DE19839259A1 - Meßfühler - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abfühlvorrichtung zum Erfassen einer Strömungsmenge, bei der eine erste Oberfläche (O1) mit einer zweiten Oberfläche (O2) einen spitzen Winkel (alpha) ausbildet, so daß eine zu erfassende Strömung (6) in dem Bereich des Abfühlelements (1) im wesentlichen turbulenzfrei ist. Ein diese Abfühlvorrichtung verwendender Meßfühler besitzt ferner einen Stromlinienkörper (10), der in einem vorbestimmten Abstand von der Abfühlvorrichtung (1) derart angeordnet ist, daß über dem Abfühlelement (1) eine laminare Strömung ausgebildet wird. Dadurch wird das Ansprechverhalten des Meßfühlers verbessert.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Meßfühler und eine da­ zugehörige Abfühlvorrichtung zum Erfassen einer Strömungsmenge, und insbesondere auf einen in Kraftfahrzeugen zu verwendenden Meßfühler mit dazugehöriger Abfühlvorrichtung zum Erfassen eines Luftmengen­ stroms.

In Kraftfahrzeugen werden zur optimalen Einstellung ihrer Verbren­ nungsmotoren zunehmend Meßgeräte zum Erfassen eines in den Ver­ brennungsmotor strömenden Luftmengenstroms eingesetzt. Anhand der erfaßten Information über den Luftmengenstrom kann daraufhin eine Motorsteuerung des Kraftfahrzeugs die Kraftstoffzufuhr derart steuern, daß der Schadstoffemissionspegel verringert, die Motorleistung erhöht und die Kraftstoffeinsparung verbessert wird.

Insbesondere bei Vierzylindermotoren treten während Absaug- und Aus­ laßhüben bidirektionale Luftimpulse in den Ansaugleitungen auf, die zu Meßungenauigkeiten und Steuerfehlern in der Motorsteuerung führen können. Es wurde daher versucht die Meßfühler derart zu verbessern, daß Meßfehler bei der Erfassung eines derartigen Luftmengenstroms weitge­ hend ausgeschlossen sind.

Fig. 5 zeigt eine schematische und nicht maßstäbliche Querschnittsan­ sicht eines Abfühlelements, wie es in Meßfühlern zum Erfassen eines bidi­ rektionalen Luftmengenstroms verwendet wird. Derartige herkömmliche Meßfühler sind beispielsweise aus der DE 196 36 095 A1 bekannt.

Das Abfühlelement 1 ist hierbei mit einem Halbleitersubstrat 2 ausgebil­ det und weist eine Heizvorrichtung 4 und zwei temperatürempfindliche Widerstände bzw. Thermistoren 3, 5 auf, die sich im gleichen Abstand stromaufwärts und stromabwärts von der Heizvorrichtung 4 befinden. Unter strömungsfreien Bedingungen werden die Thermistoren 3 und 5 von der Heizvorrichtung 4 gleichermaßen erwärmt, was von einer nicht darge­ stellten Meßvorrichtung erfaßt werden kann. Strömt jedoch ein Luftstrom 6 über das Abfühlelement 1, d. h. die Thermistoren 3, 5 und die Heizvor­ richtung 4, so wird dadurch die Wärmeausbreitung beeinflußt. Genauer gesagt besitzt der Thermistor 5 eine höhere Temperatur als der Thermistor 3, was durch die Meßvorrichtung als Widerstandsänderung erfaßt werden kann. In gleicher Weise besitzt der Thermistor 3 eine höhere Temperatur als der Thermistor 5, wenn ein umgekehrter Luftstrom über das Abfühle­ lement 1 strömt.

In der DE 196 36 095 Al wird zur Verringerung von Turbulenzen die Ver­ wendung eines Stromlinienkörpers 10 vorgeschlagen, der dem Abfühlele­ ment 1 gegenüberliegend angeordnet ist. Hierbei erzeugt die vordere Stirn- Oberfläche O2V des Trägersubstrats 2, die an die Meßoberfläche O1 und an die untere Oberfläche O2U angrenzt, Turbulenzen 9 an der Strömungs- Meßoberfläche O1. Aufgrund der Anordnung des Stromlinienkörpers 10 in unmittelbarer Nähe der Abfühlvorrichtung erfolgt jedoch eine Umleitung des Luftstroms 6 zum Abfühlelement 1, wodurch in der Grenzschicht oberhalb des Abfühlelements 1 Strömungsstörungen bzw. Turbulenzen 9 eliminiert werden. Störendes Rauschen im Meßsignal kann dadurch wir­ kungsvoll verhindert werden.

