DE19836547C2 - Bidirektionale Erfassungsvorrichtung für eine Luftströmung - Google Patents
Bidirektionale Erfassungsvorrichtung für eine LuftströmungInfo
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Description
Diese Erfindung betrifft eine bidirektionale Erfassungsvorrichtung für eine
Luftströmung mit stromaufwärtigen und stromabwärtigen Temperatur
sensorelementen, bei der die Beheizung eines Elementes jeweils das be
nachbarte Element beeinflusst.
Die Massenluftströmungsinformation, die für eine genaue Kraftstoffbeauf
schlagung eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeuges erforderlich
ist, wird üblicherweise mit einem Massenluftströmungssensor erhalten,
der stromauf von dem Einlaßkrümmer des Motors eingebaut ist. Um einen
Fehler aufgrund momentaner Strömungsumkehrungen in dem Krümmer
zu vermeiden, muß der Sensor typischerweise sowohl eine Einströmung
als auch eine Ausströmung messen, das heißt, der Sensor muß bidirekti
onal sein.
Eine bekannte bidirektionale Sensoranordnung umfaßt zwei Temperatur
sensorelemente, die in einer Linie entlang eines Einlaßluftstromes ange
ordnet sind, und ein Heizungselement, das zwischen den beiden Sensor
elementen angeordnet ist. Die Luftströmung in den Krümmer wird als eine
Funktion der Differenz zwischen den Temperaturen an den beiden Orten
der Sensoren detektiert. Wenn es keine Strömung gibt, erreichen gleiche
Mengen an Wärme von dem Heizungselement beide Sensorelemente, und
es wird keine Temperaturdifferenz detektiert. Bei einer Lufteinströmung
oder -ausströmung wird eines der Sensorelemente (der stromabwärtige
Sensor) mehr als der andere Sensor (der stromaufwärtige Sensor) er
wärmt, was zu einer erfaßten Temperaturdifferenz führt, die mit der Luft
strömung monoton schwankt. Die Temperatursensorelemente sind typi
scherweise in eine Wheatstone-Brückenschaltung geschaltet, so daß die
erfaßte Temperaturdifferenz in eine entsprechende Spannung umgewan
delt wird. Repräsentative Sensorausgestaltungen dieses Typs sind in den
U.S. Patentschriften Nr. 4 576 050, 5 263 380 und 5 629 481 gezeigt und
beschrieben, die alle dem Inhaber der vorliegenden Erfindung gehören.
Aus der DE 196 05 180 A1 ist eine Erfassungsvorrichtung gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Weitere Sensoren mit zu einer
Wheatstone-Brücke verschalteten Temperatursensorelementen sind in der
DE 32 29 609 A1 und der JP 08105777 A offenbart. Außerdem ist ein
thermisches Anemometer aus der US 4,966,037 bekannt.
Während die oben beschriebene Sensoranordnung in vieler Hinsicht vor
teilhaft ist, was niedrige Herstellungskosten und eine kleine Packungsgrö
ße umfaßt, zeigt sie leicht ihr eigene Begrenzungen bei der Empfindlich
keit und der Frequenzantwort, wie es bei den vorstehend erwähnten U.S.-
Patentschriften 5 263 380 und 5 629 481 angesprochen wurde. Die Emp
findlichkeit ist aufgrund der relativ niedrigen Brückenströme inhärent
begrenzt, die derart spezifiziert sind, daß sie sicherstellen, daß die Tempe
ratursensorelemente in einem passiven Modus arbeiten. Die Frequenz
antwort oder Bandbreite ist aufgrund der physikalischen Trennung der
Elemente inhärent begrenzt. Während diese Begrenzungen bis zu einem
bestimmten Maße mit aktiven Filtern kompensiert werden können, erhöht
die zusätzliche Schaltung die Kosten des Sensors wesentlich. Deshalb ist
eine neue Erfassungsvorrichtung gewünscht, welche die Vorteile der
Packungsgröße und der niedrigen Kosten der oben beschriebenen Sensor
anordnung beibehält, während sie diese Begrenzungen der Leistungsfä
higkeit überwindet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte, billige, bidi
rektionale Erfassungsvorrichtung für eine Krümmerfluidströmung zu
schaffen, die auf einer erfaßten Temperaturdifferenz in der Krümmer
luftströmung beruht und die eine verbesserte Empfindlichkeit, Frequenz
antwort und Genauigkeit im Vergleich mit früher bekannten Erfassungs
vorrichtungen aufweist, sowie Schwankungen der Krümmerlufttemperatur
kompensiert.
Zur Lösung der Aufgabe ist eine Erfassungsvorrichtung mit den Merkma
len nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 vorgesehen.
