DE3516794A1

DE3516794A1 - Direkt beheizte gasstroemungsmessvorrichtung

Info

Publication number: DE3516794A1
Application number: DE19853516794
Authority: DE
Inventors: Tadashi Okazaki Aichi Hattori; Seizi Anjo Aichi Huzino; Kenji Aichi Kanehara; Kazuhiko Aichi Miura; Minoru Okazaki Aichi Ohta
Original assignee: Nippon Soken Inc
Current assignee: Soken Inc
Priority date: 1984-05-09
Filing date: 1985-05-09
Publication date: 1985-11-14
Anticipated expiration: 2005-05-10
Also published as: JPS60236024A; DE3516794C2; US4735099A

Description

NJ(ND)-4831-DE

Direkt beheizte Gasströmungsmeßvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine direkt beheizte Gasströmungsmeßvorrichtung mit einem Schichtwiderstand, der als Temperaturdetektoreinrichtung sowie als elektrische Heizung dient. Eine derartige direkt beheizte Gasströmungsmeßvorrichtung kann beispielsweise zum Messen des Durchsatzes der in eine Brennkraftmaschine eingesaugten Luft verwandt werden,

Bei einer Brennkraftmaschine ist die Menge an angesaugter Luft im allgemeinen einer der wichtigsten Parameter zum Steuern der eingespritzten Kraftstoffmenge, des Zündzeitpunktes und ähnlichem. Eine Gasströmungsmeßvorrichtung, d. h. ein Luftströmungsmesser ist zu diesem Zweck vorgesehen. Einer der herkömmlichen Luftströmungsmesser ist vom Flügelradtyp, der jedoch hinsichtlich seiner Abmessungen,

seiner Ansprechgeschwindigkeit und ähnlichem nachteilig ist. In der letzten Zeit sind Luftströmungsmesser mit temperaturabhängigen Widerständen entwickelt worden, die hinsichtlich ihrer Abmessungen, ihrer Ansprechgeschwindigkeit und ähnlichem vorteilhaft sind.

Es gibt zwei Arten von Luftströmungsmessern mit temperaturabhängigen Widerständen, nämlich den Luftströmungsmesser vom Heizungstyp und den direkt beheizten Typ. Ein Luftströmungsmesser vom Heizungstyp kann aus einem elektrischen Heizwiderstand, der im Luftansaugkanal der Maschine vorgesehen ist, und zwei temperaturabhängigen Widerständen bestehen, die stromaufwärts und stromabwärts vom elektrischen Heizwiderstand angeordnet sind, in diesem Fall dient der temperaturabhängige Widerstand auf der stromabwärts liegenden Seite dazu, die Temperatur der durch den Heizwiderstand erwärmten Luft wahrzunehmen, während der temperaturabhängige Widerstand auf der stromaufwärts 1 legenden Seite dazu dient,

die Temperatur der nicht erwärmten Luft wahrzunehmen. Der durch den Heizwiderstand fließende Strom wird so gesteuert, daß sich ein konstanter Temperaturunterschied zwischen den beiden temperaturabhängigen Widerständen ergibt, so daß die am Heizwiderstand liegende Spannung als Maß für den Luftmassendurchsatz genommen wird.

Wenn bei einem derartigen Luftströmungsmesser vom Heizungstyp kein temperaturabhängiger Widerstand auf der stromaufwärts liegenden Seite vorgesehen ist.und der Strom im Heizwiderstand so gesteuert wird, daß der stromabwärts liegende temperaturabhängige Widerstand eine konstante Temperatur hat, so wird die am Heizwiderstand liegende Spannung als Maß für den Luftvolumendurchsatz genommen.

Ein direkt beheizter Luftströmungsmesser kann andererseits aus einem Schichtwiderstand bestehen, der nicht nur als elektrische Heizung sondern auch als Temperaturdetektoreinrichtung zum Wahrnehmen der Temperatur der erwärmten Luft dient. Der direkt beheizte Luftströmungsmesser kann auch aus einem temperaturabhängigen Widerstand bestehen, der die Temperatur der nicht erwärmten Luft wahrnimmt. Der durch den Schichtwiderstand fließende Strom wird somit so gesteuert, daß sich ein konstanter Temperaturunterschied

zwischen dem Schichtwiderstand und dem temperaturabhängigen Widerstand ergibt, um somit die am Schichtwiderstand liegende Spannung als Maß für den Luftmassendurchsatz zu nehmen. Wenn bei einem derartigen direkt beheizten Luftströmungsmesser kein temperaturabhängiger Widerstand vorgesehen ist und der Strom des Heizwiderstandes so gesteuert wird, daß der Schichtwiderstand eine konstante Temperatur hat, so wird gleichfalls die am Schichtwiderstand liegende Spannung als Maß für den Luftvolumendurchsatz genommen.

