DE3604202C2

DE3604202C2 - Direkt beheizte Strömungsmeßvorrichtung

Info

Publication number: DE3604202C2
Application number: DE3604202A
Authority: DE
Inventors: Minoru Ohta; Kazuhiko Miura; Seizi Huzino; Kenji Kanehara; Tadashi Hattori
Original assignee: NipponDenso Co Ltd
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1985-02-14
Filing date: 1986-02-11
Publication date: 1997-01-09
Anticipated expiration: 2006-02-12
Also published as: DE3604202A1; US4912975A; GB8603702D0; GB2171799A; US4870860A; GB2171799B

Description

Die Erfindung betrifft eine direkt beheizte Strömungsmeßvor richtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine Strömungsmeßvorrichtung dieser Art ist aus US 4 294 114 bekannt, wobei hinter dem stromaufwärts angeordneten ebenen Substrat und dem darauf ausgebildeten Schichtwiderstand ein temperaturabhängiger Widerstand auf einem Träger angeordnet ist.

Aus US 4 498 337 ist eine Strömungsmeßvorrichtung bekannt, bei der zur Drosselung der Wärmeübertragung mit Einschnitten versehene Endabschnitte des Substrats vorgesehen sind.

GB 21 34 266 A beschreibt eine Strömungsmeßvorrichtung mit einem dünnen Filmwiderstand auf einem keramischen Isolationsteil, wobei der Filmwiderstand über ein Lötelement aus Glas mit einem Halter verbunden ist.

Schließlich ist aus DE 33 00 512 A1 eine Heizdrahtmeßvorrichtung bekannt, bei der eine Glaseinschmelzung zur Befestigung eines Haltedrahtes an einem Trägerkörper vorgesehen ist.

Bei einem direkt beheizten Strömungsmesser kann der Schicht widerstand auf einem isolierenden Substrat, beispielsweise einem Keramiksubstrat, oder einem einkristallinen Silizium substrat, einem in Form einer dünnen Schicht ausgebildeten Widerstandsmuster, z. B. aus Platin (Pt) oder Gold (Au) auf dem isolierenden Substrat und einem wärmebeständigen Harz auf dem Widerstandsmuster bestehen.

Gewöhnlich hängen das charakteristische Ansprechvermögen und der dynamische Bereich des direkt beheizten Strömungsmessers von der Heizmasse und dem adiabatischen Wirkungsgrad des Schichtwiderstandsmusters ab, das nicht nur als Heizeinrichtung, sondern auch als Temperaturdetektoreinrichtung dient. Um das beste charakteristische Ansprechvermögen und den größten dynamischen Bereich zu erzielen, sollte das Schicht widerstandsmuster im idealen Fall sich in einem vollständig schwebenden Zustand im Luftstrom befinden. Bei bekannten Strömungsmessern hat der Schichtwiderstand mit dem Schichtwiderstandsmuster eine begrenzte Breite über seine Längsrichtung. Daher ist der adiabatische Wirkungsgrad relativ niedrig, was das charakteristische Ansprechvermögen und den dynamischen Bereich des direkt beheizten Luftströ mungsmessers verringert.

Um diese Schwierigkeit zu beseitigen, ist bereits ein direkt beheizter Luftströmungsmesser vorgeschlagen worden, bei dem eine Öffnung zwischen dem Heiz- und Temperaturdetektorteil des Schichtwiderstandes und dem Halteelement seines Substrates vorgesehen ist, um dadurch einen Drosseleffekt der Wärmeübertragung zu bewirken, und um somit den adiabatischen Wirkungsgrad des Heiz- und Temperatur detektorteils zu erhöhen und die Ansprechgeschwindigkeit und den dynamischen Bereich des Luftströmungsmessers zu verbessern.

Gewöhnlich hat der die Wärmeübertragung drosselnde Teil einen kleinen Querschnitt, um eine weitere adiabatische Wirkung zu erzielen.

Selbst wenn jedoch ein derartiger, die Wärmeübertragung drosselnder Teil vorgesehen ist, wird immer noch zuviel Wärme an das Halteelement übertragen, was zur Folge hat, daß es viel Zeit in Anspruch nimmt, bis der zum Halteelement, beispielsweise zu einem keramischen Element mit schlechter Wärmeleitung, fließende Wärmestrom stabil wird, was bedeutet, daß der Luft strömungsmesser ein schlechtes charakteristisches Ansprech vermögen hat. Da weiterhin die Befestigung des Substrats an einem Steg in einer Leitung oder einem Kanal gewöhnlich durch Anschlußmittel, wie Stifte, erfolgt, wird die Wärme des Heiz- und Temperaturdetektorteils des Schichtwiderstands über diese Anschlüsse zur Kanalwandung übertragen. Das heißt mit anderen Worten, daß der adiabatische Wirkungsgrad des Substrates gering ist, und somit der Wärmeverlust groß ist, wodurch gleichfalls das charakteristische Ansprechvermögen des Luft strömungsmessers beeinträchtigt wird.