Erfindungsgemäß wird eine Erfassungsvorrichtung mit einer verbesserten
Empfindlichkeit und Frequenzantwort erreicht, indem das Heizungsele
ment der oben beschriebenen Sensoranordnung beseitigt wird und die
Sensorelemente mit einem relativ höheren Strom betrieben werden, so daß
jedes Temperaturerfassungselement sowohl sich selbst als auch das
andere Temperaturerfassungselement erwärmt. Die Empfindlichkeit ist
aufgrund des vergrößerten Stromes in den Sensorelementen wesentlich
vergrößert, und die Frequenzantwort ist aufgrund eines engeren Abstan
des der Sensorelemente wesentlich vergrößert.
Durch den auf die Krümmerlufttemperatur empfindlich reagierenden
Widerstand, der zwischen die Quelle und die Wheatstone-Brücke geschaltet
ist, wird eine von der Umgebungstemperatur abhängige Spannungs
versorgung der Wheatstone-Brücke erreicht, wodurch Schwankungen in
der Umgebungstemperatur kompensierbar sind.
Alternativ kann ein Differenzverstärker mit einer Verstärkung, die von der
Krümmerlufttemperatur abhängt, vorgesehen sein.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform dieser Erfindung
umfaßt die Erfassungsvorrichtung zwei getrennte Paare stromaufwärtiger
und stromabwärtiger Erfassungselemente, und die Erfassungselemente
sind in die vier Zweige der Wheatstone-Brücke geschaltet. Die Empfind
lichkeit ist verdoppelt, weil die Sensorelemente in jeden der Brückenzwei
ge geschaltet sind, und die Leistungsfähigkeit und die Kosten sind durch
das Beseitigen von außerhalb des Chips befindlichen Brückenbauteilen
verbessert.
Zusätzlich kann die vorliegende Erfindung einen einfachen, billigen Tem
peraturkompensationsschaltkreis enthalten, der eine Signalverstärkung
mit einer temperaturabhängigen Verstärkung umfaßt.
Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft anhand der Zeichnung be
schrieben, in dieser zeigt bzw. zeigen:
Fig. 1A-1C eine Erfassungsvorrichtung für eine Massenluftströmung
nach dem Stand der Technik,
Fig. 2A-2B eine Sensoranordnung,
Fig. 2C eine Brückenschaltung,
Fig. 3, 4 eine alternative Sensoranordnung,
Fig. 5A-5B Schaltkreise.
Eine Sensoranordnung nach dem Stand der Technik von dem oben ge
nannten Typ ist in den Fig. 1A-1C veranschaulicht. Der in Fig. 1A gezeigte
Sensor umfaßt ein Heizelement 10 und zwei Temperatursensorelemente
12 und 14, die auf einem Substrat 16 gebildet sind. Das Substrat 16 kann
ein Siliziumwafer sein, der mit einem wärmeisolierenden Material, wie
Polyimid, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder Oxynitrid beschichtet ist, um
die Wärmeleitung durch das Substrat zu begrenzen. Die Heiz- und Sen
sorelemente 10-14 sind typischerweise aus Platin gebildet, und eine Anordnung
von im allgemeinen parallelen leitfähigen Bahnen 18-28 koppelt
die Elemente 10-14 an eine Reihe von Bondingflächen, die durch die
Buchstaben A, B, C, D, H1 und H2 bezeichnet sind. Wie es in Fig. 1A zu
sehen ist, wird auf die Heizelemente 10 durch die Bondingflächen H1-H2
zugegriffen, und auf das Sensorelement 12 durch die Bondingflächen A-B,
und auf das Sensorelement 14 durch die Bondingflächen C-D.
Die Sensorelemente 12 und 14 sind temperaturempfindliche Widerstände
und sind zusätzlich in den Fig. 1A-1C so bezeichnet, daß sie Nennwider
stände R- bzw. R+ aufweisen. Um parasitäre Widerstände zu minimieren,
enthalten die leitfähigen Bahnen 18-28 manchmal eine Gold
metallisierungsschicht. Restliche parasitäre Widerstände in den Sensor
elementbahnen 18, 20, 24 und 26 sind jeweils als r1 -, r2 -, r1 + bzw. r2 +
bezeichnet.
Es wird angenommen, daß die Krümmerluftströmung in der Richtung des
Pfeils in Fig. 1B erfolgt. Nach dieser Übereinkunft wird das Sensorelement
12 als der stromaufwärtige Sensor betrachtet, während das Sensorelement
14 als der stromabwärtige Sensor betrachtet wird, unter der Vorausset
zung, daß sich derartige Bezeichnungen umkehren, wenn sich die Rich
tung der Luftströmung umkehrt.