Da der Schichtwiderstand eines direkt beheizten Luft-

Strömungsmessers als Temperaturdetektoreinrichtung für die erwärmte Luft dient, d.h. keine zusätzliche Temperaturdetektoreinrichtung für die erwärmte Luft notwendig ist, hat ein direkt beheizter; Luftströmungsmesser eine geringere Größe als ein Luftströmungsmesser vom Heizungstyp.

Bei einem direkt beheizten Luftströmungsmesser kann der Schichtwiderstand aus einem isolierenden Substrat, wie beispielsweise einem keramischen Substrat oder einem Substrat aus einkristal1inem Silizium, einem Widerstandsmuster aus Platin (Pt), Gold (Au) usw. auf dem isolierenden Substrat und einem wärmebeständigen Harzüberzug auf dem Widerstandsmuster bestehen.

Üblicherweise hängen die Ansprechcharakteristik und der dynamische Bereich eines direkt beheizten Luftströmungsmessers von der Heizmasse und dem adiabatischen Wirkungsgrad des Widerstandsmusters ab, das nicht nur als Heizeinrichtung sondern auch als Temperaturdetektoreinrichtung dient. Um eine möglichst gute Ansprechcharakteristik und den möglichst größten dynamischen Bereich zu erzielen, sollte das Widerstandsmuster im idealen Fall im Luftstrom vollständig schwebend sein. Bei den bekannten Luftströmungsmessern hatte jedoch der Schichtwiderstand, der das Widerstandsmuster aufweist, eine annähernd genau bestimmte Breite in seiner Längsrichtung. Dementsprechend war der adiabatische Wirkungsgrad relativ niedrig, was die Ansprechcharakteristik und den dynamischen Bereich des direkt beheizten Luftströmungsmessers beeinträchtigt.

Durch die Erfindung soll eine direkt beheizte Gasströmungsmeßvorrichtung mit besserer Ansprechcharakteristik und größerem dynamischen Bereich geschaffen werden.

Die erfindungsgemäße direkt beheizte Gasströmungsmeßvor-

ir

richtung umfaßt ein Meßrohr, das im Gasstrom angeordnet ist, einen Schichtwiderstand, der Wärme erzeugt und seine Temperatur wahrnimmt,und eine Steuerschaltung mit Rückkopplung zum Steuern der durch den Schichtwiderstand erzeugten Wärme derart, daß die Temperatur des Schichtwiderstandes auf einem vorbestimmten Wert liegt. In einem Halteteil des Schichtwiderstandes, der dazu dient, diesen am Meßrohr zu halten, ist eine öffnung zum Drosseln seiner Wärmeübertragung vorgesehen.

Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung-näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 schematisch den Gesamtaufbau einer Brenn

kraftmaschine mit einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen direkt beheizten Gasströmungsmeßvorrichtung,

Fig. 2 und 3 eine Längs- und eine Querschnittsansicht

jeweils des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Gasströmungsmeßvorrichtung,

Fig. 4A und 4B eine Draufsicht und eine Querschnittsansicht jeweils eines ersten Ausführungsbeispiels eines Schichtwiderstandes gemäß der Erfindung,

Fig. 5A eine Draufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel eines Schichtwiderstandes gemäß der Erfindung,

Fig. 5B und 5C Querschnittsansichten längs der Linie

B-B und C-C in Fig. 5A,

Sf

Fig. 6A eine Draufsicht auf ein drittes Aus-

f ührungsbeispi-el eines Schichtwiderstandes gemäß der Erfindung,

Fig. 6B und 6C Querschnittsansichten längs der Linie B-B

und C-C in Fig. 6A und

Fig. 7 das Schaltbild der Sensorschaltung von

Fig. 1.

