustern für ein Paar von den in Fig. 1 gezeigten Heizwiderständen.

Fig. 3a und 3b zeigen vergrößerte Ansichten von Beispielen von Dünnfilmmustern für ein Paar von den in Fig. 1 gezeigten Umgebungstemperaturfühl­ widerständen.

Fig. 4 zeigt eine Querschnittsansicht der Ausführungform, in der das Me­ ßelement für den in Fig. 1 gezeigten Massenlufistromsensor ange­ bracht ist.

Fig. 5 zeigt einen elektrischen Schaltkreis, der einen externen Schaltkreis 9 und die Widerstände 1, 2, 3a und 3b umfaßt.

Fig. 6a bis 6g sind Schaubilder zur Darstellung des Betriebs des Massenluftstrom­ sensors.

Fig. 7 zeigt ein Beispiel einer Anordnung von Dünnfilmelementen von de­ nen jedes als Meßelementchip eines Wavers gebildet ist.

Fig. 8 zeigt eine Grundansicht eines bestehenden Meßelements für einen Massenluftstromsensor.

Fig. 1 zeigt eine Grundansicht eines Meßelements für einen Massenluftflußsensor einer Ausführungform der vorliegenden Erfindung. Das Meßelement für den Mas­ senlufistromsensor ist aus einem Substrat 4, Heizwiderständen 1 und 2, die strom­ abwärts in einem Luftstrom 7 gebildet und angeordnet sind, Umgebungstemperatur­ fühlwiderständen 3a und 3b, die stromaufwärts in dem Luftstrom 7 gebildet und angeordnet sind, Elektrodenanschlüssen 6a, 6b, 6c, 6d, 6e und 6f zur Aufnahme von elektrischen Signalen von den Heizwiderständen und den Umgebungstemperatur­ fühlwiderständen, und einer Mehrzahl von Leitungsdrähten 30, die die Heizwider­ stände, die Umgebungstemperaturfühlwiderstände und die Elektrodenanschlüsse verbinden, aufgebaut.

Das Substrat 4 weist ferner ein Dünnfilm-Heizwiderstandsbildungsteil 4a, auf dem die Heizwiderstände 1 und 2 gebildet sind, ein Umgebungstemperaturfühlwider­ standsbildungsteil 4b, auf dem die Umgebungstemperaturfühlwiderstände 3a und 3b gebildet sind, ein das Heizwiderstandsbildungsteil 4a und das Umgebungstempera­ turfühlwiderstandsbildungsteil 4b von dem Substrat 4 ausschließendes Tragteil 4c, an dem das Substrat 4 getragen ist, und einen Teil mit einem Schlitz 10 auf. In Fig. 1 zeigt eine gestrichelte Linie einen Umriß eines Beispiels eines Traggliedes 5 zum Tragen des Substrats 4.

Das Dünnfilm-Heizwiderstandsbildungsteil 4a, an dem die Heizwiderstände 1 und 2 gebildet sind und das Dünnfilm-Umgebungstemperaturfühlwiderstandsbildungsteil 4b, an dem die Umgebungstemperaturfühlwiderstände 3a und 3b gebildet sind, sind in der Stromrichtung vor- und nach- und außerdem querversetzt angeordnet. Das bedeutet, daß die örtliche Beziehung zwischen dem Heizwiderstandsbildungsteil 4a und dem Umgebungstemperaturfühlwiderstandsbildungsteil 4b so gewählt ist, daß die beiden Teile beispielsweise zueinander vor und nach versetzt und links und rechts zu der Richtung eines Luftstromes 7 angeordnet sind, wobei das Dünnfilm- Heizwiderstandsbildungsteil 4a relativ stromabwärts in der Stromrichtung und quer zur Stromrichtung nach rechts versetzt angeordnet ist, und das Dünnfilm- Umgebungstemperaturfühlwiderstandsbildungsteil 4b relativ stromaufwärts in der Stromrichtung und quer zur Stromrichtung nach links versetzt angeordnet ist. Die oben erwähnte Widerstandsanordnung ist so konzipiert, um die beiden Widerstands­ bildungsteile in der Blickrichtung parallel zu der Luftstromrichtung einander nicht überlagern zu lassen und um die Heizwiderstände 1 und 2 und die Umgebungstem­ peraturfühlwiderstände 3a und 3b soweit wie möglich zu trennen, um die thermische Isolation zwischen den Heiz- und den Umgebungstemperaturfühlwiderständen zu verbessern.