Der Sensor ist derart konstruiert, daß das Beheizen der Sensorelemente
12 und 14 so weit wie möglich allein auf das Heizungselement 10 zurück
zuführen ist. Deshalb sind die Sensorelemente 12 und 14 derart kon
struiert, daß sie bei sehr niedrigen Strompegeln arbeiten, um eine Eigen
erwärmung zu minimieren. Wenn keine Luftströmung in dem Krümmer
vorhanden ist, erreichen gleiche Mengen an Wärme von dem Heizungselement
10 beide Sensoren, was zu keiner Temperaturdifferenz zwischen
den beiden Elementen führt. Wenn eine Luftströmung in dem Krümmer
vorhanden ist, wird mehr Wärme zu dem stromabwärtigen Sensor als zu
dem stromaufwärtigen Sensor transportiert, was den stromabwärtigen
Widerstand R+ vergrößert und den stromaufwärtigen Widerstand R- ver
kleinert. Dies führt zu einer erfaßten Temperaturdifferenz, deren Vorzei
chen die Richtung der Luftströmung anzeigt und deren Größe die Größe
der Luftströmung anzeigt. Die Temperaturdifferenz wird in eine Span
nungsdifferenz umgewandelt, indem die Sensoren 12 und 14 als zwei
Zweige einer Wheatstone-Brücke gestaltet sind, wie es in Fig. 1C gezeigt
ist. Der andere Äst der Brücke umfaßt zwei Präzisionswiderstände, die als
Ra und Rb bezeichnet sind. Wenn parasitäre Widerstände eingeschlossen
werden, ist der stromaufwärtige Sensorzweig der Brücke die Summe von
R+, r1 + und r2 +, und der stromabwärtige Sensorzweig der Brücke ist die
Summe von R-, r1 - und r2 -. An die Anschlüsse D und B der Brücke wird
eine bekannte Spannung V0 angelegt, und die Brückenwiderstände Ra und
Rb werden getrimmt, so daß die Ausgangsspannungen V1 und V2 gleich
sind, wenn es keine Krümmerluftströmung gibt. Wenn eine Krüm
merluftströmung vorhanden ist und parasitäre Widerstände vernachläs
sigt werden, kann die Spannungsdifferenz V2 - V1 durch den folgenden
Ausdruck angegeben werden:
V2 - V1 = V0(ΔR/2R0) (1)
wobei ΔR die inkrementelle oder dekrementelle Änderung des Widerstan
des (die als gleich angenommen wird) der stromab- und stromaufwärtigen
Sensoren ist, und R0 der stromauf- oder stromabwärtige Widerstand (der
als gleich angenommen wird) ohne Krümmerluftströmung ist. Der inkrementelle
Widerstand ΔR nimmt, während die Luftströmung zunimmt,
typischerweise mit einer logarithmischen Abhängigkeit zu, die eine propor
tional zunehmende Spannungsdifferenz erzeugt. Die Spannungsdifferenz
V2 - V1 wird typischerweise mit einem Differenzverstärker erfaßt, und
aufgrund der niedrigen Signalspannungen ist eine wesentliche Verstär
kung erforderlich.
Wie es oben gezeigt ist, sind die Frequenzantwort und Empfindlichkeit der
oben beschriebenen Sensoranordnung inhärent aufgrund der erforderli
chen physikalischen Trennung der Sensorelemente und der relativ niedri
gen Brückenströme begrenzt, die derart spezifiziert sind, daß sie sicher
stellen, daß die Sensorelemente in einem passiven Modus arbeiten. Wäh
rend diese Begrenzungen bis zu einem bestimmten Maße mit einer Ver
stärkung und aktiven Filterung kompensiert werden können, erhöht die
zusätzliche Schaltung die Kosten des Sensors wesentlich.
Die Erfassungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung minimiert die
inhärenten Begrenzungen der oben beschriebenen Erfassungsvorrichtung
dadurch, daß das Heizungselement 10 beseitigt wird, und dadurch, daß
die stromauf und stromabwärtigen Sensorelemente mit einem relativ
höheren Strom betrieben werden, so daß jedes Temperaturerfassungsele
ment sowohl sich selbst als auch das andere Temperaturerfassungsele
ment beheizt. Mit anderen Worten erwärmt das stromaufwärtige Sensor
element sowohl sich selbst als auch das stromabwärtige Sensorelement,
und das stromabwärtige Sensorelement erwärmt sowohl sich selbst als
auch das stromaufwärtige Sensorelement. Bei einer bevorzugten Ausfüh
rungsform umfaßt die Erfassungsvorrichtung zwei wärmeisolierte Paare
stromaufwärtige und stromabwärtige Erfassungselemente, und die Erfassungselemente
sind in die vier Zweige einer Wheatstone-Brücke geschal
tet. Die bevorzugte Ausführungsform, die in den Fig. 2A-2C gezeigt ist,
umfaßt ein erstes Paar stromaufwärtige und stromabwärtige Sensorele
mente, welche die Elemente 30 und 32 umfassen, und ein zweites Paar
stromaufwärtige und stromabwärtige Sensorelemente, welche die Elemen
te 34 und 36 umfassen, die alle auf den Substrat 48 befestigt sind. Die
Widerstände der stromaufwärtigen und stromabwärtigen Sensorelemente
30 und 32 in dem ersten Paar sind als R1- und R1+ bezeichnet, während
die Widerstände der stromaufwärtigen und stromabwärtigen Sensorele
mente 34 und 36 in dem zweiten Paar als R2- und R2+ bezeichnet sind.
