DE102005028143B4

DE102005028143B4 - Thermal air mass meter with low contamination sensitivity

Info

Publication number: DE102005028143B4
Application number: DE102005028143.5A
Authority: DE
Inventors: Erhard Renninger; Bernhard Opitz; Uwe Konzelmann; Ulrich Wagner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-06-17
Filing date: 2005-06-17
Publication date: 2025-08-14
Anticipated expiration: 2025-06-18
Also published as: JP5001588B2; DE102005028143A1; JP2006349688A

Abstract

Heißfilmluftmassenmesser zur Messung eines mit einer Hauptströmungsrichtung (122) strömenden Luftmassenstroms, insbesondere im Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Heißfilmluftmassenmesser einen Sensorchip (110) mit einer vom Luftmassenstrom überströmbaren Chipoberfläche aufweist, wobei die Chipoberfläche eine Messoberfläche (114) und eine Festlandsoberfläche (112) aufweist, wobei der Sensorchip (110) im Bereich der Messoberfläche (114) eine um mindestens eine Größenordnung geringere thermische Leitfähigkeit aufweist als im Bereich der Festlandsoberfläche (112), wobei auf die Messoberfläche (114) Leiterbahnen (128) einer zentralen Heißfilmluftmassenmesserschaltung aufgebracht sind, wobei die Messoberfläche (114) und ein Sensorbereich (136) im Wesentlichen die Form von Rechtecken (116, 138) aufweisen, wobei die längeren Seiten jedes Rechtecks (116, 138) im Wesentlichen senkrecht zur Hauptströmungsrichtung (122) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Messoberfläche (114) um einen Faktor 3 bis 4 größer ist als der durch äußere Abmessungen der Leiterbahnen (128) der zentralen Heißfilmluftmassenmesserschaltung definierte Sensorbereich (136) der Messoberfläche (114), wobei sich die Leiterbahnen (128) aus einem zentralen Heizelement (130) und zwei Temperaturfühlern (132, 134) zusammensetzen, wobei ein Temperaturfühler (132) stromaufwärts zum zentralen Heizelement (130) angeordnet ist und ein Temperaturfühler (134) stromabwärts, wobei die kürzere Seite (124, 126) des Rechtecks (116) der Messoberfläche (114) um einen Faktor 3 bis 4 länger ist als die kürzere Seite (144, 146) des Rechtecks (138) des Sensorbereichs (136), wobei die kürzere Seite (144, 146) des Rechtecks (138) des Sensorbereichs (136) eine Länge l_S im Bereich von 350 bis 550 Mikrometern und besonders bevorzugt von 440 Mikrometern aufweist und die kürzere Seite (124, 126) des Rechtecks (116) der Messoberfläche (114) eine Länge l_M im Bereich von 1300 bis 1700 Mikrometern und besonders bevorzugt von 1500 Mikrometern aufweist. A hot-film air mass meter for measuring an air mass flow flowing in a main flow direction (122), in particular in the intake tract of an internal combustion engine, wherein the hot-film air mass meter comprises a sensor chip (110) with a chip surface over which the air mass flow can flow, wherein the chip surface comprises a measuring surface (114) and a main surface (112), wherein the sensor chip (110) has a thermal conductivity in the region of the measuring surface (114) that is at least one order of magnitude lower than in the region of the main surface (112), wherein conductor tracks (128) of a central hot-film air mass meter circuit are applied to the measuring surface (114), wherein the measuring surface (114) and a sensor region (136) substantially have the shape of rectangles (116, 138), wherein the longer sides of each rectangle (116, 138) are arranged substantially perpendicular to the main flow direction (122), characterized in that the measuring surface (114) is larger by a factor of 3 to 4 than the sensor area (136) of the measuring surface (114) defined by the outer dimensions of the conductor tracks (128) of the central hot-film air mass meter circuit, wherein the conductor tracks (128) are composed of a central heating element (130) and two temperature sensors (132, 134), wherein a temperature sensor (132) is arranged upstream of the central heating element (130) and a temperature sensor (134) downstream, wherein the shorter side (124, 126) of the rectangle (116) of the measuring surface (114) is longer by a factor of 3 to 4 than the shorter side (144, 146) of the rectangle (138) of the sensor area (136), wherein the shorter side (144, 146) of the rectangle (138) of the sensor area (136) has a length l _S in the range of 350 to 550 micrometers and particularly preferably 440 micrometers and the shorter side (124, 126) of the rectangle (116) of the measuring surface (114) has a length l _M in the range of 1300 to 1700 micrometers and particularly preferably 1500 micrometers.

Description

Die Erfindung betrifft einen Heißfilmluftmassenmesser zur Messung eines mit einer Hauptströmungsrichtung strömenden Luftmassenstroms. Derartige Heißfilmluftmassenmesser werden insbesondere im Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine eingesetzt. Insbesondere ist der vorgeschlagene Heißfilmluftmassenmesser für die Messung von Luftmassenströmungen mit einer Strömungsgeschwindigkeit zwischen 0 und 60 Metern m/s geeignet.The invention relates to a hot-film air mass meter for measuring an air mass flow flowing in a primary flow direction. Such hot-film air mass meters are used particularly in the intake tract of an internal combustion engine. In particular, the proposed hot-film air mass meter is suitable for measuring air mass flows with a flow velocity between 0 and 60 meters/s.

Stand der TechnikState of the art

Bei vielen Prozessen, beispielsweise auf dem Gebiet der Verfahrenstechnik, der Chemie oder des Maschinenbaus, muss definiert eine Gasmasse, insbesondere eine Luftmasse, zugeführt werden. Hierzu zählen insbesondere Verbrennungsprozesse, welche unter geregelten Bedingungen ablaufen. Ein wichtiges Beispiel ist dabei die Verbrennung von Kraftstoff in Verbrennungskraftmaschinen von Kraftfahrzeugen, insbesondere mit anschließender katalytischer Abgasreinigung. Zur Messung des Luftmassendurchsatzes werden dabei verschiedene Typen von Sensoren eingesetzt.In many processes, for example in the fields of process engineering, chemistry, or mechanical engineering, a defined gas mass, especially an air mass, must be supplied. This particularly includes combustion processes that occur under controlled conditions. An important example is the combustion of fuel in automotive internal combustion engines, especially with subsequent catalytic exhaust gas purification. Various types of sensors are used to measure the air mass flow rate.

Ein aus dem Stand der Technik bekannter Sensortyp ist der so genannte Heißfilmluftmassenmesser (HFM), welcher beispielsweise in DE 196 01 791 A1 in einer Ausführungsform beschrieben ist. Bei derartigen Heißfilmluftmassenmessern wird üblicherweise ein Sensorchip eingesetzt, welcher eine dünne Sensormembran aufweist, beispielsweise ein Silicium-Sensorchip. Auf der Sensormembran ist typischerweise mindestens ein Heizwiderstand angeordnet, welcher von zwei oder mehr Temperaturmesswiderständen (Temperaturfühlern) umgeben ist. In einem Luftstrom, welcher über die Membran geführt wird, ändert sich die Temperaturverteilung, was wiederum von den Temperaturmesswiderständen erfasst werden kann. So kann, z. B. aus der Widerstandsdifferenz der Temperaturmesswiderstände, ein Luftmassenstrom bestimmt werden. Verschiedene andere Variationen dieses Sensortyps sind aus dem Stand der Technik bekannt.A sensor type known from the state of the art is the so-called hot film air mass meter (HFM), which is used, for example, in DE 196 01 791 A1 is described in one embodiment. Such hot-film air mass meters typically employ a sensor chip having a thin sensor membrane, for example, a silicon sensor chip. Typically, at least one heating resistor is arranged on the sensor membrane, which is surrounded by two or more temperature measuring resistors (temperature sensors). In an air flow that is guided over the membrane, the temperature distribution changes, which in turn can be detected by the temperature measuring resistors. For example, an air mass flow can be determined from the resistance difference between the temperature measuring resistors. Various other variations of this sensor type are known from the prior art.