Ferner ist ein Teil mit einem Schlitz 10 zwischen dem Dünnfilm-Heizwider­ standsbildungsteil 4a und dem Dünnfilm-Umgebungstemperaturfühlwiderstands­ bildungsteil 4b, die zueinander versetzt auf dem Substrat 4 angeordnet sind, vorgesehen. Da der Schlitz 10 die Heizwiderstände 1 und 2 und die Umge­ bungstemperaturfühlwiderstände 3a und 3b weiter thermisch trennt, wird die thermische Isolation weiter verbessert, und ein Rückluftstrom, der von den Heizwiderständen 1 und 2 in dem Rückstromzustand erwärmt wurde, gibt die thermische Wirkung nicht an die Umgebungstemperaturfühlwiderstände 3a und 3b ab, was es ermöglicht, die Massenluftstromrate mit einer höheren Genauigkeit zu messen.

In diesem Fall, da die erzeugte Wärme in den Heizwiderständen 1 und 2 zu dem Tragglied 5 (dem von der gestrichelten in der Figur gezeigten Linie umschlossenen Teil) über das Substrat 4 fließt, können durch Verlängerung einer Seite des Schlitzes 10 in der stromabwärtigen Richtung des Luftstro­ mes zu dem Seitenende 40 des durch die gestrichelte Linie in Fig. 1 gezeigten Tragglieds 5 die thermischen Wirkungen der Heizwiderstände 1 und 2 auf die Umgebungstemperaturfühlwiderstände 3a und 3b beträchtlich vermindert werden und die Meßgenauigkeit wird weiter verbessert. Dies des­ halb, weil die Wärmeleitung über den äußeren Teil des Substrats unter­ bunden wird, da ein Weg der Wärmeleitung durch den Schlitz 10 abge­ schnitten wird.

Ferner ist es wünschenswert, den Schlitz 10 unter dem Gesichtspunkt dir Beständigkeit gegen einen von dem Schlitz 10 ausgehenden Bruch des Substrats 4 aufgrund der Wärmeleitung zu dem Tragglied 5 über das Seiten­ ende 40 des Tragglieds 5 in den inneren Bereich des Tragglieds 5, wie in Fig. 1 gezeigt, zu verlängern.

Ferner ist es ebenfalls möglich, ein Umgebungstemperaturteil 4d an einem stromaufwärtigen Seitenrandteil vorzusehen, das von dem Tragglied nicht getragen ist und dem Luftstrom ausgesetzt ist. Bei einer solchen Struktur werden die Heizwiderstände 1 und 2 durch den Luftstrom gekühlt und die thermischen Wirkungen auf die Umgebungstemperaturfühlwiderstände 3a und 3b können vermindert werden, und die Temperaturänderung der Heizwider­ stände, die bewirkt wird, wenn der Betriebszustand sich von einem Nieder­ geschwindigkeitsluftstromzustand zu einem Hochgeschwindigkeitsluftstromzu­ stand ändert, ist aufgrund des dem Luftstrom ausgesetzten Teils gering. Da die von den Heizwiderständen in Fußteilrichtung des Substrats 4 geleitete Wärme vermindert werden kann, wird infolgedessen die erforderliche Zeit, bis der Gleichgewichtszustand der Temperaturverteilung in dem Substrat erreicht ist, reduziert, was die zeitlichen Übergangsantwortcharakteristiken auf schnelle Änderungen des Luftstromes verbessert.

Das Substrat 4, auf dem die Widerstände 1, 2, 3a und 3b und die Elek­ trodenanschlüsse 6a bis 6f gebildet sind, ist mechanisch von dem Tragglied 5 getragen, und ferner ist lediglich eine einzige Seite des Substrats 4 getragen, so daß die Elektrodenanschlüsse 6a bis 6e, die an der einen Seite gebildet sind, mit dem externen, in der Figur nicht gezeigten Schaltkreis elektrisch verbunden sind. Wenn das Meßelement für den Massenluftstrom­ sensor in einem Motor angebracht ist, wird das Substrat 4 an dem Tragteil 4c durch das Tragglied 5 getragen.