Verringert man darüber hinaus den Abstand des Stromlinienkörpers 10 zum Abfühlelement 1, so vergrößert sich der Betrag des Meßsignals wäh­ rend störende Rauschsignale weiter verringert werden.

Nachteilig ist bei dem vorstehend beschriebenen Meßfühler jedoch, daß aufgrund der durch den verringerten Abstand hervorgerufenen Trägheits­ effekte das Ansprechverhalten des Meßfühlers beeinträchtigt wird. Ferner wird aufgrund der höheren Strömungsgeschwindigkeiten zwischen dem Stromlinienkörper und dem Abfühlelement die Leistungsfähigkeit des Meßfühlers beeinträchtigt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Abfühlvorrichtung und einen diese Abfühlvorrichtung verwendenden Meßfühler der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß das Ansprechverhalten und die Leistungsfähigkeit verbessert sind.

Hinsichtlich der Abfühlvorrichtung wird diese Aufgabe durch die Merk­ male des Patentanspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich des Meßfühlers wird die­ se Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 10 gelöst.

Insbesondere durch das Vorsehen von keilförmigen Anströmungsberei­ chen an der Abfühlvorrichtung, bei denen die Strömungs-Meßoberfläche mit einer zweiten Oberfläche einen spitzen Winkel ausbildet, kann ein Ab­ stand zwischen dem Stromlinienkörper und der Abfühlvorrichtung vergrö­ ßert werden, da sich eine im wesentlichen turbulenzfreie Strömung ober­ halb der Meßoberfläche einstellt, wodurch sich das Ansprechverhalten des Meßfühlers, insbesondere bei bidirektionalen Strömungen, stark verbes­ sert. Darüber hinaus kann weiterhin das Auftreten von Strömungsrau­ schen verhindert werden, da eine laminare Strömung über dem Abfühle­ lement vorherrscht.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Beschreibung, den Figuren und den Unteransprüchen beschrieben.

Vorzugsweise weist die Abfühlvorrichtung ein keramisches Trägersubstrat mit einer Aussparung auf, in die das aus einem Halbleiter bestehende Abfühlelement einpaßt ist. Die Verwendung eines derartigen keramischen Trägersubstrats verringert in besonderem Maße die Herstellungskosten für die Abfühlvorrichtung.

Alternativ kann jedoch die Abfühlvorrichtung ausschließlich aus einem Halbleitermaterial bestehen, das durch geeignete Mikrobearbeitung in die strömungsgünstige Form gebracht wird. Die Größe der Abfühlvorrichtung kann dadurch weiter verringert werden, wodurch sich die Meßeigenschaf­ ten weiter verbessern.

Grundsätzlich ist es vorteilhaft, wenn der Keilwinkel relativ spitz ist, d. h. nicht mehr als etwa 45° beträgt. Bei der Verwendung von Silizium als Trä­ gersubstrat kann es jedoch besonders vorteilhaft sein, einen Keilwinkel in der Größenordnung von etwa 57° vorzusehen. Ein solcher Winkel stellt sich beim Ätzen von Silizium aufgrund der Kristalleigenschaften automa­ tisch ein und führt in strömungstechnischer Hinsicht noch zu sehr guten Ergebnissen.

Vorzugsweise besitzt der Querschnitt der Abfühlvorrichtung in Strö­ mungsrichtung die Form eines Trapezes, Dreiecks, Kreis- oder Ellipsenab­ schnitts.

Vorzugsweise besitzt ein Meßfühler neben der vorstehend beschriebenen Abfühlvorrichtung einen stangenförmigen Stromlinienkörper, der in einem Abstand von der Abfühlvorrichtung derart angeordnet ist, daß bei mini­ malen Trägheitseffekten und Strömungsgeschwindigkeiten eine laminare Strömung über dem Abfühlelement ausgebildet wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von bevorzugten Ausführungs­ beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer Ab­ fühlvorrichtung gemäß einem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer Ab­ fühlvorrichtung gemäß einem zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer Ab­ fühlvorrichtung gemäß einem dritten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel,

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Meßfühleranordnung,

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Meßfühleranordnung gemäß dem Stand der Technik.