In Fig. 1, die den Gesamtaufbau einer Brennkraftmaschine mit einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Gasströmungsmeßvorrichtung zeigt, ist eine Maschine 1 mit Funkenzündung zum Antreiben eines Kraftfahrzeuges dargestellt, in die Luft zur Verbrennung über ein Luftfilter 2, eine Ausrichtungsgitter 3, das die Luftströmung vergleichmäßigt, und einen Luftansaugkanal 4 eingesaugt wird. Im Luftansaugkanal 4 ist ein Drosselventil 5 vorgesehen, das willkürlich durch den Fahrer betätigt wird. Die Gasströmungsmeßvorrichtung ist im Luftansaugkanal 4 zwischen dem Ausrichtungsgitter 3 und dem Drosselventil 5 vorgesehen.

Die Gasströmungsmeßvorrichtung umfaßt einen Sensorteil im Inneren des Luftansaugkanals 4 und eine Sensorschaltung außerhalb des Luftansaugkanals 4. Der Sensorteil weist ein Meßrohroder eine Meßleitung 6 auf, die über eine Halterung oder eine Stütze 7 am Luftansaugkanal 4 befestigt ist. Ein Schichtwiderstand 8 ist im Inneren der Leitung 6 vorgesehen, während ein temperaturabhängiger Widerstand 9 zum Wahrnehmen der Temperatur der nicht erwärmten Luft außerhalb der Leitung 6 vorgesehen ist. Der Schichtwiderstand und der temperaturabhängige Widerstand 9 sind mit der Sensorschaltung 10 verbunden, die in eine Hybridplatte eingeschlossen ist. Der temperaturabhängige Widerstand 9

Jo

kann auch innerhalb der Leitung 6 unter der Voraussetzung angeordnet sein, daß der Widerstand 9 im wesentlichen nicht durch die Wärme beeinfluß wird, die vom Schichtwiderstand erzeugt wird. Die Sensorschaltung 10 steuert den Strom, der zum Schichtwiderstand 8 fließt, derart, daß dieser soviel Wärme erzeugt, daß ein konstanter Temperaturunterschied zwischen dem Schichtwiderstand 7 und dem temperaturabhängigen Widerstand 9 besteht. Die Sensorschaltung 10 erzeugt auch eine Ausgangsspannung V_Q und überträgt diese auf eine Steuerschaltung 11, die beispielsweise einen Mikrocomputer umfaßt. Die Steuerschaltung 11 empfängt auch verschiedene Arten von Detektorsignalen, wie beispielsweise ein nicht dargestelltes Signal Ne für die Drehzahl der Maschine und ein nicht dargestelltes Signal THW für die Temperatur .des Kühlmittels "der Maschine, und steuert das Ventilöffnungszeitinterval1 eines Kraftstoffeinspritzventiles 12 und ähnl iches.

Wie es in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist, die das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Gasströmungsmeßvorrichtung von Fig. 1 zeigen,.sind die Enden des Scbichtwiderstandes 8 fest an Halterungen 13a und 13b der Leitung 6 angebracht.

Fig. 4A zeigt eine Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel des Schichtwiderstandes gemäß der Erfindung, während Fig. 4B eine Querschnittsansicht längs der Linie B-B von Fig. 4A zeigt. Wie es if den Fig. 4A und 4B dargestellt ist, weist der Schichtwiderstand 8 eine Metallplatte 41 mit einer Stärke von etwa 20 bis 50 um auf, auf der eine Isolierschicht 42, beispielsweise aus Siliziumdioxid SiO₂ oder Siliziumnitrid Si₃N₄ ausgebildet ist. Weiterhin ist darauf eine leitende Schicht 43 aus Pt oder Au ausgebildet. Die leitende Schicht 43 ist in der in Fig. 4A dargestellten Weise über ein herkömmliches photolithographisches Verfahren

gemustert. Insbesondere dient der Teil 43a der gemusterten leitenden Schicht 43 nicht nur als Heizeinrichtung, sondern auch als Temperaturdetektoreinrichtung. Gemäß der Erfindung sind öffnungen 44a und 44b an den Halteteilen des Schichtwiderstandes 8 vorgesehen, um damit den adiabatischen Wirkungsgrad des Heiz- und Temperaturdetektorteils 43a zu erhöhen.

In den Fig. 4A und 4B sind weiterhin die Teile 43b und 43c dargestellt, an die die Spannung angelegt wird. Eine isolierende Schicht oder eine Passivierungsschicht, beispielsweise aus SiO₂ oder Si₃N₄, die nicht dargestellt ist, ist weiterhin auf der leitenden Schicht 43 ausgebildet.