Das Tragteil 4c befindet sich an einer Seite der Endseiten in der Richtung senkrecht zu der Stromrichtung, und die Mehrzahl von Elektrodenanschlüssen 6a bis 6f sind auf einem Teil in dem Tragteil 4c gebildet. Deshalb muß die Verbindung der Elektrodenanschlüsse zu dem externen Schaltkreis nur für die eine Richtung in einer derartigen einseitigen Tragstruktur durchgeführt werden, was die Vereinfachung der elektrischen Verbindung herbeiführen kann.

Fig. 2a zeigt vergrößerte Ansichten von Beispielen von Dünnfilmmustern für ein Paar von in Fig. 1 gezeigten Heizwiderständen. Fig. 3a zeigt vergrößer­ te Ansichten von Beispielen von Dünnfilmmustern für ein Paar von in Fig. 1 gezeigten Umgebungstemperaturfühlwiderständen. In Fig. 2a ist ein Paar von den Heizwiderständen 1 und 2 gezeigt, die in Stromrichtung des zu messenden Luftstromes 7 in Nebeneinanderstellung angeordnet und an dem Dünnfilm-Heizwiderstandsbildungsteil 4a gebildet sind, und in Fig. 3a ist ein Paar von Umgebungstemperaturfühlwiderständen 3a und 3b gezeigt, die in der Stromrichtung des zu messenden Luftstromes 7 in Nebeneinanderstellung angeordnet und an dem Dünnfilm-Umgebungstemperaturfühlwiderstandsbil­ dungsteil 4b gebildet sind.

Als ein Muster für die Dünnfilm-Heizwiderstände 1 und 2 sind beispiels­ weise auch die in den Fig. 2b, 2c und 2d gezeigten Muster verfügbar.

In Fig. 2b wird die Breite jedes Streifens in dem Widerstandsmuster schma­ ler und die eine Einheitslänge in Stromrichtung schneidende Liniensortendich­ te der Streifen nimmt zu, wenn der Streifen sich jeder Seite des Substrats 4 nähert. In Fig. 2c ist die Breite jedes Streifens in den Widerstandsmustern konstant und so angeordnet, daß der Abstand zwischen zwei benachbarten Linien des in Richtung senkrecht zu der Stromrichtung gezogenen Streifens schmäler wird, wenn der Streifen sich jeder Seite des Substrats 4 nähert. In Fig. 2d ist der Abstand zwischen den zwei benachbarten Linien des in der Richtung senkrecht zu der Stromrichtung gezogenen Streifens konstant und so angeordnet, daß die Breite eines jeden Streifens schmaler wird, wenn der Streifen sich jeder Seite des Substrats 4 nähert. Infolgedessen ist jedes Muster so aufgebaut, daß der Widerstandswert pro Einheitsfläche des Mu­ sters größer wird, je näher ein Teil des Musters jeder Seite des Substrats 4 kommt.

Durch Anordnen in Nebeneinanderstellung von mindestens zwei Heizwider­ ständen eines Dünnfilmwiderstands mit einem temperaturabhängigen Widerstand in der Stromrichtung auf einem nahezu ebenen Substrat, das in einem Lufteinlaßrohr eines Motors vorgesehen ist, und durch Zusammenstellen eines Paars von Mustern der Dünnfilmwiderstände derart, daß der Widerstandswert pro Flächeneinheit des Musters kleiner wird, je näher ein Teil jedes Musters zu der Mittellinie zwischen dem Paar der Widerstände liegt, weil eine Vorwärtsluftstromrate schnell durch den stromaufwärts in dem Luftstrom an­ geordneten Heizwiderstand gemessen werden kann und eine Rückwärtsluft­ stromrate von den stromabwärts in dem Luftstrom angeordneten Heizwider­ stand ebenfalls schnell gemessen werden kann, ist es wie oben erwähnt möglich, einen Massenluftstromsensor zu schaffen, der in der Lage ist, die Stromrate einer Einlaßluft mit hoher Genauigkeit in den beiden Richtungen eines Vorwärtsstromes und eines Rückwärtsstromes schnell nachzuweisen.