Leitfähige Bahnen 40, 42, 44 und 46 koppeln die Elemente 30-36 an
Bondingflächen, die jeweils mit D, A, B bzw. C bezeichnet sind. Wie bei der
Erfassungsvorrichtung der Fig. 1A-1C sind die Elemente 30-36 aus Platin
gebildet, und das Substrat 48 kann ein Wafer aus Silizium sein, der mit
Polyimid, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder Oxynitrid oder irgendeiner
Kombination von derartige Materialien beschichtet ist, wie es unten an
hand von Fig. 4 ausführlicher erläutert ist.
Wie es am deutlichsten in der expandierten Ansicht von Fig. 2B zu sehen
ist, gestattet die Sensoranordnung der vorliegenden Erfindung, daß die
Sensorelemente eines gegebenen Paares viel enger beabstandet sind als
bei den Sensoranordnungen nach dem Stand der Technik. Der engere
Abstand ermöglicht nicht nur das gegenseitige Mitbeheizen der Sensor
elemente, sie vergrößert auch wesentlich die Frequenzantwort oder Band
breite der Erfassungsvorrichtung. Für ähnliche Substrateigenschaften
nimmt die Bandbreite zu und die Ansprechzeit wird schneller, wenn der
Abstand zwischen den Wärmeerzeugungs- und Temperaturerfassungs
elementen verringert wird. Bei der Sensoranordnung nach dem Stand der
Technik ist der Abstand von Mitte zu Mitte weitgehend durch die Breite
des Heizungselements 10 und den Zwischenraum zwischen dem Hei
zungselement 10 und einem jeweiligen Sensorelement 12 oder 14 be
stimmt. Bei einer praktischen Ausführungsform nach dem Stand der
Technik, die einen Abstand von Mitte zu Mitte von näherungsweise 50
Mikron aufweist, beträgt die resultierende Bandbreite näherungsweise 125 Hz.
Bei der wechselseitig beheizten Sensoranordnung der vorliegenden
Erfindung ist jedoch das zentrale Heizelement beseitigt, und der Abstand
von Mitte zu Mitte kann auf näherungsweise 30 Mikron verringert sein,
was zu einer Verdoppelung der Bandbreite auf näherungsweise 250 Hz
führt.
Bei der bevorzugten Zwei-Paar-Anordnung von Fig. 2A sind die Sensor
elemente 30-36 in die vier Zweige einer Wheatstone-Brücke geschaltet, wie
es in Fig. 2C gezeigt ist. Eine bekannte Spannung V0 wird an die An
schlüsse D und B der Brücke angelegt, und eine oder mehrere der leitfä
higen Bahnen 40-46 werden getrimmt (beispielsweise mit einem Laser),
wie es in Fig. 2A gezeigt ist, so daß die Ausgangsspannungen V1 und V2 an
den Knoten A und C gleich sind, wenn es keine Krümmerluftströmung
gibt.
Trotz der Verdoppelung der Sensorelemente gestattet die veranschaulichte
Brückengestalt, daß die Anzahl von leitfähigen Bahnen auf vier verringert
wird. Die Bahn 40, die dem Brückenanschluß D entspricht, ist an die
Sensorelemente 30 und 36 angekoppelt, die Bahn 42, die dem Brücke
nanschluß A entspricht, ist an die Sensorelemente 30 und 32 angekop
pelt, die Bahn 44, die dem Brückenanschluß B entspricht, ist an die
Sensorelemente 32 und 34 angekoppelt, und die Bahn 46, die dem Brückenanschluß
C entspricht, ist an die Sensorelemente 34 und 36 ange
koppelt. Dieses Merkmal trägt zusammen mit der Beseitigung von Hei
zungselementen im Vergleich mit Sensoranordnungen nach dem Stand
der Technik zu einer wesentlich kleineren Packungsgröße bei. Zusätzlich
ist die Zuverlässigkeit der Sensorvorrichtung verbessert, weil weniger
Sensordrahtverbindungen erforderlich sind.