Fig. 1 zeigt eine vereinfachte und nicht maßstäbliche Darstellung eines Querschnitts einer Abfühlvorrichtung gemäß einem ersten erfindungsge­ mäßen Ausführungsbeispiel. Das Bezugszeichen 1 bezeichnet ein aus ei­ nem Halbleitermaterial ausgebildetes Abfühlelement, das eine Heizvor­ richtung 4 und zwei symmetrisch davon beabstandete temperaturemp­ findliche Widerstände 3, 5 aufweist. Das Abfühlelement kann jedoch auch anders aufgebaut sein, sofern es die Eigenschaft besitzt, irgendeine Fluidströmung hinsichtlich ihrer Menge zu erfassen.

Das Bezugszeichen 8 bezeichnet ein Trägersubstrat, welches an einer Oberfläche eine Aussparung aufweist, in die das Abfühlelement 1 derart eingepaßt ist, daß es mit der Oberfläche des Trägersubstrats 8 eine durchgehende ebene erste Oberfläche bzw. Strömungs-Meßoberfläche O1 bildet. Die erste Oberfläche. O1 dient hierbei als Meßoberfläche zum Erfas­ sen einer Strömung 6, die vorzugsweise ein Luftstrom aber auch ein an­ dersartiger Gas- oder Flüssigkeitsstrom sein kann.

Mit O2V ist eine zweite vordere Oberfläche, mit O2U eine zweite untere Oberfläche und mit O2H eine zweite hintere Oberfläche bezeichnet, die gemeinsam eine zweite Oberfläche O2 ausbilden. Die erste Oberfläche O1 und die zweite Oberfläche O2 bilden gemeinsam mit nicht dargestellten Seitenoberflächen einen hinsichtlich seines Querschnitts in Strömungs­ richtung trapezförmigen Körper, der sich in der Strömung 6 befindet und von dieser angeströmt wird. Hierbei bezeichnet das Bezugszeichen 11 ei­ nen Anströmungsbereich und das Bezugszeichen 13 einen Abströmungs­ bereich der Abfühlvorrichtung. Der Anströmungsbereich 11 definiert einen Bereich der Abfühlvorrichtung, der ausgehend vom Abfühlelement 1 in Richtung zur Strömung 6 zeigt und von dieser angeströmt wird, während der Abströmungsbereich 13 symmetrisch zum Abfühlelement 1 dem An­ strömungsbereich 11 gegenüberliegend angeordnet ist. Es versteht sich jedoch, daß die in Fig. 1 dargestellte Abfühlvorrichtung bidirektional ver­ wendbar ist.

Zur Vermeidung bzw. Verringerung von über dem Abfühlelement 1 auf­ tretenden Turbulenzen 9 ist der Anströmungsbereich 11 derart ausgebil­ det, daß die erste Oberfläche bzw. Strömungs-Meßoberfläche O1 einen spitzen Winkel α zur zweiten Oberfläche O2 ausbildet. Der Anströmungs­ bereich 11 besitzt demzufolge eine keilförmige Ausgestaltung, wodurch die ankommende Strömung 6 derart an der Abfühlvorrichtung aufgeteilt wird, daß über dem Abfühlelement 1 eine laminare Strömung vorherrscht. Auf diese Weise kann das Auftreten von Strömungsrauschen wirkungsvoll verhindert werden.

Zur Messung einer bidirektionalen Strömung, die in entgegengesetzten Richtungen über die Abfühlvorrichtung streicht, ist der Abströmungsbe­ reich 13 in gleicher Weise wie der Anströmungsbereich 11 ausgestaltet. Der Winkel α des keilförmigen An- und Abströmungsbereichs 11 und 13 wird hierbei so gewählt, daß in Abhängigkeit von den vorherrschenden Umgebungsbedingungen (Strömungsart, räumliche Besonderheiten im Strömungspfad, usw.) immer eine optimale laminare Strömung über dem Abfühlelement 1 vorherrscht. Vorzugsweise beträgt der Winkel α etwa zwi­ schen 30° und 40°.