Bei einem herkömmlichen, direkt beheizten Strömungsmesser, z. B. zum Aufnehmen eines Luftmengendurchsatzes, sind weiterhin das Schichtwiderstandsmuster als Heiz- und Temperaturdetektorteil und ein Temperaturkompensationswiderstand an völlig verschiedenen Stellen angeordnet. Beispielsweise ist das Schichtwiderstandsmuster in einem Kanal vorgesehen, und es befindet sich der Temperaturkompensationswiderstand außerhalb des Kanals. Aufgrund des Unterschiedes in der Wärmekapazität zwischen dem Schichtwiderstandsmuster einschließlich seiner Halterung und dem Temperaturkompensationswiderstand einschließlich seiner Halterung ist die Übergangstemperaturcharakteristik des Schichtwiderstandsmusters von der des Temperatur kompensationswiderstandes verschieden. Das hat zur Folge, daß der Unterschied in der Temperatur zwischen dem Schichtwiderstandsmuster und dem Temperaturkompensations widerstand während eines Übergangszustandes schwankt, wodurch Fehler im gemessenen Luftdurchsatz auftreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine direkt beheizte Strömungsmeßvorrichtung der eingangs angegebenen Art mit verbessertem charakteristischem Ansprechvermögen vorzuschlagen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Strömungsmeßvorrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst.

Da hierbei die der Halteplatte übertragene Wärme sicher an das Fluid, bei spielsweise an den Luftstrom über die Halteplatte, abgeführt wird, wird auch der vom Substrat zur Halteplatte übertragene Wärmestrom sofort stabil, was das charakteristische Ansprechvermögen derartiger Durchsatzsensoren verbessert. Da das Substrat von einem adiabatischen Element gehalten wird, ist der Wärmeverlust des Substrates gering, was die Genauigkeit der Messung des Durchsatzes erhöht und somit das charakteristische An sprechvermögen weiter verbessert.

Wenn weiterhin ein Temperaturkompensationswiderstand in der direkt beheizten Strömungsmeßvorrichtung vorgesehen ist, sollen das Schichtwiderstandsmuster und der Temperaturkompensations widerstand die gleiche Form, das gleiche Substrat und das gleiche Halteelement haben. Das hat zur Folge, daß die Über gangstemperaturcharakteristik des Schichtwiderstandsmustersystems die gleiche wie die des Temperaturkompensationswiderstandssystems ist. Die Schwankung des Unterschiedes in der Temperatur zwischen dem Schichtwiderstandsmuster und dem Temperaturkompensationswiderstand während eines Übergangszustandes ist somit gering, so daß der Fehler im gemessenen Durchsatz klein ist.

Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch den Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine mit einer direkt beheizten Strömungsmeßvorrichtung,

Fig. 2 das Schaltbild der Sensorschaltung von Fig. 1,

Fig. 3, 4 und 5 in teilweise geschnittenen perspektivischen Ansichten ein erstes, ein zweites und ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ströömungsmeßvorrichtung,

Fig. 6 in einer auseinandergezogenen perspek tivischen Ansicht den Schichtwiderstand und sein Halteelement von Fig. 3,

Fig. 7 eine Querschnittsansicht des Verbindungsteils des Schichtwiderstandes mit seinem Halteelement von Fig. 3,

Fig. 8 in einem Diagramm die Wirksamkeit des adiabatischen Elementes von Fig. 3, 4 und 5 in Abhängigkeit von seiner Dicke,

Fig. 9A eine Draufsicht auf ein Beispiel eines Schichtwiderstandes nach Fig. 3, 4 und 5,

Fig. 9B und 9C Querschnittsansichten längs der Linien B-B und C-C in Fig. 9A,

Fig. 10A eine Draufsicht auf ein weiteres Beispiel eines Schichtwiderstandes nach Fig. 3, 4 und 5,

Fig. 10B und 10C Querschnittsansichten längs der Linien B-B und C-C in Fig. 10A,

Fig. 11A eine Draufsicht auf ein weiteres Beispiel eines Schichtwiderstandes nach Fig. 3, 4 und 5,

Fig. 11B und 11C Querschnittsansichten längs der Linien B-B und C-C von Fig. 11A,

Fig. 12A eine Draufsicht auf ein viertes Aus führungsbeispiel der erfindungsgemäßen Strömungsmeßvorrichtung,

Fig. 12B und 12C Querschnittsansichten längs der Linien B-B und C-C in Fig. 12A,

Fig. 13A und 13B perspektivische Ansichten von Abwand lungsformen des Verbindungsteils des Schichtwiderstandes mit seiner Halteplatte gegenüber Fig. 6,

Fig. 13C eine Querschnittsansicht längs der Linie C-C in Fig. 13B,

Fig. 13D und 13E Abwandlungsformen von Fig. 13C,

Fig. 14 in seiner Seitenansicht ein fünftes Aus führungsbeispiel der erfindungsgemäßen Strömungsmeßvorrichtung,

Fig. 15 in einer Querschnittsansicht ein sechstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Strömungsmeßvorrichtung und

Fig. 16A, 16B, 17A und 17B Zeitdiagramme zur Erläuterung der Wirkung der erfindungsgemäßen Ausbildung.

In Fig. 1, die den Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine mit einer Luftströmungsmeßvorrichtung zeigt, ist eine Maschine 1 mit Funkenzündung zum Antreiben eines Kraftfahrzeuges angedeutet, in die Luft zur Verbrennung über ein Luftfilter 2, ein Richtgitter 3, das den Luftstrom gleichmäßig macht, und einen Luftansaugkanal 4 eingesaugt wird. Im Luftansaugkanal 4 ist ein Drosselventil 5 vorgesehen, das willkürlich vom Fahrer betätigt werden kann. Die Strömungsmeßvorrichtung ist im Luftansaugkanal 4 zwischen dem Richtgitter 3 und dem Drosselventil 5 vorgesehen.