Eine beispielsweise aus DE 101 11 840 C2 bekannte Problematik dieses Typs von Sensor besteht darin, dass häufig Kontaminationen des Sensorchips auftreten können, beispielsweise Kontaminationen durch Öl, andere Flüssigkeiten oder andere Arten von Verunreinigungen. Der Sensorchip wird üblicherweise direkt im Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine oder in einem Bypass zum Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine eingesetzt. Dabei kann sich im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine Öl auf dem Sensorchip und dabei insbesondere auf der Sensormembran niederschlagen. Dieser Ölniederschlag kann zu einer unerwünschten Messsignalbeeinflussung des Sensorchips führen, insbesondere da ein Ölfilm auf der Oberfläche des Sensorchips auf die Wärmeleitfähigkeit der Oberfläche einwirkt, was zur Verfälschung der Messsignale führt. Die Ölkontamination kann weiterhin auch beim oder kurz nach dem Abschalten der Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise eines Dieselmotors, auftreten. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn sich nach Abschalten der Verbrennungskraftmaschine ein in einem Kurbelgehäuse vorhandener Überdruck über eine Kurbelgehäuseentlüftung in den Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine abbaut. Dabei wird Öldampf bzw. Ölnebel mitgeführt.For example, one from DE 101 11 840 C2 A known problem with this type of sensor is that contamination of the sensor chip can often occur, for example by oil, other liquids, or other types of impurities. The sensor chip is usually installed directly in the intake tract of the internal combustion engine or in a bypass to the intake tract of the internal combustion engine. During operation of the internal combustion engine, oil can precipitate on the sensor chip, and in particular on the sensor membrane. This oil precipitate can lead to an undesirable influence on the measurement signal from the sensor chip, particularly because an oil film on the surface of the sensor chip affects the thermal conductivity of the surface, which leads to corrupted measurement signals. Oil contamination can also occur during or shortly after the internal combustion engine, for example a diesel engine, is switched off. This is particularly the case when, after the internal combustion engine has been switched off, excess pressure in a crankcase dissipates into the intake tract of the internal combustion engine via a crankcase ventilation system. Oil vapor or oil mist is carried along.

Die Problematik der Verschmutzung der Membran bzw. der Sensoroberfläche wird weiterhin durch thermodynamische Effekte verschärft. So ist es bekannt, dass Flüssigkeitstropfen, welche einen Gradienten in ihrer Oberflächenspannung aufweisen, eine Kraft in Richtung der höheren Oberflächenspannung erfahren. Dies führt zu einer Bewegung des Tropfens von niedriger zu hoher Oberflächenspannung. Insbesondere kann dieser Gradient durch einen Temperaturgradienten auf einer Oberfläche, auf welche der Flüssigkeitstropfen aufgebracht ist, hervorgerufen werden. Der Tropfen wird durch den Temperaturgradienten und die daraus resultierende Kraft üblicherweise von einem wärmeren Bereich der Oberfläche in einen kälteren Bereich der Oberfläche bewegt. Dieser Effekt ist beispielsweise in V.G. Levich, „Physicochemical Hydrodynamics“, Prentice-Hall, N.J., 1962, S. 373 u. S. 380 , beschrieben.The problem of contamination of the membrane or sensor surface is further exacerbated by thermodynamic effects. It is known that liquid droplets with a gradient in their surface tension experience a force in the direction of the higher surface tension. This leads to a movement of the droplet from low to high surface tension. In particular, this gradient can be caused by a temperature gradient on a surface to which the liquid droplet is applied. The droplet is usually moved from a warmer area of the surface to a cooler area by the temperature gradient and the resulting force. This effect is, for example, VG Levich, “Physicochemical Hydrodynamics”, Prentice-Hall, NJ, 1962, pp. 373 and 380 , described.

Wie oben beschrieben, sind typische Heißfilmluftmassenmesser derart aufgebaut, dass diese eine Sensormembran (beispielsweise eine Silicium-Membran) mit geringer thermischer Leitfähigkeit sowie ein umgebendes Chip-Festland aufweisen. Im Betrieb des Heißfilmluftmassenmessers baut sich daher üblicherweise an den Rändern der Sensormembran, also an der Grenze zum umgebenden Chip-Festland, ein Temperaturgradient und dementsprechend ein Flüssigkeitswall, beispielsweise in Form von Öltröpfchen, auf. Durch die Luftströmung kann dieser Flüssigkeitswall ganz oder teilweise mitgerissen werden, so dass Öltröpfchen auf die Sensormembran gelangen und dort die Messung beeinflussen können. Weiterhin verläuft der Flüssigkeitswall an den Rändern der Membran beim Ausschalten und dem damit verbundenen Abbau des Temperaturgradienten, wodurch Öl auf die Membran fließen kann.As described above, typical hot-film air mass meters are designed with a sensor membrane (e.g., a silicon membrane) with low thermal conductivity and a surrounding chip. During operation of the hot-film air mass meter, a temperature gradient typically builds up at the edges of the sensor membrane, i.e., at the boundary to the surrounding chip, and a corresponding liquid wall, for example, in the form of oil droplets, forms. This liquid wall can be completely or partially entrained by the air flow, allowing oil droplets to reach the sensor membrane and influence the measurement. Furthermore, the liquid wall runs along the edges of the membrane when the device is switched off, resulting in the associated reduction of the temperature gradient, allowing oil to flow onto the membrane.

Weitere Luftmassenmesser zur Messung eines mit einer Hauptströmungsrichtung strömenden Luftmassenstroms sind aus den Dokumenten DE 199 45 168 A1 , DE 199 19 398 A1 , US 2004 / 0 090 305 A1 , DE 100 63 070 A1 , DE 102 15 954 A1 , DE 103 43 793 A1 und WO 2004/ 106 863 A1 bekannt.Further air mass meters for measuring an air mass flow flowing in a main flow direction are described in the documents DE 199 45 168 A1 , DE 199 19 398 A1 , US 2004 / 0 090 305 A1 , DE 100 63 070 A1 , DE 102 15 954 A1 , DE 103 43 793 A1 and WO 2004/ 106 863 A1 known.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Es wird daher ein Heißfilmluftmassenmesser zur Messung eines mit einer Hauptströmungsrichtung strömenden Luftmassenstroms, insbesondere im Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine, vorgeschlagen, welcher die Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen vermeidet. Der Heißfilmluftmassenmesser wurde mittels strömungsmechanischer Berechnungen und entsprechender Experimente insbesondere zur Messung eines Luftmassenstroms mit einer Strömungsgeschwindigkeit zwischen 0 und 60 m/s optimiert.A hot-film air mass meter is therefore proposed for measuring an air mass flow flowing in a primary flow direction, particularly in the intake tract of an internal combustion engine. This hot-film air mass meter avoids the disadvantages of prior art devices. The hot-film air mass meter was optimized using fluid mechanics calculations and corresponding experiments, particularly for measuring an air mass flow with a flow velocity between 0 and 60 m/s.