Als ein Muster für die Dünnfilm-Umgebungstemperaturfühlwiderstände 3a und 3b sind auch solche Muster, wie sie in Fig. 3b gezeigt sind, verfügbar. In Fig. 3b sind die Umgebungstemperaturfühlwiderstände 3a und 3b aus zwei Dünnfilmwiderständen zusammengestellt und so gebildet, daß das Paar der Dünnfilmmuster gemeinsam umeinander herum gezogen und in der gleichen Form gebildet ist, und daß der Widerstandswert pro Flächeneinheit eines Teils des Musters zunimmt, wenn der Teil sich der Oberseite des Substrats 4 nähert.

Da der Widerstandswert des Widerstands an den Seiten des Substrats 4, an denen der Luftstrom auftrifft, größer wird, kann durch Zusammenstellen solcher Muster von Dünnfilmwiderständen, wie sie in den Fig. 2b, 3c und 2d und Fig. 3b gezeigt sind, die Luftstromrate schnell mit einer hohen Genauigkeit gemessen werden, und dann ein Signal erhalten werden, das nahezu die wahre Luftstromrate repräsentiert.

Das Substrat 4 ist aus Keramik, wie beispielsweise Aluminiumoxid, und aus einer sehr dünnen Platte der Dicke von 0,05 mm bis 0,15 mm gemacht, um die Antwortgeschwindigkeit zu erhöhen. Die Heizwiderstände 1 und 2 und die Umgebungstemperaturfühlwiderstände 3a und 3b sind aus einem Platindünnfilm gemacht und auf dem Substrat 4 in der Dicke von 0,1 µ bis 2 µ durch das Dünnfilmbildungverfahren, wie beispielsweise Sputtern, Auf­ dampfen usw. zusammen gebildet. Nach Bildung der Dünnfilme werden die Filme in solche Formen, wie sie in den Fig. 2a bis Fig. 3b gezeigt sind, bearbeitet. Die Wörter "zusammen gebildet" bedeuten "gebildet in der gleichen Dicke unter Verwendung des gleichen Materials und des gleichen Bearbeitungsverfahrens unter den Herstellungsbedingungen". Das heißt, in der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform sind die Heizwiderstände 1 und 2 und die Umgebungstemperaturfühlwiderstände 3a und 3b in der gleichen Dicke unter Verwendung des gleichen Materials und des gleichen Bearbeitungsver­ fahrens unter den Herstellungsbedingungen gebildet. Bei dem oben erwähnten Herstellungsverfahren, da die thermischen Koeffizienten des elektrischen Widerstands der Heizwiderstände 1 und 2 und der Umgebungstemperaturfühl­ widerstände 3a und 3b gleich werden, können die Änderungen der thermi­ schen Charakteristiken unter den Widerständen unterdrückt werden, was ebenfalls die Meßgenauigkeit verbessert.

Die Leitungsdrähte 30 und die Elektrodenanschlüsse 6a, 6b, 6c, 6d, 6e und 6f zur Verbindung der Heizwiderstände 1 und 2 und der Umgebungstempe­ raturfühlwiderstände 3a und 3b sind aus einem Dickfilm gemacht, der dicker als die Dicke des die Widerstände 1, 2, 3a und 3b bildenden Platinfilms ist und aus einer Platin-Silber-Legierung besteht, um den elektrischen Wider­ stand zu vermindern, die durch ein Filmbildungsverfahren, wie beispielsweise Aufdrucken usw. auf den Platinfilm gebildet sind. Ein (in der Figur nicht gezeigter) Schutzfilm aus Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Glas usw. ist auf den Widerständen 1, 2, 3a und 3b gebildet. Der Schlitz 10 ist ferner durch ein Bearbeitungsverfahren, beispielsweise ein Laserbearbeitungsverfahren, gebildet.

Fig. 4 zeigt eine Querschnittsansicht einer Ausführungform zur Anbringung des Meßelements für den in Fig. 1 gezeigten Massenluftstromsensor in einem Motor. Die Figur ist beispielsweise eine Querschnittsansicht einer Ausführungform zur Anbringung des Massenluftstromsensors in einem Luft­ einlaßrohr eines Verbrennungsmotors. Wie in Fig. 4 gezeigt, umfaßt der Luftstromsensor die Widerstände 1, 2, 3a und 3b, das Tragglied 5, den externen Schaltkreis 9, und die Widerstände 1, 2, 3a und 3b sind an einem in dem Lufteinlaßrohr 8 vorgesehenen Nebenrohr 27 angebracht. Der externe Schaltkreis 9 ist mit den Widerständen 1, 2, 3a und 3b auf dem Substrat 4, das von dem Tragglied 5 getragen ist, verbunden.