Die Strömungsmeßvorrichtung weist einen Sensorteil im Inneren des Luftansaugkanals 4 und eine Sensorschaltung 10 außerhalb des Luftansaugkanals 4 auf. Der Sensorteil umfaßt ein Meßrohr oder eine Meßleitung 6, die über einen Steg 7 am Luftansaugkanal 4 fest angebracht ist. Ein Schichtwiderstand, d. h. ein Schichtwiderstandsmuster 8, und ein Temperatur kompensationswiderstand 9 zum Aufnehmen der Temperatur der nicht erwärmten Luft sind beide im Inneren der Leitung 6 vorgesehen. Der Temperaturkompensationswiderstand 9 wird jedoch im wesentlichen nicht durch die Wärme beeinflußt, die vom Schichtwiderstand 8 erzeugt wird. Der Schichtwiderstand 8 und der Temperaturkompensationswiderstand 9 sind mit der Sensorschaltung 10 verbunden, die auf einer Hybridplatte an gebracht ist.

Die Sensorschaltung 10 regelt den Strom, der im Schicht widerstand 8 fließt, derart, daß so viel Wärme erzeugt wird, daß sich ein konstanter Temperaturunterschied zwischen dem Schichtwiderstand 8 und dem Temperaturkompensationswiderstand 9 einstellt. Die Sensorschaltung 10 erzeugt auch eine Aus gangsspannung V_Q, die sie auf eine Steuerschaltung 11 über trägt, die beispielsweise einen Mikrocomputer enthält. Die Steuerschaltung 11 empfängt gleichfalls verschiedene Arten von Detektorsignalen, beispielsweise ein nicht dargestelltes Signal Ne für die Drehzahl der Maschine, und ein Maschinen kühlmitteltemperatursignal THW und steuert das Ventilöff nungszeitintervall eines Kraftstoffeinspritzventils 12 und ähnlichem.

Die Sensorschaltung 10 von Fig. 1 wird im folgenden anhand von Fig. 2 beschrieben. Wie es in Fig. 2 dargestellt ist, umfaßt die Sensorschaltung 10 Widerstände 101 und 102, die zusammen mit dem Schichtwiderstand 8 und dem Temperaturkompen sationswiderstand 9 eine Brückenschaltung bilden, einen Komparator 103, einen Transistor 104, der durch den Komparator 103 angesteuert wird, und einen Impedanzwandler 105. Die Sensorschaltung 10 arbeitet in der folgenden Weise. Wenn die durch den Luftansaugkanal 4 strömende Luftmenge zunimmt, so daß die Temperatur des Schichtwiderstandes 8 abnimmt, der in diesem Fall ein Widerstandselement, beispielsweise ein Platin widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten ist, nimmt dessen Widerstandswert ab, so daß die folgende Bedingung erfüllt ist:

V₁ < V_R,

wobei V₁ das Potential am Knotenpunkt zwischen dem Widerstand 101 und dem Schichtwiderstand 8 bezeichnet, während V_R das Potential am Knotenpunkt zwischen dem Widerstand 102 und dem Temperaturkompensationswiderstand 9 ist. Das hat zur Folge, daß das Ausgangspotential des Komparators 103 abnimmt, wodurch die Leitfähigkeit des Transistors 104 zunimmt. Die durch den Schichtwiderstand 8 erzeugte Wärme nimmt daher zu, und gleichzeitig nimmt das Kollektorpotential des Transistors 104 zu, so daß auch die Ausgangsspannung V_Q des Impedanzwandlers 105 ansteigt.

Wenn im Gegensatz dazu die durch den Luftansaugkanal 4 strö mende Luftmenge abnimmt, so daß die Temperatur des Schicht widerstandes 8 zunimmt, nimmt sein Widerstandswert gleichfalls zu, so daß die folgende Bedingung erfüllt ist:

V₁ < V_R.

Das hat zur Folge, daß das Ausgangspotential des Komparators 103 ansteigt, wodurch die Leitfähigkeit des Transistors 104 abnimmt. Daher nimmt die vom Schichtwiderstand 8 erzeugte Wärme ab und fällt gleichzeitig das Kollektorpotential des Transistors 104 ab, so daß die Ausgangsspannung V_Q des Impedanzwandlers 105 gleichfalls abnimmt.

In dieser Weise erfolgt eine Regelung der Temperatur des Schichtwiderstandes 8 auf einen konstanten Temperaturunterschied zwischen dem Schichtwiderstand 8 und dem Temperaturkompensationswiderstand 9, der in diesem Fall die Temperatur der Umgebungsluft annimmt. Die Ausgangsspannung V_Q des Ausgangswandlers 105 gibt daher die Luftmenge an, die durch den Luftansaugkanal 4 strömt.

Wie es in Fig. 3 dargestellt ist, die ein erstes Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung zeigt, sind der Schichtwiderstand 8 und der Temperaturkompensationswiderstand 9 an - im folgenden stets als Halteplatten ausgebildeten - Halteelementen 21 und 22 jeweils befestigt, die parallel bezüglich des Luftstromes angeordnet sind. Der Schichtwiderstand 8 ist über adiabatische Elemente 23a und 23b am Halteelement 21 befestigt, wobei die adiabatischen Elemente als die Wärmeübertragung drosselnde Teile für den Schicht widerstand 8 dienen, der als elektrische Heizung sowie als Temperaturdetektoreinrichtung wirkt. Die adiabatischen Elemente 23a und 23b bestehen aus einem Material mit einer kleinen spezifischen Wärme und einer geringen Wärmeleitfähigkeit, wie beispielsweise aus einem keramischen Material, aus Polyimidharz, Quarz oder Glas, so daß sie dementsprechend auch als elektrisch isolierende Elemente dienen. Der Schichtwiderstand 8 und die Elektroden 21a und 21b, die am Halteelement 21 ausgebildet sind, sind daher elektrisch mit den elektrischen Leitungsdrähten 24a und 24b über eine Drahtverbindung verbunden. Die Elektroden, wie beispielsweise die Elektrode 21a, sind an die Halteelemente, beispielsweise das Halte element 21, über ein wärmebeständiges Klebemittel geklebt.

