DE3516794C2

DE3516794C2 - Direkt beheizte Gasströmungsmeßvorrichtung

Info

Publication number: DE3516794C2
Application number: DE3516794A
Authority: DE
Inventors: Minoru Ohta; Kazuhiko Miura; Seizi Huzino; Kenji Kanehara; Tadashi Hattori
Original assignee: Nippon Soken Inc
Current assignee: Soken Inc
Priority date: 1984-05-09
Filing date: 1985-05-09
Publication date: 1995-01-26
Anticipated expiration: 2005-05-10
Also published as: JPS60236024A; US4735099A; DE3516794A1

Description

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

Eine Gasströmungsmeßvorrichtung dieser Art ist aus DE 32 08 096 A1 bekannt, wobei auf einem gemeinsamen Träger vier Schichtwiderstände angeordnet sind, von denen zwei Widerstände temperaturabhängig sind. Diese vier Widerstände bilden eine Meßbrücke, die durch einen Regler angesteuert wird, der eine Abkühlung der Widerstände durch ein vorbeiströmendes Medium nachregelt. Der Träger ist an seinem unteren und oberen Rand jeweils mit vier Aussparungen versehen, so daß nur ein geringer Flächenkontakt zu den Gehäuseteilen besteht. Außerdem ist zwischen den Widerständen ein Schlitz vorgesehen, so daß die zwei temperaturabhängigen Widerstände thermisch voneinander entkoppelt sind.

Aus der US 4,210,016 ist ein Durchsatzmeßgerät mit zwei temperaturabhängigen Widerständen bekannt, wobei die Eigenerwärmung des einen Widerstands so gering ist, daß er zur Kompensation von Änderungen in der Lufttemperatur verwendet wird. Schichtwiderstände sind hierbei nicht vorgesehen.

Schließlich ist aus der US 4,321,825 ein temperaturabhängiger Widerstand aus Silizium offenbart, der für die Messung von Abkühlraten geeignet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine direkt beheizte Gasströmungsmeßvorrichtung der eingangs angegebenen Art so auszubilden, daß für die Erzielung einer guten Ansprechcharakteristik und eines großen dynamischen Bereichs die Wärmeleitung reduziert wird, so daß auch bei stärkerer Belastung, wie sie zum Beispiel im Ansaugkanal einer Brennkraftmaschine auftritt, zuverlässige Meßergebnisse geliefert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Durch den innen abgefasten Rand können sich kleine Partikel, wie Kohlenstoffpartikel, Öltropfen oder dg., die in einem Ansaugkanal einer Brennkraftmaschine vorkommen, nicht so leicht auf dem inneren Rand der Öffnung absetzen und so auf Dauer die Wärmeleitung verändern und die Meßwerte verfälschen. Die Abschrägung der Ränder kann durch anisotropes Ätzen des Siliziumsubstrats erreicht werden. Insgesamt erhält man eine gute Ansprechcharakteristik der Meßvorrichtung und einen großen dynamischen Bereich.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.

Der allgemeine Aufbau einer Gasströmungsmeßvorrichtung, ihres Schichtwiderstands sowie beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch den Aufbau einer Brennkraftmaschine mit einer Gasströmungsmeßvorrichtung im Ansaugkanal,

Fig. 2 und 3 einen Längs- und einen Querschnitt der Anordnung nach Fig. 1,

Fig. 4A und 4B den allgemeinen Aufbau eines Schichtwiderstandes in der Gasströmungsmeßvorrichtung,

Fig. 5A eine Draufsicht auf eine Ausführungsform eines Schichtwiderstandes gemäß der Erfindung,

Fig. 5B und 5C Schnittansichten längs der Linie B-B und C-C in Fig. 5A,

Fig. 6A eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel 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 einer Gasströmungsmeßvorrichtung zeigt, ist eine Maschine 1 mit Funkenzündung zum Antreiben eines Kraftfahrzeuges dargestellt, in die Luft zur Verbrennung über ein Luftfilter 2, ein 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 10 außerhalb des Luftansaugkanals 4. Der Sensorteil weist ein Meßrohr oder eine Meßleitung 6 auf, die über eine Halterung oder eine Stütze 7 am Luftansaugkanal 4 befestigt ist. Ein Schichtwiderstand 8 ist im Inneren der Meßleitung 6 vorgesehen, während ein temperaturabhängiger Widerstand 9 zum Wahrnehmen der Temperatur der nicht erwärmten Luft außerhalb der Meßleitung 6 vorgesehen ist. Der Schichtwiderstand 8 und der temperaturabhängige Widerstand 9 sind mit der Sensorschaltung 10 verbunden, die in eine Hybridplatte eingeschlossen ist. Der temperaturabhängige Widerstand 9 kann auch innerhalb der Meßleitung 6 unter der Voraussetzung angeordnet sein, daß der Widerstand 9 im wesentlichen nicht durch die Wärme beeinflußt wird, die vom Schichtwiderstand 8 erzeugt wird. Die Sensorschaltung 10 regelt den Strom, der zum Schichtwiderstand 8 fließt, derart, daß dieser soviel Wärme erzeugt, daß ein konstanter Temperaturunterschied zwischen dem Schichtwiderstand 8 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 Ventilöffnungszeitintervall eines Kraftstoffeinspritzventiles 12 und ähnliches.