Fig. 5 zeigt einen elektrischen Schaltkreis, der den externen Schaltkreis 9 und die Widerstände 1, 2, 3a und 3b enthält. Im folgenden wird der Betrieb der Ausführungform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Fig. 5 erläutert. Jeder der Heizwiderstands-Treiberschaltkreise 11 und 12 ist ein unabhängiger Schaltkreis, der mit einer Quelle 17 verbunden ist und ein Signal entsprechend der Luftstromrate ausgibt. In dem Heizwi­ derstands-Treiberschaltkreis 11 ist ein Wheastone-Brückenschaltkreis aus dem Heizwiderstand 1, dem Umgebungstemperaturfühlwiderstand 3a und den Widerständen 18 und 19 aufgebaut, und der in dem Heizwiderstand 1 fließende Strom wird durch einen Differenzialverstärker 20 und einen Transi­ stor 21 so eingestellt, daß die Differenz zwischen den Potentialen an den Mittelpunkten 0 wird. Durch Verwendung des obigen Aufbaus des Heizwi­ derstands-Treiberschaltkreises 11 wird der Widerstandswert des Heizwider­ stands 1 konstant gehalten, das heißt, daß die Temperatur des Heizwider­ stands 1 unabhängig von der Geschwindigkeit des Luftstromes konstant gehalten wird.

Das der Geschwindigkeit des Luftstromes entsprechende von dem Heizwider­ stand 1 ausgegebene Signal gibt das Potential an dem in Fig. 5 gezeigten Mittelpunkt A an. Der Aufbau des Heizwiderstands-Treiberschaltkreises 12 ist der gleiche wie der Aufbau des Schaltkreises 11, und das der Geschwin­ digkeit des Luftstromes entsprechende von dem Heizwiderstand 2 ausgegebe­ ne Signal gibt das Potential an dem in der Figur gezeigten Mittelpunkt B an. Die Heizwiderstände 1 und 2 sind in dem Einlaßrohr eines Motors in einem Fahrzeug, beispielsweise einem Kraftfahrzeug, angeordnet und ferner befindet sich beispielsweise der Heizwiderstand 1 stromaufwärts in dem Luftstrom und der Heizwiderstand 2 befindet sich benachbart des Heizwider­ stands 1 stromabwärts in dem Luftstrom, wie dies in den Fig. 2a bis 2d gezeigt ist. Die Heizwiderstände 1 und 2 werden erwärmt durch die Heizwi­ derstands-Treiberschaltkreise 11 und 12, so daß die Differenz zwischen der Lufttemperatur (Umgebungstemperatur) und der Temperatur jedes Heizwider­ stands-Treiberschaltkreises unabhängig von der Geschwindigkeit des Luft­ stromes konstant gehalten wird, ähnlich wie bei einem gewöhnlichen Luft­ massenstromsensor des Konstanttemperaturtyps.

Zunächst, wenn die Luft in der Vorwärtsrichtung von stromaufwärts nach stromabwärts des Lufteinlaßrohres strömt, ist die in dem Heizwiderstand 1 durch den Heizwiderstands-Treiberschaltkreis 11 erzeugte Wärme größer als die in dem Heizwiderstand 2 erzeugte Wärme, da der Heizwiderstand 1 mehr als der Heizwiderstand 2 gekühlt wird. Andererseits, wenn die Luft in der umgekehrten Richtung von stromabwärts nach stromaufwärts des Luftein­ laßrohres strömt, ist die durch den Heizwiderstand-Treiberschaltkreis 12 in dem Heizwiderstand 2 erzeugte Wärme größer als die in dem Heizwider­ stand 1 erzeugte Wärme, da der Heizwiderstand 2 mehr als der Heizwider­ stand 1 gekühlt wird.