Das Halteelement 21 besteht weiterhin aus einem Metall, wie Aluminium oder Kupfer, mit großer Wärmeleit fähigkeit und kleiner spezifischer Wärme. Die vom Schichtwiderstand 8 über die adiabatischen Elemente 23a und 23b als die Wärmeübertragung drosselnde Teile auf das Halteelement 21 übertragene Wärme wird daher sofort an den Luftstrom abgeführt. Der größte Teil der Wärme, die vom Schichtwiderstand 8 erzeugt wird, wird vom Schichtwiderstand 8 selbst aufgrund des Vorhandenseins der adiabatischen Elemente 23a und 23b abgegeben, und nur ein geringer Teil der Wärme gelangt über die adiabatischen Elemente 23a und 23b zum Halteelement. Dieser Teil wird jedoch gleichfalls zum Luftstrom abgeführt. Die über die Leitung 6 und den Steg 7 zu anderen Teilen als dem Luftstrom übertragene Wärme ist daher merklich verringert.

Um die Übergangstemperaturcharakteristik des Systems des Schichtwiderstandes 8 mit dem des Systems des Temperatur kompensationswiderstandes 9 konform zu machen, haben der Schichtwiderstand 8 und der Temperaturkompensationswiderstand 9 das gleiche Substratmaterial, die gleiche Wärmekapazität und die gleichen Abmessungen, und sind diese Widerstände nach demselben Verfahren mit adiabatischem Material an den Halteelementen 21 und 22 befestigt, die einander gleich sind. Wenn die Übergangstemperaturcharakteristik des Systems des Schichtwiderstandes 8 von der des Systems des Temperaturkompensationswiderstandes 9 verschieden wäre, würde der Abgleich der Brückenschaltung von Fig. 2 zerstört, wodurch ein Fehler in der Aufnahme des gemessenen Durchsatzes hervorgerufen würde.

Da in der in Fig. 3 dargestellten Weise der Schichtwiderstand 8 und der Temperaturkompensationswiderstand 9 auf getrennten Substraten und im Abstand voneinander vorgesehen sind, hat darüber hinaus die vom Schichtwiderstand 8 erzeugte Wärme einen geringen Einfluß auf den Temperaturkompensationswiderstand 9.

In Fig. 4, in der ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, sind zusätzlich zu den Bauelementen von Fig. 3 Öffnungen zum Abstrahlen der Wärme vorgesehen. Die Wärmeabgabecharakteristik der Halteelemente 21 ist daher weiter verbessert, was zur Folge hat, daß die vom Schichtwiderstand 8 über die adiabatischen Elemente 23a und 23b als die Wärmeübertragung drosselnde Teile zum Halteelement 21 übertragene Wärme sofort in den Luftstrom abgestrahlt wird. Die über die Leitung 6 und den Steg 7 zu anderen Teilen als dem Luftstrom übertragene Wärme ist weiterhin merklich verringert.

Um die Übergangstemperaturcharakteristik des Systems des Schichtwiderstandes 8 mit der des Systems des temperatur abhängigen Widerstandes 9 konform zu machen, ist die gleiche Anzahl von Wärmeabgabeöffnungen 25 auch an denselben Teilen des Halteelementes 22 vorgesehen, das den Temperaturkompen sationswiderstand 9 trägt.

Fig. 5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem Wärmeabstrahlrippen 26 zusätzlich zu den Bauelementen von Fig. 3 vorgesehen sind. Die Wärmeabgabecharakteristik des Halteelementes 21 ist weiter verbessert, was zur Folge hat, daß die vom Schichtwiderstand 8 über die adiabatischen Elemente 23a und 23b als die Wärmeübertragung drosselnde Teile auf das Halteelement 21 übertragene Wärme sofort in den Luftstrom abgestrahlt wird. Die über die Leitung 6 und den Steg 7 zu anderen Teilen als dem Luftstrom übertragene Wärme ist somit weiter merklich verringert.

Um die Übergangstemperaturcharakteristik des Systems des Schichtwiderstandes 8 mit dem des Systems des Temperatur kompensationswiderstandes 9 konform zu machen, ist die gleiche Anzahl von Wärmeabstrahlrippen, die nicht dargestellt sind, auch an symmetrischen Teilen des Halteelementes 22 vorgesehen, das den Temperaturkompensationswiderstand 9 trägt.

Das in Fig. 4 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel und das in Fig. 5 dargestellte dritte Ausführungsbeispiel können kom biniert bei einer Strömungsmeßvorrichtung vorgesehen sein. Das heißt mit anderen Worten, daß zur Verbesserung der Wärme abgabecharakteristik der Halteelemente sowohl die Wärmeabgabe öffnungen als auch die Wärmeabstrahlrippen in den Halteelementen vorgesehen sein können.