Wie es in den Fig. 5A, 5B und 5C dargestellt ist, die ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigen, umfaßt der Schichtwiderstand 8 ein Substrat 51 aus p"leitendem einkristallinen Silizium, auf dem eine Schicht 52 aus N leitendem einkristallinem Silizium über ein herkömmliches Epitaxialaufwachsverfahren aufwachsen gelassen ist. In der Schicht 52 aus N leitendem einkristallinen Silizium sind N⁺ leitende Diffusionsbereiche 53a und 53b, die als Schichr ten mit niedrigem Widerstand dienen, sowie ein P⁺ leitender Diffusionsbereich 54 als Isolation zwischen den Bereichen 53a und 53b ausgebildet. Es sind weiterhin Aluminiumelektroden P. und ?2 an den Bereichen 53a und 53b jeweils vorgesehen. Gemäß der Erfindung sind öffnungen 55a und 55b auf beiden Seiten des Bereiches 52 ausgebildet, der nicht nur als Heizeinrichtung sondern auch als Temperaturdetektoreinrichtung dient, und ist eine öffnung 56 an der Rückseite des Substrates 51 vorgesehen. In dieser Weise kann der adiabatische Wirkungsgrad des Bereiches 52 verbessert werden.

Die Öffnungen 55a, 55b und 56 gemäß Fig. 5A, 5B und 5C

AO

können durch anisotropes Ätzen ausgebildet werden. Der gesamte Schichtwiderstand 8 ist gleichfalls von einer nicht dargestellten Passivierungsschicht überzogen.

Wie es in den Fig. 6A, 6B und 6C dargestellt ist, die ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigen, sind zusätzliche Öffnungen 57a und 57b in dem Schichtwiderstand 8 gemäß Fig. 5A, 5B und 5C ausgebildet. In dieser Weise kann der adiabatische Wirkungsgrad des Bereiches 52 weiter verbessert werden.

Bei dem oben beschriebenen zweiten und dritten Ausführungsbeispiel ist es möglich, eine leitende Schicht aus Pt oder Au statt der Diffusionsbereiche 52,53a und 53b auszubilden. Ein Schichtwiderstand 8 mit Diffusionsbereichen hat jedoch den Vorteil, daß der durch die Pfeile Y₁ und Y₂ in Fig. 5A und 6A bezeichnete Brückenbereich einen niedrigeren Widerstand als der Heiz--und Temperaturdetektorbereich 52 hat, wodurch dessen Wärmverteilung verbessert ist. Ein Schichtwiderstand 8 mit Diffusionsbereichen hat weiterhin den Vorteil, daß für die leitenden Schichten weder das Haftvermögen, noch das Wärmeausdehnungsverhältnis oder ähnliches berücksichtigt werden müssen.

Bei dem oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel kann das Substrat 31 aus einer dünnen Harzschicht, beispielsweise aus wärmebeständigem Polyimid bestehen, ..auf der eine leitende Schicht oder ähnliches ausgebildet ist.

Im folgenden wird anhand von Fig. 7 die in Fig. 1 dargestellte Sensorschaltung beschrieben. Wie es in Fig. 7 dargestellt ist, enthält die Sensorschaltung Widerstände 101 und 102, die mit dem Schichtwiderstand 8 und dem temperaturabhängigen Widerstand 9 eine Brückenschaltung bilden, einen Komparator 103, einen vom Komparator 103 angesteuerten

Sf

Transistor 104 und einen Spannungspuffer 105. Die Sensorschaltung 10 arbeitet in der folgenden Weise. Wenn die Menge an Luft, die durch den Luftansaugkanal 4 strömt, zunimmt, so daß die Temperatur des Schichtwiderstandes 8 abnimmt, der in diesem Fall als Thermistor arbeitet, nimmt sein Widerstandswert ab, so daß die folgende Bedingung erfüllt ist:

^V1 ^ ^VR1'

wobei V. das Potential am Knotenpunkt zwischen dem Widerstand 101 und dem Schichtwiderstand 8 bezeichnet und V_R1 das Potential am Knotenpunkt zwischen dem Widerstand 102 und dem femperaturabhängigen Widerstand 9 ist. Das hat zur Folge, daß das Ausgangspotential des Komparators 103 abnimmt, wodurch das Leitvermögen des Transistors 104 zunimmt. Die vom Schichtwiderstand 8 erzeugte Wärme nimmt daher zu ,und gleichzeitig nimmt das Kollektorpotential des Transistors 104 zu, so daß auch die Ausgangsspannung Vq des Spannungspuffers 105 zunimmt.