Wenn eine Krümmerluftströmung vorhanden ist und parasitäre Wider
stände vernachlässigt werden, kann die Spannungsdifferenz V2 - V1 der in
Fig. 2C gezeigten Brücke durch den folgenden Ausdruck angegeben wer
den:
V2 - V1 = V0(ΔR/R0) (2)
wobei ΔR die inkrementelle oder dekrementelle Änderung des Widerstan
des (die als gleich angenommen wird) der stromabwärtigen und stromauf
wärtigen Sensoren ist, und R0 der stromaufwärtige oder stromabwärtige
Widerstand (der als gleich angenommen wird) ohne Krümmerluftströmung
ist. Im Vergleich mit dem Ausdruck (1) ist zu sehen, daß die Zwei-Paar-
Anordnung die Empfindlichkeit der Erfassungsvorrichtung effektiv ver
doppelt. Mit anderen Worten wird eine gegebene inkrementelle Wider
standsänderung ΔR eine Spannungsdifferenz V2 - V1 erzeugen, die doppelt
so groß ist wie bei der Sensoranordnung nach dem Stand der Technik. Die
Empfindlichkeit ist weiter vergrößert, wie es oben erwähnt ist, weil die
Spannungsänderung über irgendein gegebenes Sensorelement hinweg
proportional zu dem Strom durch das Element ist, der erfindungsgemäß
wesentlich vergrößert ist, um die wechselseitige Heizwirkung zu schaffen.
In der Praxis ist gezeigt worden, daß sich diese Faktoren verbinden, so
daß der Signalpegel in jedem Brückenzweig um das Dreifache oder noch
mehr im Vergleich mit Sensoranordnungen nach dem Stand der Technik
für einen gegebenen Chip-Energieverbrauch und eine gegebene Sensor
elementgeometrie erhöht wird.
Bei der oben beschriebenen Ausgestaltung ist zu sehen, daß keine exter
nen Präzisionswiderstände erforderlich sind, und daß jegliches Trimmen
für ein Abgleichen auf dem Chip und auf der Ebene des Wafers vorge
nommen werden kann, wodurch ein teurer Kalibrierungsschritt während
eines Zusammenbaus der Luftmeßeinrichtung beseitigt wird. Zusätzliche
damit verbundene Vorteile sind, daß die vier Zweige der Brücke eine
beinahe identische Kennlinie des Temperaturkoeffizienten des Widerstan
des (TCR) aufweisen, was eine verbesserte Genauigkeit liefert, und daß die
Brücke sich vollständig auf dem Chip befindet, was eine vergrößerte Un
empfindlichkeit auf elektromagnetische Interferenz (EMI) schafft. Ein
weiterer Vorteil ist, daß die Anschlüsse A und C der Wheatstone-Brücke
sich nun auf dem Chip und dicht bei den Sensorelementen befinden, was
die Notwendigkeit für eine Goldmetallisierungsschicht auf den leitfähigen
Bahnen 40-46 verringert.
Fig. 3 veranschaulicht eine alternative Sensorausgestaltung, bei der die
leitfähige Bahn 40 in zwei parallele Bahnen unterteilt ist, die mit 40a und
40b bezeichnet sind. Während diese Ausgestaltung die Anzahl von Bahnen
und die Gesamtgröße der Vorrichtung im Vergleich mit der Ausgestaltung
von Fig. 2A erhöht, verbessert sie die Symmetrie der Sensorvorrichtung,
was potentiell ausgeglichenere Heizwirkungen und eine verbesserte Ge
nauigkeit liefert. Die Bondinganschlüsse D1 und D2 sind miteinander
verbunden, und die Brückengestalt ist gleich, wie es oben in bezug auf
Fig. 2C beschrieben ist.
Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform der Sensorvorrichtung, bei der das
Substrat 48 einen Siliziumwafer 50 umfaßt, der mit einer wärmeisolieren
den Membran 52 aus Polyimid, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder Oxy
nitrid beschichtet ist. Die Sensorelemente 30-36 sind auf der Membran 52
gebildet, und Abschnitte des Siliziumwafers 50, die den Elementpaaren
30/32, 34/36 gegenüberliegen, sind durch Ätzen oder Mikrobearbeiten
entfernt, so daß die Sensorelemente 30-36 allein durch die Membran 52
unterlegt sind. Dies steigert nicht nur die Wärmeisolation zwischen den
Sensorelementpaaren, sondern es verringert auch die Energie und Zeit,
die erforderlich sind, damit die Sensorvorrichtung beim Einschalten eine
stabile Betriebstemperatur erreicht.