Deshalb kann die Richtung des Luftstromes auf der Basis der Differenz zwischen den den Heizwiderständen 1 und 2 eingespeisten Strommengen nachgewiesen werden. Entzerrungsschaltkreise 13 und 14 verbessern elek­ trisch die Frequenzantwortcharakteristiken der Ausgangssignale von den Heizwiderständen 1 und 2, die der Luftstromrate entsprechen. Ferner wird die Richtung des Luftstromes auf der Basis der von einem Spannungsver­ gleicher 15 erhaltenen Differenz zwischen den Ausgangssignalen von den Entzerrungsschaltkreisen 13 und 14 nachgewiesen, und das Stromratensignal, dessen durch die Rückstromeffekte verursachter Fehler gering ist, wird durch Wahl eines auszugebenden Signals mit einem Umschaltschaltkreis 16 zwi­ schen den beiden Ausgangssignalen von den Entzerrungsschaltkreisen 13 und 14 erhalten.

Im folgenden wird der Betrieb des Massenluftstromsensors unter Bezugnahme auf die Fig. 6a bis 6g erläutert. Ein Signal von dem Heizwiderstand ist bei Wandlung des elektrischen Signals zu einer Massenluftstromrate gezeigt. Allgemein sind die Pulsamplituden der Luftstromrate bei einem Betrieb mit niedriger Umdrehungszahl und bei Schwerlastbedingungen eines nicht mehr als vier Zylinder aufweisenden Motors groß, und die Änderungen der Luft­ stromrate stellen eine Welle mit nahezu Sinuswellenform dar, einschließlich Rückflüssen von negativen Luftstromraten, wie in Fig. 6a gezeigt. Falls zum Beispiel die Umdrehungszahl einer Welle in einem Motor 1000 UpM be­ trägt, beträgt die Pulsfrequenz in dem Luftstrom etwa 33 Hz. Die Wellen­ form der Luftstromrate hängt von den Formen einer Verbrennungskammer, eines Einlaßrohres, eines Auslaßrohres und eines Luftreinigers ab. Wenn der pulsierende Strom einschließlich dem Rückstrom von einem idealen Heizwi­ derstandssensor mit den schnellen Antwortcharakteristiken gemessen wird, wird ein positives Signal entsprechend dem absoluten Wert der erfaßten Geschwindigkeit des Luftstromes von dem idealen Sensor ausgegeben, unabhängig von der Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung des Luftstromes, wie dies in Fig. 6b gezeigt ist.

Da ein Signalausgang von einem tatsächlich Heizwiderstandssensor eine solche wie in Fig. 6c gezeigte Antwortverzögerung aufweist, wird das Signal an dem Umschaltpunkt zwischen dem Vorwärts- und Rückwärtsflüssen jedoch nicht gleich null. Ein von dem stromaufwärts in dem Einlaßluftstrom angeordneten Heizwiderstand 1 ausgegebenes Signal A ist in dem Vorwärts­ strom groß und in dem Rückwärtsstrom klein. Umgekehrt ist ein von dem stromabwärts in dem Einlaßluftstrom angeordneten Heizwiderstand 2 ausge­ gebenes Signal B klein in dem Vorwärtsstrom und groß in dem Rückwärts­ strom. Der die zwei obigen Signale aufnehmende Spannungsvergleicher 15 gibt in alternierender Weise ein Signal hoher Höhe (hoch) entsprechend dem Vorwärtsstrom und ein Signal tiefer Höhe (tief) entsprechend dem Rück­ wärtsstrom aus, wie dies in Fig. 6d gezeigt ist. Die Rückwärtsstromkorrek­ tur wird an den Ausgangssignalen der Heizwiderstände durch Invertierung eines Vorzeichens des Ausgangssignals von dem Heizwiderstand 2 mit dem Umschaltschaltkreis 16 basierend auf dem Richtungssignal, das von dem Spannungsvergleicher 15 ausgegeben wird, durchgeführt, und es kann eine solche Wellenform der Luftstromrate, wie sie in Fig. 6e gezeigt ist, die eine Rückstromkomponente enthält, synthetisiert werden.