Wenn im Gegensatz dazu die Menge an Luft, die durch den Luftansaugkanal 4 strömt, abnimmt, so daß die Temperatur des Schichtwiderstandes 8 ansteigt, dann nimmt sein Widerstandswert zu, so daß die folgende Bedingung erfüllt ist:

^V1 ^> hv

Das hat zur Folge, daß das Ausgangspotential des Komparators 103 zunimmt, wodurch das Leitvermögen des Transistors 104 abnimmt. Die vom Schichtwiderstand 8 erzeugte Wärme nimmt daher ab, und gleichzeitig nimmt das Kollektorpotential des Transistors 104 ab, so daß auch die .Ausgangsspannung Vq des Spannungspuffers 105 abnimmt.

In dieser Weise erfolgt eine Selbsreglung mit Rückkopplung

AX

bezüglich der Temperatur des Schichtwiderstandes 8 derart, daß ein konstanter Temperaturunterschied zwischen dem
Schichtwiderstand 8 und dem temperaturabhängigen Widerstand 9 besteht, der in diesem Fall die Temperatur der
Umgebungsluft wahrnimmt. Die Ausgangsspannung Vq des
Spannungspuffers 105 zeigt daher die Menge an Luft an, die durch den Luftansaugkanal 4 strömt.

Wie es oben beschrieben wurde* kann aufgrund der Drosselung der Wärmeübertragung für den Heiz- und Temperaturdetektorteil des Schichtwiderstandes der adiabatische Wirkungsgrad verbessert werden, wodurch die Ansprechcharakteristik und
der dynamische Bereich der Gasströmungsmeßvorrichtung verbessert werden.

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Claims

5167 94 Dr. F. Zumstein sen. - Dr. E. As;grrr\gnn■,.· , ·\ ...· Dipl.-Ing. F. Klingseisen - Dr. F. Zumstein jun. PATENTANWÄLTE ZUGELASSENE VERTRETER BEIM EUROPÄISCHEN PATENTAMT REPRESENTATIVES BEFORE THE EUROPEAN PATENT OFPICE Case NJ(ND)-4831-DE 3/40/my NIPPON SOKEN, INC. - Japan Direkt beheizte Gasströmungsmeßvorrichtung PATENTANSPRÜCHE

1. Direkt beheizte Gasströmungsmeßvorrichtung. gekennzeichnet "durch

ein Meßrohr, das im Gasstrom angeordnet ist, einen Schichtwiderstand, der im Meßrohr angeordnet ist, wobei der Schichtwiderstand einen ersten Teil zum Erzeugen von Wärme und zum Wahrnehmen seiner Temperatur und einen zweiten Teil zum Halten des ersten Teils am Meßrohr aufweist und der zweite Teil mit einer öffnung zum Drosseln seiner Wärmeübertragung versehen ist, und eine Steuereinrichtung mit Rückkopplung, die mit dem Schichtwiderstand verbunden ist und die vom Schichtwiderstand erzeugte Wärme so steuert, daß dessen Temperatur auf einem vorbestimmten Wert liegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß eine öffnung an jeder Seite des ersten Teils des

Schichtwiderstandes vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch

einen temperaturabhängigen Widerstand, der im Meßrohr oder außerhalb des Meßrohres angeordnet ist_: und die Temperatur des nicht erwärmten Gases im Gasstrom wahrnimmt, wobei der temperaturabhängige Widerstand im wesentlichen nicht durch die Wärme beeinflußt wird, die vom Schichtwiderstand erzeugt wird, und die Steuereinrichtung mit Rückkopplung die vom Schichtwiderstand erzeugte Wärme so steuert, daß sich ein konstanter Temperaturunterschied zwischen dem Schichtwiderstand und dem temperaturabhängigen Widerstand ergibt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Schichtwiderstand ein Substrat aus einkristallinem Silizium umfaßt, in dem ein Störstellendiffusionsbereich als erster Teil ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,

daß der zweite Teil des Schichtwiderstandes einen niedrigeren Widerstand als sein erster Teil hat.