Fig. 5A zeigt eine Ansteuerungsschaltung für die Wheatstone-Brücke von
Fig. 2C. Der Differenzverstärker 60 ist mit den Brückenknoten A und C
verbunden und erzeugt eine Ausgangsspannung Vout gemäß der Differenz
V2 - V1, wie es oben beschrieben ist. Eine Kompensation von Veränderun
gen der Umgebungstemperatur kann erreicht werden, indem ein auf die
Umgebungstemperatur empfindlicher Widerstand ramb1 in den Brücken
schaltkreis gesetzt wird, wie es gezeigt ist, um eine von der Umgebungs
temperatur abhängige Spannungsversorgung für die Brücke zu schaffen.
Alternativ kann die Temperaturabhängigkeit mit einem temperaturabhän
gigen Verstärker erreicht werden, wie es in Fig. 5B gezeigt ist. In diesem
Fall wird die Ausgangsspannung Vout einem Operationsverstärker 64 über
einen Widerstand rb2 zugeführt, wobei ein temperaturempfindlicher Wi
derstand ramb2 als der Rückkopplungswiderstand angeschlossen ist und
eine Verstärkung von ramb2(T)/rb2 liefert, wobei T die erfaßte Umgebungs
temperatur ist.
Zusammengefaßt schafft die vorliegende Erfindung eine neuartige Sensor
anordnung, die viele Vorteile gegenüber bekannten Sensoranordnungen
nach dem Stand der Technik bietet. In ihrer Grundform umfaßt diese
Erfindung ein einziges Paar Sensorelemente, die in einer Brücke zusam
mengeschaltet sind, wie es in Fig. 1C gezeigt ist. Wie es oben erläutert ist,
ergibt diese einfache Gestaltung eine vergrößerte Empfindlichkeit und
Bandbreite, eine kleinere Packung, eine erhöhte Zuverlässigkeit und
geringere Kosten im Vergleich mit Sensoranordnungen nach dem Stand
der Technik. Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, die zwei
Sensorelementpaare umfaßt, die in die vier Zweige einer Wheatstone-
Brücke geschaltet sind, ergibt eine weiter verbesserte Empfindlichkeit,
eine erhöhte Genauigkeit, verringerte Kosten, eine verringerte Anfälligkeit
gegenüber EMI und eine leichtere Kalibrierung. Die Erfassungsvorrich
tung für eine Massenluftströmung dieser Erfindung ist nicht auf die Ver
wendung mit einem Verbrennungsmotor begrenzt und kann bei jeder
Anwendung verwendet werden, bei der es erwünscht ist, eine Massenluft
strömung durch einen Krümmer oder ein Rohr zu messen.
Somit erreicht eine billige bidirektionale Erfassungsvorrichtung für eine
Massenluftströmung auf der Grundlage einer erfaßten Temperaturdiffe
renz aufgrund einer Luftströmung eine verbesserte Empfindlichkeit und
Frequenzantwort, indem das Heizungselement der herkömmlichen Sen
soranordnung beseitigt ist und die Sensorelemente bei einem relativ höhe
ren Strom betrieben werden, so daß jedes Temperaturerfassungselement
sowohl sich selbst als auch das andere Temperaturerfassungselement
erwärmt. Die Empfindlichkeit ist aufgrund des vergrößerten Stromes in
den Sensorelementen wesentlich vergrößert, und die Frequenzantwort ist
aufgrund des engeren Abstandes der Sensorelemente wesentlich vergrö
ßert. Bei dieser neuen Anordnung beheizen sich die Sensorelemente
gegenseitig mit. Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform um
faßt die Erfassungsvorrichtung zwei getrennte Paare stromaufwärtige und
stromabwärtige Erfassungselemente, und die Erfassungselemente sind in
die vier Zweige einer Wheatstone-Brücke geschaltet. Die Empfindlichkeit
ist verdoppelt, weil die Sensorelemente in jeden der Brückenzweige ge
schaltet sind, und die Leistungsfähigkeit und Kosten sind durch die Besei
tigung von außerhalb des Chips befindlichen Brückenbauteilen verbes
sert. Ein einfacher und billiger Temperaturkompensationsschaltkreis
kompensiert Schwankungen der Umgebungstemperatur.