Da eine Phase der oben erwähnten synthetisierten Wellenform der Luft­ stromrate verglichen mit der wahren Luftstromrate verschoben ist und Sprungstellen der Stromrate bei Höhe null der Luftstromrate in der syn­ thetisierten Wellenform erzeugt werden, weist die mittlere Höhe der syn­ thetisierten Wellenform verglichen mit der mittleren Höhe der wahren Luftstromrate einen Fehler auf. Durch Anwendung der Entzerrungsschalt­ kreise 13 und 14 auf die von den Heizwiderständen 1 und 2 ausgegebenen Signale können deshalb die Zeitverzögerungen in den von den Heizwiderständen 1 und 2 ausgegebenen Signale wiedergewonnen werden und es werden dann solche Signale, wie sie in der Fig. 6f gezeigt sind, erhalten. Die Signale A1 und B1 von den zwei Heizwiderständen, von denen die Zeitverzögerungen durch Verwendung der Entzerrungsschaltkreise 13 und 14 wiedergewonnen wurden, empfangen die Rückstromkorrektur und werden in ein Signal der Luftstromrate synthetisiert, das der wahren Luftstromrate nahezu gleich ist. Der Fehler der mittleren Stromratenhöhe, der durch Verwendung des verbesserten synthetisierten Signals der Luftstromrate erhal­ ten wird, kann beträchtlich vermindert werden.

In der vorliegenden Erfindung weist der Sensor eine solche Struktur auf, daß lediglich eine Seite des Substrats 4 getragen ist und die gemeinsamen Elektrodenanschlüsse 6a und 6c als Verbindungspunkte des Wheastoneschen Brückenschaltkreises ausgebildet sind, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist. Wie in Fig. 1 gezeigt, sind der Heizwiderstand 2 und der Umgebungstemperatur­ fühlwiderstand 3b gemeinsam mit dem gemeinsamen Elektrodenanschluß 6a verbunden, und der Heizwiderstand 1 und der Umgebungstemperaturfühlwi­ derstand 3a sind gemeinsam mit dem gemeinsamen Elektrodenanschluß 6d verbunden.

Die Anzahl der Elektrodenanschlüsse kann demzufolge von der Anzahl 8 in dem bestehenden Sensor auf die Anzahl 6 in dem Sensor der vorliegenden Erfindung durch Vorsehen der zwei gemeinsamen Elektrodenanschlüsse vermindert werden, von denen einer der für die Verbindung des Heizwider­ stands 2 und des Umgebungstemperaturfühlwiderstands 3b gemeinsam ver­ wendete Elektrodenanschluß 6a ist und der andere der für die Verbindung des Heizwiderstands 1 und des Umgebungstemperaturfühlwiderstands 3a gemeinsam verwendete Elektrodenanschluß 6d ist. Indem gemeinsame Elek­ trodenanschlüsse vorgesehen werden und die Struktur übernommen wird, das Substrat an einer einzigen Seite des Substrats zu tragen, kann die Verbindung des externen Schaltkreises 9 und des Meßelements für den Massen­ luftstromsensor vereinfacht werden. Da der Flächenbelegungsanteil der Elektrodenanschlüsse zur gesamten Fläche des Substrats 4 vermindert werden kann, nimmt die Anzahl der Dünnfilmteile in einem auf einem Waver gebildeten Meßelementchip zu, was die Herstellungskosten des Sensors reduziert.

Obwohl in der Ausführungform die Entzerrungsschaltkreise angewendet werden, ist die Anwendung eines Entzerrungsschaltkreises nicht immer notwendig, wenn ein Widerstandselement von ausreichend schnellen Antwort­ charakteristiken verwendet wird. Obwohl in der Ausführungform die Umge­ bungstemperaturfühlwiderstände 3a und 3b stromaufwärts zu den Heizwider­ ständen 1 und 2 angeordnet sind, ist es ebenfalls möglich, die Umgebungs­ temperaturfühlwiderstände 3a und 3b stromabwärts zu den Heizwiderständen 1 und 2 anzuordnen, da die Umgebungstemperaturfühlwiderstände 3a und 3b und die Heizwiderstände 1 und 2 in der Richtung senkrecht zu der Luft­ stromrichtung links und rechts zueinander versetzt sind.