Der Heißfilmluftmassenmesser weist einen Sensorchip mit einer vom Luftmassenstrom überströmbaren Chipoberfläche auf, wobei die Chipoberfläche eine Messoberfläche und eine Festlandsoberfläche aufweist, wobei der Sensorchip im Bereich der Messoberfläche eine um mindestens eine Größenordnung geringere thermische Leitfähigkeit aufweist als im Bereich der Festlandsoberfläche, wobei auf die Messoberfläche Leiterbahnen einer zentralen Heißfilmluftmassenmesserschaltung aufgebracht sind, wobei die Messoberfläche und der Sensorbereich im Wesentlichen die Form von Rechtecken aufweisen, wobei die längeren Seiten jedes Rechtecks im Wesentlichen senkrecht zur Hauptströmungsrichtung angeordnet sind. Erfindungsgemäß ist die Messoberfläche um einen Faktor 3 bis 4 größer ist als ein durch äußere Abmessungen der Leiterbahnen der zentralen Heißfilmluftmassenmesserschaltung definierter Sensorbereich der Messoberfläche ausgebildet, wobei sich die Leiterbahnen aus einem zentralen Heizelement und zwei Temperaturfühlern zusammensetzen, wobei ein Temperaturfühler stromaufwärts zum zentralen Heizelement angeordnet ist und ein Temperaturfühler stromabwärts, wobei die kürzere Seite des Rechtecks der Messoberfläche um einen Faktor 3 bis 4 länger ist als die kürzere Seite des Rechtecks des Sensorbereichs, wobei die kürzere Seite des Rechtecks des Sensorbereichs eine Länge l_S im Bereich von 350 bis 550 Mikrometern und besonders bevorzugt von 440 Mikrometern aufweist und die kürzere Seite des Rechtecks der Messoberfläche eine Länge l_M im Bereich von 1300 bis 1700 Mikrometern und besonders bevorzugt von 1500 Mikrometern aufweist.The hot-film air mass meter has a sensor chip with a chip surface over which the air mass flow can flow, wherein the chip surface has a measuring surface and a mainland surface, wherein the sensor chip has a thermal conductivity in the region of the measuring surface that is at least one order of magnitude lower than in the region of the mainland surface, wherein conductor tracks of a central hot-film air mass meter circuit are applied to the measuring surface, wherein the measuring surface and the sensor region essentially have the shape of rectangles, wherein the longer sides of each rectangle are arranged essentially perpendicular to the main flow direction. According to the invention, the measuring surface is designed to be larger by a factor of 3 to 4 than a sensor region of the measuring surface defined by external dimensions of the conductor tracks of the central hot-film air mass meter circuit, wherein the conductor tracks are composed of a central heating element and two temperature sensors, wherein a temperature sensor is arranged upstream of the central heating element and a temperature sensor downstream, wherein the shorter side of the rectangle of the measuring surface is longer by a factor of 3 to 4 than the shorter side of the rectangle of the sensor region, wherein the shorter side of the rectangle of the sensor region has a length l _S in the range of 350 to 550 micrometers and particularly preferably of 440 micrometers and the shorter side of the rectangle of the measuring surface has a length l _M in the range of 1300 to 1700 micrometers and particularly preferably of 1500 micrometers.

Der Heißfilmluftmassenmesser weist einen Sensorchip mit einer vom Luftmassenstrom überströmbaren Chipoberfläche auf. Beispielsweise kann es sich dabei, wie oben beschrieben, um einen Siliciumchip handeln. Die Chipoberfläche wiederum weist eine Messoberfläche und eine Festlandsoberfläche auf. Im Bereich der Messoberfläche weist der Sensorchip eine um mindestens eine Größenordnung geringere Leitfähigkeit, insbesondere eine transversale Leitfähigkeit, auf als im Bereich der Festlandsoberfläche.The hot-film air mass flow sensor comprises a sensor chip with a chip surface over which the air mass flow passes. For example, this can be a silicon chip, as described above. The chip surface, in turn, comprises a measuring surface and a land surface. In the area of the measuring surface, the sensor chip exhibits a conductivity, particularly a transverse conductivity, that is at least one order of magnitude lower than in the area of the land surface.

Diese Verringerung der Leitfähigkeit kann auf verschiedene Weisen erzielt werden. Beispielsweise können, wie aus dem Stand der Technik bekannt und oben beschrieben, Sensorchips mit einer Sensormembran eingesetzt werden, welche eine Dicke von lediglich wenigen µm aufweist. Hierbei wird die geringe thermische Leitfähigkeit (ca. 0,026 W/m K) der die Sensormembran umgebenden Luft ausgenutzt. Alternativ können als Messbereich mit einer dem Luftmassenstrom zugewandten Messoberfläche auch poröse Bereiche im Chip hergestellt werden, beispielsweise durch eine Porösifizierung eines Siliciumchips. Auf diese Weise lassen sich Messbereiche herstellen, welche aufgrund der eingeschlossenen Luftkavernen transversale Leitfähigkeiten von 0,1 bis 2 W/(m K) herstellen, im Vergleich zu einem Siliciumsubstrat mit einer thermischen Leitfähigkeit von 156 W/(m K).This reduction in conductivity can be achieved in various ways. For example, as known from the prior art and described above, sensor chips can be used with a sensor membrane that is only a few µm thick. This utilizes the low thermal conductivity (approximately 0.026 W/m K) of the air surrounding the sensor membrane. Alternatively, porous regions can be created in the chip as a measuring region with a measuring surface facing the air mass flow, for example, by porosifying a silicon chip. In this way, measuring regions can be created that, due to the enclosed air cavities, produce transverse conductivities of 0.1 to 2 W/(m K), compared to a silicon substrate with a thermal conductivity of 156 W/(m K).

Auf die Messoberfläche sind Leiterbahnen einer zentralen Heißfilmluftmassenmesserschaltung aufgebracht. Beispielsweise kann es sich dabei, wie oben beschrieben, um ein zentrales Heizelement handeln, welches von zwei Temperaturfühlern umgeben ist. Auch andere Geometrien sind denkbar.Conductor tracks of a central hot-film air mass meter circuit are applied to the measuring surface. For example, as described above, this could be a central heating element surrounded by two temperature sensors. Other geometries are also conceivable.

Die Herstellung der Messoberflächen, beispielsweise der Membran oder des porösen Bereiches, ist in der Praxis aufwändig und teuer, insbesondere aufgrund der Verwendung entsprechender halbleitertechnischer Verfahren. Weiterhin sind üblicherweise die Messoberflächen störungsanfällig und empfindlich, da beispielsweise eine Membran leicht beschädigt werden kann. Dementsprechend sind die Messoberflächen bei üblichen Heißfilmluftmassenmessern in ihrer Fläche minimiert, wobei die Messoberfläche nahezu vollständig mit den Leiterbahnen ausgefüllt ist. Die zur Verfügung stehende Messoberfläche wird dadurch räumlich optimal genutzt.The production of the measuring surfaces, such as the membrane or the porous area, is complex and expensive in practice, particularly due to the use of corresponding semiconductor technology. Furthermore, the measuring surfaces are typically susceptible to failure and sensitive, as a membrane, for example, can be easily damaged. Accordingly, the measuring surfaces of conventional hot-film air mass meters are minimized in size, with the measuring surface being almost completely filled with the conductor tracks. This allows for optimal spatial utilization of the available measuring surface.

Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht jedoch in der Erkenntnis, dass sich, wie oben beschrieben, Flüssigkeitsverunreinigungen aufgrund des sich im Betrieb einstellenden Temperaturgradienten gerade am Übergang zwischen Messoberfläche und Festlandsoberfläche einstellen. Je dichter benachbart dieser Übergang also zu den Leiterbahnen der zentralen Heißfilmluftmassenmesserschaltung angeordnet ist, desto leichter gelangen Verschmutzungen, beispielsweise Öl oder andere Flüssigkeiten, von diesem Übergang auf die Leiterbahnen und bewirken somit eine Drift des Messsignals des Heißfilmluftmassenmessers.A fundamental idea of the present invention, however, is the recognition that, as described above, liquid contamination occurs precisely at the transition between the measuring surface and the dry surface due to the temperature gradient that develops during operation. The closer this transition is to the conductor tracks of the central hot-film air mass meter circuit, the easier it is for contaminants, such as oil or other liquids, to penetrate from this transition onto the conductor tracks, thus causing a drift in the hot-film air mass meter's measurement signal.

Ein zentraler Gedanke besteht daher darin, diesen Übergang zwischen Messoberfläche und Festlandsoberfläche so weit wie möglich von den Leiterbahnen der zentralen Heißfilmluftmassenmesserschaltung entfernt anzuordnen. Andererseits wird der dadurch erzielte Vorteil einer verringerten Verschmutzung der zentralen Heißfilmluftmassenmesserschaltung erkauft durch erhebliche Nachteile. Diese Nachteile hängen insbesondere damit zusammen, dass durch die vergrößerte Messoberfläche die Empfindlichkeit der Messoberfläche und somit die Störungsanfälligkeit des Heißfilmluftmassenmessers steigt. Weiterhin reduziert sich auf diese Weise auch der für elektronische Zuleitungen und gegebenenfalls elektronische Schaltelemente auf der Chipoberfläche zur Verfügung stehende Platz. Eine allzu starke Vergrößerung der Messoberfläche im Vergleich zur zentralen Heißfilmluftmassenmesserschaltung bewirkt außerdem, dass sich der genannte Reinigungseffekt unter Umständen ins Gegenteil umwandeln kann. So können durch den Luftstrom beispielsweise Öltröpfchen im Übergang zwischen Messoberfläche und Festlandsoberfläche abgelöst werden, welche jedoch nach einer gewissen „Flugstrecke“ über die Chipoberfläche wieder auf die Chipoberfläche gedrückt werden. Somit kann es sein, dass zwar der Temperaturgradient ausreichend weit von der zentralen Heißfilmluftmassenmesserschaltung angeordnet ist, Öltröpfchen jedoch dennoch wieder durch den Luftstrom auf die zentrale Luftmassenmesserschaltung getragen werden.A central idea is therefore to define this transition between the measuring surface and The main surface should be arranged as far as possible away from the conductor tracks of the central hot-film air mass meter circuit. On the other hand, the resulting advantage of reduced contamination of the central hot-film air mass meter circuit is offset by considerable disadvantages. These disadvantages are primarily related to the fact that the enlarged measuring surface increases the sensitivity of the measuring surface and thus the susceptibility to failure of the hot-film air mass meter. Furthermore, this also reduces the space available on the chip surface for electronic leads and, if applicable, electronic switching elements. An excessively large enlargement of the measuring surface compared to the central hot-film air mass meter circuit also means that the aforementioned cleaning effect can, under certain circumstances, be reversed. For example, the air flow can dislodge oil droplets at the transition between the measuring surface and the main surface, which, however, are pressed back onto the chip surface after a certain "flight distance" over the chip surface. Thus, it may be that even though the temperature gradient is located sufficiently far from the central hot-film air mass meter circuit, oil droplets are still carried back to the central air mass meter circuit by the air flow.

Die Geometrie der Gestaltung des Sensorchips muss also sorgfältig optimiert werden. Entsprechende Optimierungsrechnungen für eine Strömungsgeschwindigkeit zwischen 0 und 60 m/s wurden durchgeführt. Dementsprechend weist der erfindungsgemäße Heißfilmluftmassenmesser eine dreigeteilte Chipoberfläche auf. Neben der Festlandsoberfläche ist auf dem Sensorchip, wie oben beschrieben, die Messoberfläche angeordnet. Die Messoberfläche ihrerseits weist wiederum einen Sensorbereich auf. Dieser Sensorbereich ist durch die äußeren Abmessungen der Leiterbahnen der zentralen Heißfilmluftmassenmesserschaltungen definiert. Dabei sind Zuleitungen zu den Leiterbahnen in der Regel vernachlässigbar und sollen nicht mit berücksichtigt werden. In vielen Fällen weist der Sensorbereich beispielsweise eine rechteckige Geometrie auf. Entsprechend der Optimierungsrechnungen und experimenteller Ergebnisse ist der Sensorbereich des vorgeschlagenen erfindungsgemäßen Heißfilmluftmassenmessers so dimensioniert, dass die gesamte Messoberfläche um einen Faktor 3 bis 4 größer ist als der Sensorbereich. Mit dieser Dimensionierung ergibt sich für die genannten Strömungsgeschwindigkeiten eine Minimierung der Kontaminationsanfälligkeit des Heißfilmluftmassenmessers. Somit ist die Signaldrift des Heißfilmluftmassenmessers minimiert, was zu einer deutlich verbesserten Messung von Luftmassenströmen und somit einer verbesserten Motorsteuerung führt.The geometry of the sensor chip design must therefore be carefully optimized. Corresponding optimization calculations for a flow velocity between 0 and 60 m/s were performed. Accordingly, the hot-film air mass meter according to the invention has a three-part chip surface. In addition to the main surface, the measuring surface is arranged on the sensor chip, as described above. The measuring surface, in turn, has a sensor area. This sensor area is defined by the external dimensions of the conductor tracks of the central hot-film air mass meter circuits. Leads to the conductor tracks are generally negligible and should not be considered. In many cases, for example, the sensor area has a rectangular geometry. According to the optimization calculations and experimental results, the sensor area of the proposed hot-film air mass meter according to the invention is dimensioned such that the total measuring surface is a factor of 3 to 4 larger than the sensor area. This dimensioning minimizes the susceptibility of the hot-film air mass meter to contamination for the aforementioned flow velocities. Thus, the signal drift of the hot-film air mass meter is minimized, which leads to a significantly improved measurement of air mass flows and thus to improved engine control.

Die beschriebene erfindungsgemäße Ausgestaltung des Heißfilmluftmassenmessers kann auf verschiedene Weise vorteilhaft weitergebildet werden. So ist es aus verschiedenen Symmetriegründen, welche sich auf die Messelektronik vorteilhaft auswirken können, von Vorteil, wenn sowohl die Messoberfläche als auch der Sensorbereich im Wesentlichen die Form von Rechtecken aufweisen. Dabei sind vorteilhafterweise die längeren Seiten jedes Rechtecks senkrecht zur Hauptströmungsrichtung angeordnet. Beispielsweise kann das Rechteck des Sensorbereichs im Wesentlichen symmetrisch innerhalb des Rechtecks der Messoberfläche angeordnet sein. Beispielsweise können das Rechteck der Messoberfläche und das Rechteck des Sensorbereichs dieselbe Symmetrieachse, vorteilhafterweise eine Symmetrieachse senkrecht zur Hauptströmungsrichtung, aufweisen.The described inventive design of the hot-film air mass meter can be advantageously developed in various ways. For various symmetry reasons, which can have a beneficial effect on the measuring electronics, it is advantageous if both the measuring surface and the sensor region are essentially rectangular. The longer sides of each rectangle are advantageously arranged perpendicular to the main flow direction. For example, the rectangle of the sensor region can be arranged essentially symmetrically within the rectangle of the measuring surface. For example, the rectangle of the measuring surface and the rectangle of the sensor region can have the same axis of symmetry, advantageously an axis of symmetry perpendicular to the main flow direction.

