DE19836547C2

DE19836547C2 - Bidirektionale Erfassungsvorrichtung für eine Luftströmung

Info

Publication number: DE19836547C2
Application number: DE19836547A
Authority: DE
Inventors: Michel Farid Sultan; Michael James O'rourke; Charles Robert Harrington; Antonio Buddy Catalan
Original assignee: General Motors Corp
Current assignee: Delphi Technologies Inc
Priority date: 1997-08-28
Filing date: 1998-08-12
Publication date: 2003-07-17
Anticipated expiration: 2018-08-13
Also published as: DE19836547A1; US6131453A; US5827960A

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 R_a und R_b 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 R_a und R_b 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 V_out 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 r_amb1 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 V_out einem Operationsverstärker 64 über einen Widerstand r_b2 zugeführt, wobei ein temperaturempfindlicher Wi derstand r_amb2 als der Rückkopplungswiderstand angeschlossen ist und eine Verstärkung von r_amb2(T)/r_b2 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

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.

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.

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.