Da in der vorliegenden Erfindung die von den Heizwiderständen zu den Umgebungstemperaturfühlwiderständen fließende Wärme wirksam isoliert wird und die elektrische Verbindung zwischen dem externen Schaltkreis und dem Meßelement für den Massenluftstromsensor durch das Vorsehen gemeinsamer Elektrodenanschlüsse, an denen jeweils ein Paar von dem Heizwiderstand und dem Umgebungstemperaturfühlwiderstand gemeinsam angeschlossen wird, vereinfacht wird, ist es möglich, ein Meßelement für einen Massenluftstrom­ sensor einer hohen Meßgenauigkeit und niedriger Herstellungskosten zu schaffen.

Claims (8)

1. Meßelement für einen Massenluftstromsensor, bestehend aus
einem Substrat (4), das sich aus einem Tragteil (4c), einem Heizwiderstandsteil (4a) und einem Umgebungstemperatur-Fühlwiderstandsteil (4b) zusammensetzt, wobei das Heizwiderstandsteil (4a) und das Umgebungstemperatur-Fühlwiderstandsteil (4b) in der vorgesehenen Richtung des Luftstromes (7) zueinander vor- und nachversetzt und dabei derart quer zur Richtung des Luftstromes (7) zueinander versetzt sind, daß sich ihre Projektionen längs der Richtung des Luftstromes (7) nicht überschneiden,
mindestens einem Paar von Dünnfilm-Heizwiderständen (1, 2), die in der Richtung des Luftstromes (7) nebeneinander auf dem Heizwiderstandsteil (4a) des Substrats (4) angeordnet sind;
mindestens einem Paar von Dünnfilm-Umgebungstemperatur- Fühlwiderständen (3a, 3b), die auf dem Dünnfilm-Umgebungstemperatur- Fühlwiderstandsteil (4b) des Substrats (4) angeordnet sind; und
einer Mehrzahl von Dünnfilm-Elektrodenanschlüssen (6a bis 6f), die an einer einzigen Endseite des Tragteils (4c) angeordnet sind zum Abgriff von elektrischen Signalen von den Heizwiderständen (1, 2) und den Umgebungstemperatur-Fühlwiderständen (3a, 3b), wobei
einer der gemeinsamen Elektrodenanschlüsse (6c) zugleich mit einem Heizungswiderstand (2) und einem Umgebungstemperatur-Fühlwiderstand (3b) verbunden ist und ein weiterer der gemeinsamen Elektrodenanschlüsse (6d) zugleich mit einem weiteren Heizwiderstand (1) und einem weiteren Umgebungstemperatur-Fühlwiderstand (3a) verbunden ist.

2. Meßelement für einen Massenlufistromsensor gemäß Anspruch 1, wobei ein Teil mit einem Schlitz zwischen dem Dünnfilm-Heizwiderstandsteil und dem Dünnfilm-Umgebungstemperaturfühlwiderstandsteil vorgesehen ist.

3. Meßelement für einen Massenlufistromsensor nach Anspruch 2, wobei der Schlitz bis zu dem Tragteil verlängert ist.

4. Meßelement für einen Massenlufistromsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Heizwiderstand und der Umgebungstemperaturfühlwiderstand unter Verwendung des gleichen Materials und des gleichen Herstellungsprozesses unter den gleichen Prozeßbedingungen gebildet sind.

5. Meßelement für einen Massenlufistromsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4 wobei jedes Filmmuster der Heizwiderstände so aufgebaut ist, daß ein Widerstandswert pro Flächeneinheit des Musters kleiner wird, je näher ein Teil des Musters zu der Mittellinie zwischen den Heizwiderständen liegt.

6. Meßelement für einen Massenlufistromsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5 wobei die Umgebungstemperaturfühlwiderstände so aufgebaut sind, daß ein Paar von Dünnfilmmustern gemeinsam umeinander herum gezogen und nahezu in der gleichen örtlichen Form an der gleichen Position in dem Dünnfilm- Umgebungstemperaturfühlwiderstandsbildungsteil gebildet sind.

7. Meßelement für einen Massenlufistromsensor nach Anspruch 6, wobei ein Widerstandswert pro Flächeneinheit eines Teils in dem Paar von Dünnfilmmustern abnimmt, je weiter dieser Teil von dem Tragteil entfernt liegt.

8. Massenlufistromsensor, der das Meßelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7 enthält.