Claims (7)
1. Bidirektionale Erfassungsvorrichtung für eine Massenluftströmung,
um eine Luftströmung durch einen Krümmer zu messen, umfas
send:
ein erstes und ein zweites temperaturabhängiges Sensorelement (30, 32), die auf einem wärmeisolierenden Substrat (48) in einer Linie mit einer Luftströmung in dem Krümmer und in der Nähe zueinan der angeordnet sind, so daß Wärme, die durch den Durchtritt von Strom durch das erste Sensorelement (30) entwickelt wird, sowohl das erste Sensorelement (30) als auch das zweite Sensorelement (32) erwärmt, und Wärme, die durch den Durchtritt von Strom durch das zweite Sensorelement (32) entwickelt wird, sowohl das zweite Sensorelement (32) als auch das erste Sensorelement (30) erwärmt,
gekennzeichnet durch
eine Wheatstone-Brücke, um auf der Grundlage einer Differenz der Temperaturen bei dem ersten und dem zweiten Sensorelement (32) ein Ausgangssignal zu entwickeln, das eine Luftströmung in dem Krümmer anzeigt, wobei die Wheatstone-Brücke einen ersten und einen zweiten Zweig aufweist, wobei das erste Sensorelement (30) in den ersten Zweig geschaltet ist und das zweite Sensorelement (32) in den zweiten Zweig geschaltet ist,
eine Spannungsquelle zur Beaufschlagung der Wheatstone-Brücke mit Energie, und
einen auf die Krümmerlufttemperatur empfindlichen Widerstand, der zwischen die Quelle und die Wheatstone-Brücke geschaltet ist, um das Ausgangssignal in Bezug auf Schwankungen der Krümmer lufttemperatur zu kompensieren.
ein erstes und ein zweites temperaturabhängiges Sensorelement (30, 32), die auf einem wärmeisolierenden Substrat (48) in einer Linie mit einer Luftströmung in dem Krümmer und in der Nähe zueinan der angeordnet sind, so daß Wärme, die durch den Durchtritt von Strom durch das erste Sensorelement (30) entwickelt wird, sowohl das erste Sensorelement (30) als auch das zweite Sensorelement (32) erwärmt, und Wärme, die durch den Durchtritt von Strom durch das zweite Sensorelement (32) entwickelt wird, sowohl das zweite Sensorelement (32) als auch das erste Sensorelement (30) erwärmt,
gekennzeichnet durch
eine Wheatstone-Brücke, um auf der Grundlage einer Differenz der Temperaturen bei dem ersten und dem zweiten Sensorelement (32) ein Ausgangssignal zu entwickeln, das eine Luftströmung in dem Krümmer anzeigt, wobei die Wheatstone-Brücke einen ersten und einen zweiten Zweig aufweist, wobei das erste Sensorelement (30) in den ersten Zweig geschaltet ist und das zweite Sensorelement (32) in den zweiten Zweig geschaltet ist,
eine Spannungsquelle zur Beaufschlagung der Wheatstone-Brücke mit Energie, und
einen auf die Krümmerlufttemperatur empfindlichen Widerstand, der zwischen die Quelle und die Wheatstone-Brücke geschaltet ist, um das Ausgangssignal in Bezug auf Schwankungen der Krümmer lufttemperatur zu kompensieren.
2. Bidirektionale Erfassungsvorrichtung für eine Massenluftströmung,
um eine Luftströmung durch einen Krümmer zu messen, umfas
send:
ein erstes und ein zweites temperaturabhängiges Sensorelement (30, 32), die auf einem wärmeisolierenden Substrat (48) in einer Linie mit einer Luftströmung in dem Krümmer und in der Nähe zueinan der angeordnet sind, so daß Wärme, die durch den Durchtritt von Strom durch das erste Sensorelement (30) entwickelt wird, sowohl das erste Sensorelement (30) als auch das zweite Sensorelement (32) erwärmt, und Wärme, die durch den Durchtritt von Strom durch das zweite Sensorelement (32) entwickelt wird, sowohl das zweite Sensorelement (32) als auch das erste Sensorelement (30) erwärmt,
gekennzeichnet durch
eine Wheatstone-Brücke, um auf der Grundlage einer Differenz der Temperaturen bei dem ersten und dem zweiten Sensorelement (32) ein Ausgangssignal zu entwickeln, das eine Luftströmung in dem Krümmer anzeigt, wobei die Wheatstone-Brücke einen ersten und einen zweiten Zweig aufweist, wobei das erste Sensorelement (30) in den ersten Zweig geschaltet ist und das zweite Sensorelement (32) in den zweiten Zweig geschaltet ist,
eine Spannungsquelle zur Beaufschlagung der Wheatstone-Brücke mit Energie, und
einen Differenzverstärker (64), der an eine Referenzspannung und an eine Verbindungsstelle zwischen dem ersten und dem zweiten Zweig angekoppelt ist und der eine von der Krümmerlufttemperatur abhängige Verstärkung aufweist, so dass das Ausgangssignal in be zug auf Schwankungen der Krümmerlufttemperatur kompensiert wird.