Wie es in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist, sind die Enden des Schichtwiderstandes 8 fest an Halterungen 13a und 13b der Meßleitung 6 angebracht.

Fig. 4A zeigt eine Draufsicht auf einen Schichtwiderstand, während Fig. 4B eine Querschnittsansicht längs der Linie B-B von Fig. 4A zeigt. Wie es in den Fig. 4A und 4B dargestellt ist, weist der Schichtwiderstand 8 eine Metallplatte 41 mit einer Stärke von etwa 20 bis 50 µm 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. Es 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 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.

Das Substrat 41 kann aus einer dünnen Harzschicht, beispielsweise aus wärmebeständigem Polyimid bestehen, auf der die leitende Schicht ausgebildet ist.

Wie es in den Fig. 5A, 5B und 5C dargestellt ist, die ein 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 sich als Schichten mit niedrigem Widerstand dienen, sowie ein p⁺ leitender Diffusionsbereich 54 als Isolation zwischen den Bereichen 53a und 53b ausgebildet. Es sind weiterhin Aluminiumelektroden P₁ und P₂ an den Bereichen 53a und 53b jeweils vorgesehen. Es sind Öffnungen 55a und 55b auf beiden Seiten des Bereiches 52 ausgebildet, der nicht nur als Heizeinrichtung, sondern auch als Temperaturdetektoreinrichtung dient, und es ist eine Ausnehmung 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 die Ausnehmung 56 mit abgefasten Rändern gemäß Fig. 5A, 5B und 5C werden durch anisotropes Ätzen ausgebildet. 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 zweites 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 den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen 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 Wärmeverteilung 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.

Im folgenden wird anhand von Fig. 7 die in Fig. 1 dargestellte Sensorschaltung 10 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 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 Thermometer arbeitet, nimmt sein Widerstandswert ab, so daß die folgende Bedingung erfüllt ist:

V₁<V_R1,

wobei V₁ 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 temperaturabhängigen 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 V_Q 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<V_R1.

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 V_Q des Spannungspuffers 105 abnimmt.

In dieser Weise erfolgt eine Selbstregelung mit Rückkopplung 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 V_Q 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.

Claims

1. Direkt beheizte Gasströmungsmeßvorrichtung, umfassend einen Schichtwiderstand (8) mit einem Sensorabschnitt (43a, 52) zum Erzeugen von Wärme und zum Erfassen seiner Temperatur, eine Haltevorrichtung zum Befestigen des Schichtwiderstandes (8), eine Öffnung (44a, 44b; 55a, 55b) im Schichtwiderstand zum Drosseln der Wärmeübertragung vom Sensorabschnitt zur Haltevorrichtung und eine Regeleinrichtung, die mit dem Sensorabschnitt verbunden ist und die die vom Sensorabschnitt erzeugte Wärme so steuert, daß dessen Temperatur auf einem vorbestimmten Wert liegt, dadurch gekennzeichnet, daß der Schichtwiderstand (8) ein Substrat aus einkristallinem Silizium aufweist, und daß der innere Rand der Öffnung (55a, 55b) abgefast ist.

2. Gasströmungsmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Öffnungen (57a, 57b) seitlich vom Sensorabschnitt (52) vorgesehen sind, wobei alle Öffnungen abgefaste innere Ränder aufweisen.

3. Gasströmungsmeßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen temperaturabhängigen Widerstand (9), der die Temperatur im Gasstrom wahrnimmt, wobei der temperaturabhängige Widerstand (9) im wesentlichen nicht durch die Wärme beeinflußt wird, die vom Schichtwiderstand (8) erzeugt wird, und die Regeleinrichtung die vom Schichtwiderstand (8) erzeugte Wärme so steuert, daß sich ein konstanter Temperaturunterschied zwischen dem Schichtwiderstand (8) und dem temperaturabhängigen Widerstand (9) ergibt.

4. Gasströmungsmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorabschnitt (43a) durch einen Störstellendiffusionsbereich ausgebildet ist.

5. Gasströmungsmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der als Haltevorrichtung dienende Abschnitt (43b, c) des Schichtwiderstandes (8) einen niedrigeren Widerstand als der Sensorabschnitt (43a) aufweist.

6. Gasströmungsmeßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schichtwiderstand (8) in einem Meßrohr (6) angebracht ist, das im Gasstrom angeordnet ist.