Fig. 6 zeigt eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht des Schichtwiderstandes 8 und des Halteelementes 21 von Fig. 3, und Fig. 7 zeigt eine Teilquerschnittsansicht zur Erläuterung der Art der Verbindung des Schichtwiderstandes 8 mit dem Halte element 21 von Fig. 3. Wie es in Fig. 6 dargestellt ist, sind Positionierungslöcher 23a′ und 23b′ für die adiabatischen Ele mente 23a und 23b vorher im Halteelement 21 aus Aluminium oder Kupfer ausgebildet und wird in der in Fig. 7 dargestellten Weise ein Klebstoff 27 auf beide Außenflächen der adiabatischen Elemente 23a, 23b aufgebracht, so daß der Schichtwiderstand 8 am Halteelement 21 befestigt wird. Wie es gleichfalls in Fig. 6 dargestellt ist, sind auf der Unterfläche der Elektroden 21a und 21b Isolierschichten 21a′ und 21b′, beispiels weise aus einem Polyimidharz, vorgesehen, so daß die Elektroden elektrisch gegenüber dem Halteelement 21 isoliert sind, und sind in der in Fig. 7 dargestellten Weise die Elektroden 21a, 21b durch Klebstoff 27′ am Halteelement 21 befestigt.

Die Klebstoffe 27 und 27′ bestehen aus einem wärme beständigen Harz.

Fig. 8 zeigt in einem Diagramm die Ansprech geschwindigkeit des Strömungsmessers in Abhängigkeit von der Stärke der adiabatischen Elemente. Der adiabatische Wirkungsgrad der adiabatischen Elemente 23a und 23b soll ja grundsätzlich erhöht und ihre Wärmemasse herabgesetzt werden. Im Hinblick darauf sind in der oben beschriebenen Weise die adiabatischen Elemente unter Verwendung eines Materials, wie beispielsweise eines Polyimidharzes, oder eines ähnlichen Materials ausgebildet, das eine geringe Wärmeleit fähigkeit und eine kleine spezifische Wärme hat. Die Stärke der adiabatischen Elemente ist gleichfalls ein wichtiger Para meter. So nimmt mit zunehmender Stärke der adiabatischen Elemente 23a und 23b die aufzuheizende Masse zu, wodurch das charakteristische Ansprechvermögen beeinträchtigt wird, obwohl der adiabatische Wirkungsgrad zunimmt. Wenn im Gegensatz dazu die Stärke der adiabatischen Elemente 23a und 23b abnimmt, nimmt der adiabatische Wirkungsgrad ab, wodurch das charakteristische Ansprechvermögen beeinträchtigt wird, obwohl die aufzuheizende Masse abnimmt. Wie es in Fig. 8 dargestellt ist, liegt bei adiabatischen Elementen 23a und 23b aus einem Polyamidharz die bevorzugte Stärke im Bereich von 50 bis 60 µm.

Im folgenden wird anhand der Fig. 9A bis 9C der in Fig. 3 bis 5 dargestellte Schichtwiderstand beschrieben. Die Fig. 9B und 9C zeigen Querschnittsansichten längs der Linien B-B und C-C von Fig. 9A. Wie es in Fig. 9A dargestellt ist, ist eine Isolierschicht, beispielsweise aus Siliziumdioxid SiO₂, was nicht dargestellt ist, auf ein einkristallines Siliziumsubstrat 81 aufgedampft und geätzt, das eine Stärke von 200 bis 400 µm hat, um dadurch ein Schichtwiderstandsmuster 82 zu er halten, das einen Teil 82a aufweist, der von einer gestrichelten Linie umgeben ist und als Heiz- und Temperaturdetektorteil dient. Die Stärke des Siliziumsubstrates 81 am Heiz- und Temperaturdetektorteil 82a ist sehr gering, wie es in Fig. 9B und 9C dargestellt ist, um dadurch die Heizmasse zu verringern.

Obwohl bei den Ausführungsbeispielen von Fig. 3 bis 5 die Drosselung der Wärmeübertragung durch die adiabatischen Elemente 23a und 23b erfolgt, kann zusätzlich die Breite des Substrates des Schichtwiderstandes 8 stellenweise verringert werden. Beispiele dafür sind in den Fig. 10A bis 10C und 11A bis 11C dar gestellt.

Fig. 10A zeigt ein weiteres Beispiel des Schichtwiderstandes 8, und die Fig. 10B und 10C zeigen Querschnittsansichten längs der Linie B-B und C-C in Fig. 10A. Wie es in Fig. 10A dargestellt ist, ist eine Isolierschicht, beispielsweise aus SiO₂, was nicht dargestellt ist, auf ein einkristallines Siliziumsubstrat 81′aufgedampft und geätzt, um dadurch ein Schichtwiderstandsmuster 82′ zu erhalten, das einen Teil 82′a aufweist, der von einer gestrichelten Linie umgeben ist und als Heiz- und Temperaturdetektorteil dient.

Auf den Seiten des Heiz- und Temperaturdetektorteils 82′a befinden sich Öffnungen 83′a und 83′b, um dadurch die Wärme übertragung auf den Heiz- und Temperaturdetektorteil 82′a zu drosseln und dessen adiabatischen Wirkungsgrad damit zu erhöhen. Die Stärke des Siliziumsubstrates 81′ am Heiz- und Temperaturdetektorteil 82′a ist sehr gering, wie es in den Fig. 10B und 10C dargestellt ist, um dadurch die Heizmasse herabzusetzen. Eine Falle 81′a dient dazu, schwebende Teilchen oder ähnliches einzufangen.