ein erstes und ein zweites temperaturabhängiges Sensorelement (30, 32), die auf einem wärmeisolierenden Substrat (48) in einer Linie mit einer Luftströmung in dem Krümmer und in der Nähe zueinan der angeordnet sind, so daß Wärme, die durch den Durchtritt von Strom durch das erste Sensorelement (30) entwickelt wird, sowohl das erste Sensorelement (30) als auch das zweite Sensorelement (32) erwärmt, und Wärme, die durch den Durchtritt von Strom durch das zweite Sensorelement (32) entwickelt wird, sowohl das zweite Sensorelement (32) als auch das erste Sensorelement (30) erwärmt,
gekennzeichnet durch
eine Wheatstone-Brücke, um auf der Grundlage einer Differenz der Temperaturen bei dem ersten und dem zweiten Sensorelement (32) ein Ausgangssignal zu entwickeln, das eine Luftströmung in dem Krümmer anzeigt, wobei die Wheatstone-Brücke einen ersten und einen zweiten Zweig aufweist, wobei das erste Sensorelement (30) in den ersten Zweig geschaltet ist und das zweite Sensorelement (32) in den zweiten Zweig geschaltet ist,
eine Spannungsquelle zur Beaufschlagung der Wheatstone-Brücke mit Energie, und
einen Differenzverstärker (64), der an eine Referenzspannung und an eine Verbindungsstelle zwischen dem ersten und dem zweiten Zweig angekoppelt ist und der eine von der Krümmerlufttemperatur abhängige Verstärkung aufweist, so dass das Ausgangssignal in be zug auf Schwankungen der Krümmerlufttemperatur kompensiert wird.
3. Bidirektionale Erfassungsvorrichtung für eine Massenluftströmung
nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß das isolierende Substrat (48) einen Wafer aus Silizium umfaßt,
der eine wärmeisolierende Membran trägt, wobei das Silizium in ei
nem dem ersten und dem zweiten Sensorelement (30, 32) gegen
überliegenden Bereich bis zu der Membran entfernt ist.
4. Bidirektionale Erfassungsvorrichtung für eine Massenluftströmung
nach Anspruch 1 oder 2,
umfassend ein drittes und ein viertes temperaturabhängiges Sensor
element (34, 36), die auf dem wärmeisolierenden Substrat (48) in ei
ner Linie mit der Krümmerluftströmung und in der Nähe zueinander
angeordnet sind, so daß Wärme, die durch den Durchtritt von Strom
durch das dritte Sensorelement (34) entwickelt wird, sowohl das
dritte Sensorelement (34) als auch das vierte (36) Sensorelement er
wärmt, und Wärme, die durch den Durchtritt von Strom durch das
vierte Sensorelement (36) entwickelt wird, sowohl das vierte Sensor
element (36) als auch das dritte Sensorelement (34) erwärmt, wobei
das dritte und das vierte Sensorelement (34, 36) thermisch von dem
ersten und dem zweiten Sensorelement (30, 32) getrennt sind, und
wobei das Ausgangssignal, das von der Wheatstone-Brücke entwi
ckelt wird, zusätzlich auf einer Differenz der Temperaturen an dem
dritten und dem vierten Sensorelement (34, 36) beruht.
5. Bidirektionale Erfassungsvorrichtung für eine Massenluftströmung
nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß das isolierende Substrat (48) einen Wafer aus Silizium umfaßt,
der eine wärmeisolierende Membran trägt, wobei das Silizium in ei
nem dem ersten und dem zweiten Sensorelement (30, 32) gegenü
berliegenden ersten Bereich und in einem dem dritten und dem vier
ten Sensorelement (34, 36) gegenüberliegenden zweiten Bereich bis
zu der Membran entfernt ist.
6. Bidirektionale Erfassungsvorrichtung für eine Massenluftströmung
nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Wheatstone-Brücke einen dritten und einen vierten Zweig
aufweist, wobei das dritte Sensorelement (34) in den dritten Zweig
geschaltet ist und das vierte Sensorelement (36) in den vierten Zweig
geschaltet ist.
7. Bidirektionale Erfassungsvorrichtung für eine Massenluftströmung
nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Sensorelemente (30-36) ohne eine Krümmerluftströmung im
wesentlichen gleiche Widerstände aufweisen, und daß mehrere leit
fähige Bahnen (40-46) auf dem Substrat (48) gebildet sind, um die
Sensorelemente (30-36) an jeweilige Brückenverbindungsstellen an
zukoppeln, wobei mindestens eine der leitfähigen Bahnen (40-46)
trimmbar ist, um das Ausgangssignal zu nullen, wenn es keine
Krümmerluftströmung gibt, um dadurch die Brücke zu kalibrieren.
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