Senkrecht zur Hauptströmungsrichtung sollte der Sensorbereich im Wesentlichen die Messoberfläche voll ausnutzen. Dies bedeutet beispielsweise, dass der Sensorbereich senkrecht zur Hauptströmungsrichtung eine maximale Ausdehnung (beispielsweise die längere Seite eines Rechtecks, welches den Sensorbereich begrenzt) aufweist, welche 80% bis 100% der maximalen Ausdehnung der Messoberfläche (beispielsweise der längeren Seite des Rechtecks, welche die Messoberfläche begrenzt) beträgt.Perpendicular to the main flow direction, the sensor area should essentially fully utilize the measuring surface. This means, for example, that the sensor area perpendicular to the main flow direction has a maximum extension (e.g., the longer side of a rectangle bounding the sensor area) that is 80% to 100% of the maximum extension of the measuring surface (e.g., the longer side of the rectangle bounding the measuring surface).

Wird eine rechteckförmige Messoberfläche und ein rechteckförmiger Sensorbereich eingesetzt, so ist es von Vorteil, wenn die kürzere Seite des Rechtecks der Messoberfläche (also parallel zur Hauptströmungsrichtung) um einen Faktor 3 bis 4 größer ist als die kürzere Seite des Rechtecks des Sensorbereichs (ebenfalls parallel zur Hauptströmungsrichtung). Insbesondere hat es sich als fertigungstechnisch vorteilhaft erwiesen, wenn die kürzere Seite des Rechtecks des Sensorbereichs eine Länge im Bereich von 350 bis 550 µm und besonders bevorzugt von 440 µm aufweist. Die kürzere Seite des Rechtecks der Messoberfläche weist vorteilhafterweise eine Länge im Bereich von 1300 bis 1700 µm und besonders bevorzugt bei 1500 µm auf. Rechnungen und strömungsmechanische Betrachtungen haben einen optimalen Abstand zwischen Sensorbereich (d. h. einer stromaufwärts gelegenen Grenze des Sensorbereichs) und Grenze der Messoberfläche (d. h. einer stromaufwärts gelegenen Grenze der Messoberfläche hin zum Chipfestland) von ca. 540 Mikrometern ergeben, was mit den genannten geometrischen Längen näherungsweise erfüllt ist.If a rectangular measuring surface and a rectangular sensor area are used, it is advantageous if the shorter side of the rectangle of the measuring surface (i.e., parallel to the main flow direction) is larger by a factor of 3 to 4 than the shorter side of the rectangle of the sensor area (also parallel to the main flow direction). In particular, it has proven advantageous from a manufacturing perspective if the shorter side of the rectangle of the sensor area has a length in the range of 350 to 550 µm, and particularly preferably 440 µm. The shorter side of the rectangle of the measuring surface advantageously has a length in the range of 1300 to 1700 µm, and particularly preferably 1500 µm. Calculations and fluid mechanics considerations have resulted in an optimal distance between the sensor area (i.e., an upstream boundary of the sensor area) and the boundary of the measuring surface (i.e., an upstream boundary of the measuring surface towards the chip mainland) of approximately 540 micrometers, which is approximately fulfilled with the geometric lengths mentioned.

Bei den oben beschriebenen Ausgestaltungen der Erfindung wird die Messoberfläche außerhalb des Sensorbereichs weitgehend unbenutzt belassen. Es sind jedoch auch vorteilhafte Ausführungen des Heißfilmluftmassenmessers denkbar, bei welchen diese bislang ungenutzte Messoberfläche zusätzlich genutzt wird. Sie kann beispielsweise mindestens ein Zusatzheizelement und mindestens einen zusätzlicher Temperaturfühler in diesem Bereich der Messoberfläche außerhalb des Sensorbereichs aufweisen. Beispielsweise kann dies dergestalt erfolgen, dass die Leiterbahnen der zentralen Heißfilmluftmassenmesserschaltung im Sensorbereich des Heißfilmluftmassenmessers mit einer Ansteuer- und Auswertungsschaltung zum Ansteuern und Auswerten der Messung des Luftmassenstroms verbunden sind. Das mindestens eine Zusatzheizelement und der mindestens eine zusätzliche Temperaturfühler, welche auf der Messoberfläche außerhalb des Sensorbereichs angeordnet sind, sind vorteilhafterweise mit einer Temperaturregelungsschaltung zum Einstellen und/oder Regeln einer vorgegebenen Temperatur im Bereich des mindestens einen zusätzlichen Heizelements verbunden.In the above-described embodiments of the invention, the measuring surface outside the sensor area is left largely unused. However, advantageous designs of the hot-film air mass meter are also conceivable. in which this previously unused measuring surface is additionally utilized. It can, for example, have at least one additional heating element and at least one additional temperature sensor in this region of the measuring surface outside the sensor area. For example, this can be done in such a way that the conductor tracks of the central hot-film air mass meter circuit in the sensor area of the hot-film air mass meter are connected to a control and evaluation circuit for controlling and evaluating the measurement of the air mass flow. The at least one additional heating element and the at least one additional temperature sensor, which are arranged on the measuring surface outside the sensor area, are advantageously connected to a temperature control circuit for setting and/or regulating a predetermined temperature in the area of the at least one additional heating element.

Auf diese Weise lässt sich beispielsweise auf der Messoberfläche außerhalb des Sensorbereichs in einem definierten Abstand vom Sensorbereich eine konstante Temperatur einstellen, welche auch während des Betriebes des Heißfilmluftmassenmessers infolge der Temperaturregelungsschaltung sich nur unwesentlich ändert. Dabei besteht ein großer Vorteil der Anordnung des mindestens einen Zusatzheizelements auf der Messoberfläche (und nicht auf dem Chip-Festland) darin, dass die Messoberfläche eine geringe thermische Leitfähigkeit aufweist. Dies stellt sicher, dass die vom Zusatzheizelement auf die Messoberfläche aufgebrachte Wärme nicht gleich wieder in den umgebenden Sensorchip abfließt, sondern dass eine Aufrechterhaltung einer konstanten Temperatur ohne eine signifikante Aufheizung des umgebenden Sensorchips möglich ist.In this way, for example, a constant temperature can be set on the measuring surface outside the sensor area at a defined distance from the sensor area, which temperature changes only insignificantly even during operation of the hot-film air mass meter due to the temperature control circuit. A major advantage of arranging at least one additional heating element on the measuring surface (and not on the chip mainland) is that the measuring surface has low thermal conductivity. This ensures that the heat applied to the measuring surface by the additional heating element does not immediately flow back into the surrounding sensor chip, but rather that a constant temperature can be maintained without significantly heating the surrounding sensor chip.