Fig. 11A zeigt noch ein Beispiel des Schichtwiderstandes 8, und die Fig. 11B und 11C zeigen Querschnittsansichten längs der Linie B-B und C-C in Fig. 11A. Auch bei dem in Fig. 11A bis 11C dargestellten Ausführungsbeispiel ist auf einem einkristallinen Siliziumsubstrat 81′′ ein Schicht widerstand 82′′ durch Aufdampfen und Ätzen einer Isolierschicht, beispielsweise aus SiO₂, was nicht dargestellt ist, ausgebildet, und dient der Teil 82′′a, der von einer gestrichelten Linie umgeben ist, als Heiz- und Temperaturdetektorteil.

Die Substratteile 81′′a und 81′′b auf den Seiten des Heiz- und Temperaturdetektorteils 82′′a sind, verglichen mit dem Teil 82′′a schmaler, so daß die Wärmeübertragung gedrosselt ist, um dadurch den adiabatischen Wirkungsgrad des Heiz- und Temperatur detektorteils 82′′a zu erhöhen. In derselben Weise, wie es in den Fig. 10A bis 10C dargestellt ist, ist die Stärke des Siliziumsubstrats 81′′ am Heiz- und Temperaturdetektorteil 82′′a sehr gering, wie es in Fig. 11B und 11C dargestellt ist, um dadurch dessen Heizmasse herabzusetzen.

Wie es in den Fig. 12A, 12B und 12C dargestellt ist, die ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigen, ist der Schichtwiderstand 8 an einem Halteelement 21′ mit guter Wärme abstrahl- oder -abgabecharakteristik befestigt, das Öffnungen 21′c und 21′d zum Drosseln der Wärmeübertragung aufweist. Auch in diesem Fall erfolgt die Drosselung der Wärmeübertragung durch adiabatische Elemente, gegebenenfalls zusätzlich dadurch, daß die Breite des Substrates stellenweise herabgesetzt ist. In derselben Weise, wie bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen, wird daher der größte Teil der vom Schichtwiderstand 8 er zeugten Wärme vom Schichtwiderstand 8 selbst in den Luftstrom abgegeben, und wird nur ein geringer Teil davon über die adiabatischen Elemente auf das Halteelement 21′ übertragen. Dieser Teil wird jedoch gleichfalls in den Luftstrom abgeführt. Da in diesem Fall die Drosselung der Wärmeübertragung auch am Halteelement 21′ erfolgt, ist die Wärme, die vom Schichtwiderstand 8 erzeugt und über die Leitung 6 und den Steg 7 auf andere Teile als den Luftstrom übertragen wird, weiter verringert. Es ist weiterhin ein Schutz 28 gegenüber einer Rückzündung vorgesehen.

Fig. 13A zeigt eine Abwandlungsform des Schichtwiderstandes 8 und seines Halteelementes, die in Fig. 6 dargestellt sind. Die Elektrode 21a ist in einer Aussparung vorgesehen, die im Halteelement 21 ausgebildet ist. Wenn in diesem Fall die Größe des adiabatischen Elementes 23a verringert wird, während in ausreichendem Maße die Haltekraft für den Schichtwiderstand 8 beibehalten wird, wird die aufzuheizende Masse des adiabatischen Elementes 23a verringert.

Wie es in Fig. 13B, die gleichfalls eine Abwandlungsform von Fig. 6 zeigt, und in Fig. 13C dargestellt ist, die eine Quer schnittsansicht längs der Linie C-C von Fig. 13B zeigt, sind zum Schutz des elektrischen Leitungsdrahtes 24a gegenüber einer Rückzündung oder ähnlichem und zur Vermeidung einer Verschmutzung eine Abdeckung 31 und ein Formharz 32 zusätzlich zu den Bauelementen von Fig. 13A vorgesehen.

Der Zusammenbau der Teile, die in Fig. 13B und 13C dargestellt sind, erfolgt in der folgenden Weise: Der Schichtwiderstand 8 wird durch das adiabatische Element 23a, das mit Klebstoff be schichtet ist, am Halteelement 21 befestigt. Dann wird der Draht 24a durch eine Drahtverbindungstechnik oder durch Kleben angebracht. Nach dem Aufbringen des Formharzes 32 auf das Halteelement 21 wird die Schutzabdeckung 31 aufgesetzt, wo durch der Zusammenbau der Teile abgeschlossen wird, die in den Fig. 13B und 13C dargestellt sind.

Wie es in Fig. 13D dargestellt ist, die eine Abwandlungsform von Fig. 13C zeigt, weisen das Halteelement 21 und die Ab deckung 31 umgebogene Ränder 21e und 31a an ihren Enden auf, um dadurch einen Schutz des elektrischen Leitungsdrahtes 24a gegenüber einer Rückzündung zu bewirken und eine Verschmutzung des Drahtes 24a durch Ablagerungen zu verhindern.

Wie es in Fig. 13E dargestellt ist, die eine Abwandlungsform von Fig. 13D zeigt, ist der Schichtwiderstand 8 über zwei adiabatische Elemente 33a und 33b an der Abdeckung 31 sowie am Halteelement 21 befestigt, um dadurch einen weiteren Schutz des elektrischen Leitungsdrahtes 24a gegenüber einer Rückzündung zu bewirken, und zu verhindern, daß der Leitungsdraht 24a durch Ablagerungen verschmutzt wird.