Wie Fig. 1 zeigt, besitzt die Abfühlvorrichtung gemäß dem ersten Ausfüh­ rungsbeispiel in Strömungsrichtung gesehen einen trapezförmigen Quer­ schnitt, der symmetrisch ist. Der Winkel α des keilförmigen Anströ­ mungsbereichs 11 kann sich vom Winkel des keilförmigen Abströmungs­ bereichs 13 jedoch auch unterscheiden.

Die Fig. 2 und 3 zeigen eine schematische Darstellung eines Quer­ schnitts einer Abfühlvorrichtung gemäß einem zweiten und dritten erfin­ dungsgemäßen Ausführungsbeispiel. Hierbei besitzt gemäß Fig. 2 der Querschnitt der Abfühlvorrichtung in Strömungsrichtung die Form eines Dreiecks mit spitzen Keilwinkeln α an ihrem An- und Abströmungsbereich 11 und 13. Der Träger 8 bildet dabei eine entgegen der Strömungsrich­ tung weisende, rückwärtige Fläche O2V und eine in Strömungsrichtung weisende, rückwärtige Fläche O2H. Ferner kann gemäß Fig. 3 die zweite Oberfläche O2 der Abfühlvorrichtung die Form eines Kreis- und/oder El­ lipsenabschnitts aufweisen, wodurch sich ebenfalls eine gute Stromlini­ enform für die Abfühlvorrichtung ergibt. Auch ist die Form eines Kreisab­ schnittes möglich.

Alle Ausführungsbeispiele besitzen jedoch eine Gemeinsamkeit, wonach in einem angeströmten Bereich der Abfühlvorrichtung ihre erste Oberfläche O1 mit ihrer zweiten Oberfläche O2 einen spitzen Winkel α ausbildet. Die erste Oberfläche O1 dient hierbei als ebene Strömungs-Meßoberfläche und ist im wesentlichen parallel zur Strömung 6 angeordnet.

In den in den Fig. 1 und 2 beschriebenen Ausführungsbeispielen besteht die Abfühlvorrichtung aus dem Trägersubstrat 8 und einem darin einge­ betteten Halbleitermaterial, welches das Abfühlelement 1 aufweist. Da­ durch können die Herstellungskosten drastisch verringert werden, da eine getrennte Fertigung von Sensorelement und Trägerelement möglich ist. Vorzugsweise besteht das Trägersubstrat 8 aus einer Keramik, wodurch die keilförmige Ausgestaltung des An- und Abströmungsbereichs 11 und 13 besonders einfach und kostengünstig zu bewerkstelligen ist.

Wie Fig. 3 zeigt, kann die Abfühlvorrichtung jedoch auch einstückig aus einem Halbleitermaterial ausgebildet werden, wobei das Halbleitermaterial 8 sowohl die Funktion des Trägersubstrats als auch des Abfühlelements übernimmt. Das Ausbilden der keilförmigen An- und Abströmungsberei­ che 11 und 13 kann hierbei durch Ätzen und/oder Mikrobearbeitung er­ folgen. Auf diese Weise kann die Abfühlvorrichtung weiter miniaturisiert werden, wodurch sich insbesondere das Ansprechverhalten weiter verbes­ sert. Ferner entfällt bei dieser Lösung der Montageschritt für das Einfügen des Abfühlelements 1 in das Trägersubstrat 8, wodurch sich die Kosten weiter verringern.

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer Meßfühleranordnung, wobei die vorstehend in Fig. 1 beschriebene erfindungsgemäße Abfühlvor­ richtung verwendet ist.

In Fig. 4 befindet sich zur Beeinflussung der Strömung 6 ein Stromlinien­ körper 10 in der Nähe der Abfühlvorrichtung. Dadurch vergrößert sich wiederum der Betrag des vom Abfühlelement 1 abgegebenen Meßsignals, während sich das Signal/Rauschverhältnis in gleicher Weise verringert.

Durch das Vorsehen des Strömungskeils 11, 13 mit einer relativ scharfen Vorderkante entwickelt sich eine dünne und gut definierte Grenzschicht über dem Abfühlelement. Dies verringert das ansonsten auftretende und unerwünschte Strömungsrauschen, das im Bereich des Abfühlelementes selbst erzeugt wird, wenn sich Strömung abtrennt oder um die Vorder­ kante zirkuliert. Darüber hinaus ist eine derartige Meßfühleranordnung wesentlich unempfindlicher gegenüber zu erfassenden turbulenten Strö­ mungen, die beispielsweise durch eine (nicht dargestellte) Halterung, an der die Abfühlvorrichtung befestigt ist, oder andere stromaufwärts befind- liche Hindernisse hervorgerufen werden. Natürlich ist auch der in Fig. 4 dargestellte Sensor bidirektional betreibbar.