Die somit einstellbare konstante „Temperaturbarriere“ um den Sensorbereich herum bewirkt, dass der Heißfilmluftmassenmesser erheblich unanfälliger ist gegenüber einer Temperaturdrift. Insbesondere wird die Wirkung einer Flüssigkeitsbarriere, welche sich am Übergang zwischen Messoberfläche und Chip-Festland einstellt, vom eigentlichen Sensorbereich abgeschirmt. Eine leicht veränderte thermische Leitfähigkeit am Rand der Messoberfläche, welche durch einen sich dort ansammelnden Flüssigkeitsfilm bzw. eine Flüssigkeitsbarriere ausgelöst wird, hat somit auf eine Temperaturverteilung im Bereich des Sensorbereichs nur noch einen stark verlängerten Einfluss. Dadurch wird die Luftmassenmessung mittels des erfindungsgemäßen Heißfilmluftmassenmessers erheblich zuverlässiger, störungsunanfälliger und ist einer erheblich geringeren Drift unterworfen.The adjustable, constant "temperature barrier" around the sensor area makes the hot-film air mass meter significantly less susceptible to temperature drift. In particular, the effect of a liquid barrier, which forms at the transition between the measuring surface and the chip's main body, is shielded from the actual sensor area. A slightly altered thermal conductivity at the edge of the measuring surface, triggered by a liquid film or liquid barrier accumulating there, thus has only a significantly prolonged effect on the temperature distribution in the sensor area. As a result, air mass measurement using the hot-film air mass meter according to the invention is considerably more reliable, less susceptible to interference, and subject to significantly less drift.

Der Sensorbereich ist im Wesentlichen in Form eines Rechtecks ausgestaltet. Das Rechteck kann zwei senkrecht zur Hauptströmungsrichtung angeordnete Seiten aufweisen, wobei sich das mindestens eine zusätzliche Heizelement im Wesentlichen parallel zu den senkrecht zur Hauptströmungsrichtung angeordneten Seiten erstrecken kann. Unter „im Wesentlichen“ ist dabei beispielsweise eine Abweichung von weniger als 5° zu verstehen. Beispielsweise kann mindestens ein erstes zusätzliches Heizelement und ein erster zusätzlicher Temperaturfühler bezüglich der Hauptströmungsrichtung „stromaufwärts“ des Sensorbereichs angeordnet sein und mindestens ein zweites zusätzliches Heizelement und mindestens ein zweiter zusätzlicher Temperaturfühler bezüglich der Hauptströmungsrichtung stromabwärts des Sensorbereichs. Auf diese Weise wird der Sensorbereich von beiden Seiten gegenüber Störungseinflüssen abgeschirmt. Alternativ oder zusätzlich kann das mindestens eine zusätzliche Heizelement auch als (vollständig geschlossener oder teilweise offener) Rahmen um den Sensorbereich herum ausgestaltet sein. Auf diese Weise wird die Abschirmwirkung zusätzlich erhöht.The sensor area is essentially rectangular in shape. The rectangle can have two sides arranged perpendicular to the main flow direction, wherein the at least one additional heating element can extend essentially parallel to the sides arranged perpendicular to the main flow direction. "Essentially" is understood to mean, for example, a deviation of less than 5°. For example, at least one first additional heating element and one first additional temperature sensor can be arranged "upstream" of the sensor area with respect to the main flow direction, and at least one second additional heating element and at least one second additional temperature sensor can be arranged downstream of the sensor area with respect to the main flow direction. In this way, the sensor area is shielded from interference from both sides. Alternatively or additionally, the at least one additional heating element can also be designed as a (fully closed or partially open) frame around the sensor area. In this way, the shielding effect is further increased.

Zeichnungdrawing

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to the drawing.

Es zeigt:

1A eine dem Stand der Technik entsprechende Ausgestaltung einer Messoberfläche eines Sensorchips;
1B ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung eines Sensorchips; und
2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung eines Sensorchips eines Heißfilmluftmassenmessers.

It shows:

1A a state-of-the-art design of a measuring surface of a sensor chip;
1B a first embodiment of an inventive design of a sensor chip; and
2 a second embodiment of an inventive design of a sensor chip of a hot-film air mass meter.

AusführungsbeispieleExamples of implementation

In 1A ist eine dem Stand der Technik entsprechende Ausgestaltung eines Sensorchips 110 (nur andeutungsweise dargestellt) eines Heißfilmluftmassenmessers dargestellt. Der Sensorchip 110 kann beispielsweise im Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine oder in einem Bypasskanal zum Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine eingesetzt werden. Derartige Vorrichtungen sind beispielsweise aus DE 196 01 791 A1 bekannt. Der Sensorchip gemäß der Ausgestaltung in 1A weist ein Chip-Festland mit einer Festlandsoberfläche 112 in der Zeichenebene (nur ansatzweise dargestellt) auf. In diesem Ausführungsbeispiel sei angenommen, dass es sich bei dem Sensorchip 110 um einen Silicium-Sensorchip handelt.In 1A A prior art design of a sensor chip 110 (shown only in outline) of a hot-film air mass meter is shown. The sensor chip 110 can be used, for example, in the intake tract of an internal combustion engine or in a bypass duct to the intake tract of an internal combustion engine. Such devices are known, for example, from DE 196 01 791 A1 The sensor chip according to the design in 1A has a chip mainland with a mainland surface 112 in the plane of the drawing (only partially shown). In this embodiment, it is assumed that the sensor chip 110 is a silicon sensor chip.

Weiterhin weist der Sensorchip 110 einen Messbereich mit einer Messoberfläche 114 in der Zeichenebene auf. Die Messoberfläche 114 ist in diesem Ausführungsbeispiel in Form eines Rechtecks 116 ausgestaltet, welches längere Seiten L_M 118, 120 senkrecht zu einer Hauptströmungsrichtung 122 eines Luftmassenstroms aufweist. Die kürzeren Seiten I_M des Rechtecks 116 sind mit den Bezugsziffern 124, 126 bezeichnet und sind parallel zur Hauptströmungsrichtung 122 angeordnet.Furthermore, the sensor chip 110 has a measuring area with a measuring surface 114 in the plane of the drawing. In this exemplary embodiment, the measuring surface 114 is configured in the form of a rectangle 116, which has longer sides _LM 118, 120 perpendicular to a main flow direction 122 of an air mass flow. The shorter sides _IM of the rectangle 116 are designated by reference numerals 124, 126 and are arranged parallel to the main flow direction 122.

Der Sensorchip 110 weist im Bereich der Messoberfläche 114 eine thermische Leitfähigkeit auf, welche bei 0,1 bis 2 W/(m K) liegt, im Vergleich zum umgebenden Festland mit 156 W/(m K). Dies kann durch eine Porösifizierung des Siliciums im Bereich der Messoberfläche 114 erreicht werden. Alternativ kann eine Sensormembran mit einer thermischen Leitfähigkeit vergleichbar der der umgebenden Luft von 0,026 W/m K eingesetzt werden.The sensor chip 110 has a thermal conductivity in the area of the measuring surface 114 of 0.1 to 2 W/(m K), compared to the surrounding land area at 156 W/(m K). This can be achieved by porosifying the silicon in the area of the measuring surface 114. Alternatively, a sensor membrane with a thermal conductivity comparable to that of the ambient air of 0.026 W/m K can be used.