Wie es in Fig. 14 dargestellt ist, die ein fünftes Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung zeigt, ist der Schichtwiderstand 8 in der Nähe des Temperaturkompensationswiderstandes 9 vor gesehen, und ist der Temperaturkompensationswiderstand 9 stromaufwärts vom Schichtwiderstand 8 angeordnet. Der Schichtwiderstand 8 und der Temperaturkompensationswiderstand 9 sind auf dasselbe Halteelement 21′′ aufgebracht, so daß das System des Schichtwiderstandes 8 und das System des Temperaturkompensationswiderstandes 9 die gleiche Wärme kapazität haben und dementsprechend die Übergangstemperatur charakteristik des Systems des Schichtwiderstandes 8 gleich der des Systems des Temperaturkompensationswiderstandes 9 ist. Das hat zur Folge, daß Schwankungen im Temperaturunterschied zwischen dem Schichtwiderstand 8 und dem Temperaturkompen sationswiderstand 9 während eines Übergangszustandes sehr gering sind, und dementsprechend der Fehler in dem gemessenen Durchsatz klein ist.

Da gemäß Fig. 14 der Temperaturkompensationswiderstand 9 stromaufwärts vom Schichtwiderstand 8 vorgesehen ist, hat die vom Schichtwiderstand 8 erzeugte Wärme einen geringen Einfluß auf den Temperaturkompensationswiderstand 9.

Wie es in Fig. 15 dargestellt ist, die ein sechstes Aus führungsbeispiel der Erfindung zeigt, ist nur ein Halteelement 21′′ vorgesehen und sind der Schichtwiderstand 8 und der Tem peraturkompensationswiderstand 9 jeweils auf der Vorder- und der Rückseite des Halteelementes 21′′ vorgesehen. Das hat zur Folge, daß das System des Schichtwiderstandes 8 und das System des Temperaturkompensationswiderstandes 9 die gleiche Wärmekapazität haben, und dementsprechend die Übergangstemperatur charakteristik des Systems des Schichtwiderstandes 8 gleich der des Systems des Temperaturkompensationswiderstandes 9 ist. Das hat zur Folge, daß die Schwankungen im Temperaturunterschied zwischen dem Schichtwiderstand 8 und dem Temperaturkompensationswiderstand 9 während eines Über gangszustandes gleichfalls gering sind, und dementsprechend der Fehler im gemessenen Durchsatz klein ist.

Da in der in Fig. 15 dargestellten Weise der Schichtwiderstand 8 und der Temperaturkompensationswiderstand 9 auf einander gegenüberliegenden Seiten vorgesehen sind, hat weiterhin die durch den Schichtwiderstand 8 erzeugte Wärme einen geringen Einfluß auf den Temperaturkompensationswiderstand.

Wenn in bekannter Weise der Schichtwiderstand 8 und der Tem peraturkompensationswiderstand 9 an völlig verschiedenen Stellen angeordnet sind, ist die Änderung der Temperatur T₁ des Schichtwiderstandes 8 von der Änderung der Temperatur des Temperaturkompensationswiderstandes 9 verschieden, wenn sich die Umgebungstemperatur Ta ändert, wie es in den Fig. 16A und 16B dargestellt ist. Fig. 16A zeigt den Fall, bei dem kein Strom dem Schichtwiderstand 8 geliefert wird. Das heißt, daß beim Anstieg der Umgebungstemperatur Ta die Temperatur T₁ des Schichtwiderstandes 8, verglichen mit der Temperatur T₂ des Temperaturkompensationswiderstandes 9 schnell ansteigt, so daß die durch den Schichtwiderstand 8 erzeugte Wärme ab nimmt. Um daher einen definierten Unterschied in der Temperatur zu erhalten, wird die Ausgangsspannung V_Q um ΔV₁ verringert, wie es in Fig. 16B dargestellt ist. Andererseits fällt beim Abfall der Umgebungstemperatur Ta die Temperatur T₁ des Schichtwiderstandes 8, verglichen mit der Temperatur T₂ des Temperaturkompensationswiderstandes 9 schnell ab, so daß die durch den Schichtwiderstand 8 erzeugte Wärme zunimmt. Um daher einen definierten Temperaturunterschied zu erhalten, wird die Ausgangsspannung V_Q um ΔV₂ erhöht, wie es in Fig. 16B dar gestellt ist. Gemäß der Erfindung ist im Gegensatz dazu die Temperaturänderung beim Schichtwiderstand 8 und beim Tempe raturkompensationswiderstand 9 gleich, wie es in Fig. 17A dargestellt ist, so daß kein Fehler in der Ausgangsspannung V_Q erzeugt wird, wie es in Fig. 17B dargestellt ist.

Obwohl bisher ein Widerstandsmuster als Heiz- und Temperaturdetektorteil auf einem einkristallinen Siliziumsubstrat ausgebildet war, kann auch ein Diffusionswiderstand im einkristallinen Siliziumsubstrat ausgebildet werden. Es kann auch ein korrosionsfestes Metall für die oben erwähnte Elektroden 21a, 21b und als elektrischer Leitungsdraht 24a, 24b verwendet werden. Beispielsweise können für die Elektroden Au, Pt oder ein ähnliches Material verwendet werden, und kann für den elektrischen Leitungsdraht Au verwendet werden. Obwohl bisher beide Enden des Schichtwiderstandes oder des Temperaturkompen sationswiderstandes vom gleichen Halteelement gehalten sind, kann auch nur ein Ende davon gehalten sein, und kann jedes andere Ende von separaten Halteelementen gehalten sein. Die erfindungsgemäße Ausbildung kann auch bei anderen Strömungsmessern als Luftströmungsmessern, beispielsweise bei Flüssigkeitsströmungsmessern, angewandt werden.