Der erfindungsgemäße keilförmige Sensorträger verringert aufgrund von Strömungsrauschen hervorgerufene Fehlmessungen und ermöglicht eine Optimierung der Sensoranordnung. Die Integration des keilförmigen An­ strömungsbereiches in ein Keramiksubstrat besitzt einige Vorteile gegen­ über einer mehrteiligen Lösung, bei der beispielsweise ein Kunststoffkeil an den Keramikträger angegossen oder angespritzt wird, obwohl auch derartige Ausführungsformen im Schutzbereich der Erindung liegen.

Die vorliegende Erfindung wurde vorstehend beispielhaft für eine Abfühl­ vorrichtung und eine dazugehörige Meßfühleranordnung beschrieben, wie sie zur Erfassung von Luftströmen in Kraftfahrzeugen verwendet wird. Sie ist jedoch nicht darauf beschränkt und kann in gleicher Weise für Abfühl­ vorrichtungen und dazugehörige Meßfühleranordnungen verwendet wer­ den, die Gas- oder Flüssigkeitsströme erfassen.

Claims (11)

1. Abfühlvorrichtung zum Erfassen einer Strömungsmenge mit:
einer ersten Oberfläche (O1) mit einem Abfühlelement (1), die sich im wesentlichen entlang der zu erfassenden Strömung (6) erstreckt; und
einer zweiten Oberfläche (O2), die das Abfühlelement (1) seitlich und/oder rückseitig umgibt,
gekennzeichnet durch zumindest einen Anströmungsbereich (11, 13), in dem die erste Oberfläche (O1) mit der zweiten Oberfläche (O2) einen spitzen Win­ kel (α) ausbildet.

2. Abfühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem Trägersubstrat (8) mit einer Aussparung in der ersten Oberfläche (O1) und einem das Abfühlelement (1) aufweisenden Halbleitermaterial besteht, wobei das Halbleitermaterial derart in die Aussparung eingepaßt ist, daß es gemeinsam mit dem Träger­ substrat (8) die erste Oberfläche (O1) ausbildet.

3. Abfühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abfühlelement an einem Trägersubstrat (8) aus Keramik befe­ stigt ist.

4. Abfühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einstückig aus einem das Abfühlelement aufweisenden Halblei­ termaterial (8) ausgebildet ist.

5. Abfühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Abfühlelement (1) eine Heizvorrichtung (4) und zwei symme­ trisch dazu in Strömungsrichtung angeordnete temperaturempfind­ liche Widerstände (3, 5) aufweist.

6. Abfühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß diese einen keilförmigen Anströmungsbereich (11, 13) aufweist, wo­ bei der Keilwinkel (α) vorzugsweise nicht größer als 45°, insbesonde­ re nicht größer als 35° ist.

7. Abfühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis S. dadurch gekennzeichnet, daß diese einen keilförmigen Anströmungsbereich (11, 13) aufweist, wo­ bei der Keilwinkel (α) etwa 57° beträgt.

8. Abfühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ihr Querschnitt in Strömungsrichtung im wesentlichen die Form ei­ nes Trapezes oder eines Dreiecks aufweist.

9. Abfühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Oberfläche (O2) im wesentlichen die Form eines Ellipsen­ abschnitts aufweist.

10. Abfühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Anströmungsbereiche (11, 13) vorgesehen sind, wobei die Ab­ fühlvorrichtung vorzugsweise symmetrisch ausgebildet ist.

11. Meßfühler mit einer Abfühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch einen Stromlinienkörper (10) mit einer bezüglich der Abfühlvor­ richtung konvexen, gekrümmten Oberfläche, die der ersten Oberflä­ che (O1) zugewandt und in einem vorbestimmten Abstand von der Abfühlvorrichtung (1) derart angeordnet ist, daß über dem Abfühle­ lement (1) eine weitgehend laminare Strömung ausgebildet wird. 12. Meßfühler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromlinienkörper (10) eine zylindrische Stange ist.