Im Bereich der Messoberfläche 114 sind Leiterbahnen einer zentralen Heißfilmluftmassenmesserschaltung 128 angeordnet. Diese Leiterbahnen 128 setzen sich aus einem zentralen Heizelement 130 und zwei Temperaturfühlern 132, 134 zusammen. Dabei ist ein Temperaturfühler 132 stromaufwärts zum zentralen Heizelement 130 angeordnet und ein Temperaturfühler 134 stromabwärts. Die Leiterbahnen 128 begrenzen in ihren äußeren Abmessungen auf der Messoberfläche 114 einen Sensorbereich 136. Dieser Sensorbereich 136 ist in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls in Form eines Rechtecks 138 ausgestaltet, welches die längeren Seiten 140, 142 und kürzere Seiten 144, 146 aufweist. Die anschlussseitige kürzere Seite 144 des Rechtecks 138 liegt dabei auf der anschlussseitigen kürzeren Seite 124 des Rechtecks 116 der Messoberfläche. Die Seitenlängen des Rechtecks 138 des Sensorbereichs 136 sind in 1A mit L_S und l_S bezeichnet.Conductor tracks of a central hot-film air mass meter circuit 128 are arranged in the area of the measuring surface 114. These conductor tracks 128 consist of a central heating element 130 and two temperature sensors 132, 134. A temperature sensor 132 is arranged upstream of the central heating element 130 and a temperature sensor 134 downstream. The outer dimensions of the conductor tracks 128 define a sensor region 136 on the measuring surface 114. In this exemplary embodiment, this sensor region 136 is also configured in the form of a rectangle 138, which has the longer sides 140, 142 and shorter sides 144, 146. The connection-side shorter side 144 of the rectangle 138 lies on the connection-side shorter side 124 of the rectangle 116 of the measuring surface. The side lengths of the rectangle 138 of the sensor area 136 are in 1A denoted by L _S and l _S .

In dem dem Stand der Technik entsprechenden Ausführungsbeispiel gemäß 1A erstrecken sich die Leiterbahnen 128 der zentralen HFM-Schaltung bis nahezu an das äußere Rechteck 116 der Messoberfläche 114 heran. Typischerweise haben die längeren Seiten 118, 120 des Rechtecks 116 eine Länge L_M von ca. 1600 µm und die kürzeren Seiten 124, 126 des Rechtecks 116 eine Länge von l_M = 450-500 µm. Das Rechteck 138 des Sensorbereichs 136 ist dabei nur unwesentlich kleiner dimensioniert, wobei beispielsweise L_S ungefähr 0,9 bis 0,95 × L_M ist und l_S ungefähr 0,7 × l_m ist.In the embodiment corresponding to the state of the art according to 1A The conductor tracks 128 of the central HFM circuit extend almost to the outer rectangle 116 of the measuring surface 114. Typically, the longer sides 118, 120 of the rectangle 116 have a length L _M of approximately 1600 µm, and the shorter sides 124, 126 of the rectangle 116 have a length of l _M = 450-500 µm. The rectangle 138 of the sensor area 136 is dimensioned only slightly smaller, with, for example, L _S being approximately 0.9 to 0.95 × L _M and l _S being approximately 0.7 × l _m .

Weiterhin ist in 1A auch die Problematik der Ansammlung von Öltröpfchen 148 entlang dem Rechteck 116 der Messoberfläche 114 dargestellt. Diese Öltröpfchen 148 sind somit in unmittelbarer Nachbarschaft der Leiterbahnen 128 angeordnet. Eine leichte äußere Krafteinwirkung, beispielsweise durch den Luftmassenstrom, bewirkt, dass Öltröpfchen 148 auf die Leiterbahnen 128 gelangen. Weiterhin bewirkt die Ansammlung von Öltröpfchen 148 auch eine Veränderung der thermischen Leitfähigkeit des Sensorchips 110 im Bereich des Randes des Rechtecks 116 der Messoberfläche 114. Insbesondere kann durch die Öltröpfchen 148 die Leitfähigkeit am Übergang zwischen Messoberfläche 114 und Festlandsoberfläche 112 erhöht werden. Dies hat einen signifikanten Einfluss auf die Temperaturverteilung auf der Messoberfläche 114. Weiterhin bilden die Öltröpfchen 148 häufig einen Haftvermittler für Staub und Ruß. Zusätzlich bildet sich in vielen Fällen ein „Ölwall“ mit einer Höhe von ca. 30 Mikrometern im Bereich des Randes des Rechtecks 116 der Messoberfläche, was zu Luftverwirbelungen in diesem Bereich führt, die sich erst nach einer gewissen Laufstrecke wieder beruhigen. Dies führt zu einer weiteren Verfälschung des Messsignals. Thermische Effekte und Strömungseffekte, beide hervorgerufen durch die Öltröpfchen 148, wirken also oft zusammen und führen gemeinsam zu einer Veränderung des Messsignals.Furthermore, 1A The problem of the accumulation of oil droplets 148 along the rectangle 116 of the measuring surface 114 is also illustrated. These oil droplets 148 are thus arranged in the immediate vicinity of the conductor tracks 128. A slight external force, for example from the air mass flow, causes oil droplets 148 to reach the conductor tracks 128. Furthermore, the accumulation of oil droplets 148 also causes a change in the thermal conductivity of the sensor chip 110 in the region of the edge of the rectangle 116 of the measuring surface 114. In particular, the oil droplets 148 can increase the conductivity at the transition between the measuring surface 114 and the dry surface 112. This has a significant influence on the temperature distribution on the measuring surface 114. Furthermore, the oil droplets 148 often act as an adhesion promoter for dust and soot. Additionally, in many cases, an "oil wall" with a height of approximately 30 micrometers forms near the edge of rectangle 116 of the measuring surface, causing air turbulence in this area that only settles down after traveling a certain distance. This further distorts the measurement signal. Thermal effects and flow effects, both caused by the oil droplets 148, often interact and together lead to a change in the measurement signal.

Im oberen Bereich von 1A ist eine Temperaturverteilung parallel zur Hauptströmungsrichtung 128 auf der Messoberfläche 114 dargestellt. Dabei wird angenommen, dass das zentrale Heizelement 130 auf eine Temperatur T_max aufgeheizt wird. Das umgebende Chip-Festland mit der Festlandsoberfläche 112 hat eine Umgebungstemperatur T₀. Die Kurven 150, 152 im oberen Bereich von 1A bezeichnen dabei die Temperaturverteilung entlang der Hauptströmungsrichtung 122 auf der Messoberfläche 114 und zwar im Fall ohne Ansammlung von Öltröpfchen 148 (Kurve 150, durchgezogene Linie) bzw. im Fall mit Ansammlung von Öltröpfchen 148 (Kurve 152, gestrichelt). Dabei ist deutlich zu erkennen, dass infolge der erhöhten thermischen Leitfähigkeit und/oder aufgrund der oben beschriebenen Strömungseffekte durch die Öltröpfchen 148 die Temperatur im Bereich der Temperaturfühler 132, 134 absinkt. Dementsprechend wird an diesen Temperaturfühlern 132, 134 eine um den Betrag ΔT_mess geringere Temperatur gemessen als im Fall einer Öltröpfchen-kontaminationsfreien Messung. Dies hat in verschiedener Hinsicht negative Auswirkungen. Eine Auswirkung besteht darin, dass eine geringere gemessene Temperatur grundsätzlich zu einem größeren relativen Messfehler führt. Eine weitere Auswirkung liegt darin, dass eine Schwankung der Kontamination durch Öltröpfchen 148 auch zu einer Schwankung des Temperaturabfalls des ΔT_mess führt. Dies wiederum führt zu einer Drift des Signals des Heißfilmluftmassenmessers.In the upper area of 1A a temperature distribution parallel to the main flow direction 128 on the measuring surface 114 is shown. It is assumed that the central heating element 130 is heated to a temperature T _max . The surrounding chip mainland with the mainland surface 112 has an ambient temperature T ₀ . The curves 150, 152 in the upper area of 1A denote the temperature distribution along the main flow direction 122 on the measuring surface 114, specifically in the case without accumulation of oil droplets 148 (curve 150, solid line) or in the case with accumulation of oil droplets 148 (curve 152, dashed line). It can be clearly seen that, as a result of the increased thermal conductivity and/or due to the flow effects caused by the oil droplets 148 described above, the temperature in the area of the temperature sensors 132, 134 drops. Accordingly, a temperature lower by the amount ΔT _mess is measured at these temperature sensors 132, 134 than in the case of an oil droplet contamination-free measurement. This has negative effects in various respects. One effect is that a lower measured temperature generally leads to a larger relative measurement error. A further effect is that fluctuations in contamination by oil droplets 148 also lead to fluctuations in the temperature drop of the ΔT _measurement . This, in turn, leads to a drift in the signal of the hot-film air mass sensor.