Die erfindungsgemäße Ausbildung kann auch bei digitalen oder Impuls-Strömungsmessern angewandt werden, bei denen ein Auslöseimpuls dazu gegeben wird, um mit dem Heizen eines Heizwiderstandes zu beginnen. Dann wird das Heizen des Heizwiderstandes fortgesetzt, bis ein konstanter Tem peraturunterschied zwischen zwei temperaturabhängigen Widerständen erzielt ist, oder bis der stromabwärts liegende temperatur abhängige Widerstand einen konstanten Temperaturwert erreicht. In diesem Fall wird das Heizzeitintervall als Luft mengendurchsatz oder als Luftvolumendurchsatz aufgenommen. Eine derartige Auslöseimpulssteuerung hat den Vorteil eines geringen Leistungsverlustes.

Eine derartige Auslöseimpulssteuerung ist auch bei einem direkt beheizten Strömungsmesser möglich.

Claims

1. Direkt beheizte Strömungsmeßvorrichtung zum Messen des Strö mungsdurchsatzes durch einen Kanal, mit einem ebenen Substrat und einem darauf ausgebildeten temperaturempfindlichen Schichtwiderstand, mit dem eine Regeleinrichtung verbunden ist, um die durch den Schichtwiderstand erzeugte Wärme zu regeln, dadurch gekennzeichnet,
daß das Substrat (81) aus einkristallinem Silizium gebildet ist,
das Substrat (81) an einer Halteplatte (21) gehaltert ist, die ihrerseits an der Kanalwandung befestigt ist und in den Kanal (4) ragend eine gute Wärmeabgabecharakteristik aufweist, und daß die Halterung des Substrats (81) an der Halteplatte (21) durch wenigstens ein adiabatisches Element (23) zwischen Substrat (81) und der Halteplatte (21) erfolgt, wobei der Querschnitt des adiabatischen Elementes (23) kleiner ist als die einander überlappenden Bereiche des Substrats (81) und der Halteplatte (21) im Halterungsbereich.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Öffnungen zum Abstrahlen von Wärme in der Halteplatte (21) ausgebildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Rippen zum Abstrahlen von Wärme an der Halteplatte (21) vorgesehen sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteplatte aus einem Material mit einer großen Wärmeleitfähigkeit und einer kleinen spezifischen Wärme besteht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Material ein Metall ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Aluminium oder Kupfer ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß neben dem adiabatischen Element (23) das Substrat (81) und die Halteplatte (21) über einen elektrischen Lei tungsdraht (24a) verbunden sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Mittel (31) zum Abdecken der elektrischen Leitungsdrähte.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckmittel (31) wenigstens einen umgebogenen Rand (31a) aufweisen, um den elektrischen Leitungsdraht zu schützen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch ein weiteres adiabatisches Element (33a), das zwischen der Abdeck einrichtung (31) und dem Substrat (81) angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das adiabatische Element (33b) am Rand der Halteplatte (21) angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß adiabatische Element aus einem Material mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit und einer kleinen spezifischen Wärme besteht.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Material Polyimidharz, ein keramisches Material, Glas oder Quarz ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Material ein Polyimidharz ist, und daß das Polyimidharz eine Stärke von 50 bis 60 µm hat.

15. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (81) zwischen dem Heizteil des Schicht widerstandsmusters und seiner Halterungsstelle an der Halteplatte (21) eine verringerte Breite aufweist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Öffnung (83a, 83b) im Substrat (81) seitlich des Schichtwiderstandsmusters vorgesehen ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein schmalerer Bereich des Substrates wenigstens auf einer Seite des Schichtwiderstandsmusters vorgesehen ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß zur gedrosselten Wärmeübertragung in der Halteplatte dort ein Wärmekanal mit geringerer Breite vorgesehen ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Öffnung in der Halteplatte vorgesehen ist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Schichtwiderstandsmuster als Diffusionswiderstand im einkristallinen Silizium ausgebildet ist.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, gekennzeichnet durch einen Temperaturkompensationswiderstand (9) zum Aufnehmen der Temperatur des nicht erwärmten Fluides im Fluidstrom, wobei der Temperaturkompensationswiderstand (9) im wesentlichen durch die Wärme unbeeinflußt ist, die vom beheizten Schichtwiderstand erzeugt wird.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturkompensationswiderstand (9) die gleiche Form und/oder Aufbau wie der beheizte Schichtwiderstand hat, und daß der Temperaturkompensationswiderstand zum beheizten Schichtwiderstand bezüglich des Fluidstromes symmetrisch ist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß den Temperaturkompensationswiderstand (9) eine Halte einrichtung trägt, die von der des beheizten Schichtwiderstands verschieden ist.

24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat des Temperaturkompensationswiderstands (9) und das des beheizten Schichtwiderstands auf den jeweiligen Halteeinrichtungen auf der zur Kanalwandung gewandten, äußeren Seite angeordnet sind.

25. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß den Temperaturkompensationswiderstand (9) die gleiche Halteplatte wie für den beheizten Schichtwiderstand trägt.

26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat des Temperaturkompensationswiderstands (9) und das des beheizten Schichtwiderstands an der Vorderseite und der Rückseite der gemeinsamen Halteplatte angeordnet sind.

27. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturkompensationswiderstand (9) die gleiche Form und/oder Aufbau wie der beheizte Schichtwiderstand hat und der Temperaturkompensationswiderstand stromaufwärts von dem beheizten Schichtwiderstand angeordnet ist.

28. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß den Temperaturkompensationswiderstand die gleiche Halteplatte wie für den beheizten Schichtwiderstand trägt.