In 1B ist demgegenüber eine erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Sensorchips 110 dargestellt. Prinzipiell ist die Ausgestaltung des Sensorchips 110 entsprechend zur Ausgestaltung gemäß dem dem Stand der Technik entsprechenden Ausführungsbeispiel in 1A. Jedoch ist in 1B erfindungsgemäß die Dimensionierung der Rechtecke 116 und 138 der Messoberfläche 114 bzw. des Sensorbereichs 136 von der Darstellung gemäß 1A stark verschieden. So weist in diesem Ausführungsbeispiel das Rechteck 138 des Sensorbereichs 136 eine kürzere Seitenlänge l_S von 440 µm auf, wohingegen die kürzere Seitenlänge des Rechtecks 116 des Messbereichs 114 eine Länge von l_M = 1500 µm aufweist. Die Dimensionierung der längeren Seitenlängen der Rechtecke 116, 138 ist L_M = 1800 µm und L_S = 1600 µm. Somit ergibt sich, dass die Fläche des Rechtecks 116 der Messoberfläche 114 in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel um einen Faktor 3,8 größer ist als die Fläche des Rechtecks 138 des Sensorbereichs 136. Für die kürzeren Seiten l_m, l_S ergibt sich ein Verhältnis von 3,4, für die längeren Seiten L_M, L_S ein Verhältnis von 1,1.In 1B In contrast, an embodiment of a sensor chip 110 according to the invention is shown. In principle, the design of the sensor chip 110 is similar to the design according to the embodiment corresponding to the state of the art in 1A However, in 1B According to the invention, the dimensions of the rectangles 116 and 138 of the measuring surface 114 and the sensor area 136 differ from the representation according to 1A very different. Thus, in this exemplary embodiment, the rectangle 138 of the sensor region 136 has a shorter side length l _S of 440 µm, whereas the shorter side length of the rectangle 116 of the measuring region 114 has a length of l _M = 1500 µm. The dimensions of the longer side lengths of the rectangles 116, 138 are L _M = 1800 µm and L _S = 1600 µm. It thus follows that the area of the rectangle 116 of the measuring surface 114 in this preferred exemplary embodiment is larger by a factor of 3.8 than the area of the rectangle 138 of the sensor region 136. For the shorter sides l _m , l _S , the ratio is 3.4, and for the longer sides L _M , L _{S ,} the ratio is 1.1.

Wie aus der näherungsweise maßstäblichen Darstellung der Öltröpfchen 148 in 1B hervorgeht, sind in diesem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel die Öltröpfchen 148 am Übergang zwischen Messbereich 114 und Festlandsoberfläche 112 erheblich weiter von dem Sensorbereich 136 und somit von den Leiterbahnen 128 entfernt. Unter „erheblich weiter“ kann beispielsweise verstanden werden, dass die Beabstandung zwischen Öltröpfchen 148 und Leiterbahnen 128 den Durchmesser der Öltröpfchen 148 um ein Vielfaches übersteigt. Da sich nicht in jedem Fall diskrete Öltröpfchen 148 ausbilden, sondern beispielsweise auch kontinuierliche Flüssigkeitsfilme oder Flüssigkeitsbarrieren, ist diese Definition jedoch nicht in allen Fällen anwendbar.As can be seen from the approximate scale representation of the oil droplets 148 in 1B As can be seen, in this exemplary embodiment according to the invention, the oil droplets 148 at the transition between the measuring area 114 and the land surface 112 are considerably further away from the sensor area 136 and thus from the conductor tracks 128. "Considerably further" can be understood, for example, to mean that the spacing between the oil droplets 148 and the conductor tracks 128 exceeds the diameter of the oil droplets 148 by several times. However, since discrete oil droplets 148 do not always form, but rather, for example, continuous liquid films or liquid barriers, this definition is not applicable in all cases.

Weiterhin ist in 1B im oberen Teil wieder ein Temperaturverlauf bei bestimmungsgemäßer Beheizung des zentralen Heizelements 130 dargestellt. Wiederum beschreibt dabei die durchgehende Kurve 150 den Fall ohne Ölkontamination, wohingegen die gestrichelte Kurve 152 den Temperaturverlauf bei Kontamination durch Öltröpfchen 148 beschreibt. Bereits auf den ersten Blick wird deutlich, dass die Kurven 150, 152 sich in diesem Beispiel nur unwesentlich unterscheiden. Dies bedingt, dass im Bereich der Temperaturfühler 132, 134 die Messwertdifferenz ΔT_mess zwischen einer Temperaturmessung ohne Ölkontamination und einer Messung mit Ölkontamination erheblich geringer ist als im dem der Stand der Technik entsprechenden Fall gemäß 1A. Somit lassen sich die Messwertdifferenzen, abhängig vom Betriebspunkt, um ca. 80 bis 95% senken. Dadurch ist bedingt, dass insgesamt die durch die Temperaturfühler 132, 134 gemessenen Temperaturen höher liegen als im Fall gemäß 1A, wodurch die relativen Messfehler insgesamt vermindert werden. Weiterhin wird auch eine kontaminationsbedingte Drift der Signale des Heißfilmluftmassenmessers erheblich reduziert. Somit lassen sich durch eine Anordnung gemäß 1B die Zuverlässigkeit der Messsignale des Heißfilmluftmassenmessers sowie die Langzeitstabilität dieser Signale stark verbessern. Auch eine Drift dieser Signale wird stark reduziert.Furthermore, 1B In the upper part, a temperature profile is shown when the central heating element 130 is heated as intended. Again, the solid curve 150 describes the case without oil contamination, whereas the dashed curve 152 describes the temperature profile when contaminated by oil droplets 148. It is already clear at first glance that the curves 150, 152 differ only slightly in this example. This means that in the area of the temperature sensors 132, 134, the measured value difference ΔT _mess between a temperature measurement without oil contamination and a measurement with oil contamination is considerably lower than in the case corresponding to the state of the art according to 1A . This allows the measured value differences to be reduced by approximately 80 to 95%, depending on the operating point. This means that the temperatures measured by the temperature sensors 132, 134 are higher overall than in the case of 1A , which reduces the relative measurement errors overall. Furthermore, contamination-related drift of the hot-film air mass meter signals is significantly reduced. Thus, an arrangement according to 1B The reliability of the hot-film air mass sensor's measurement signals and their long-term stability are significantly improved. Signal drift is also significantly reduced.

In 2 ist eine besonders bevorzugte Weiterentwicklung eines Sensorchips 110 eines Heißfilmluftmassenmessers dargestellt. Der Sensorchip 110 ist im Wesentlichen ausgestaltet wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß 1B. Dies bedeutet insbesondere, dass der Sensorchip 110 wiederum eine Messoberfläche 114 mit einem Sensorbereich 136 mit Leiterbahnen 128 einer zentralen HFM-Schaltung aufweist. Die Dimensionierung der Rechtecke 116 der Messoberfläche 114 und 138 des Sensorbereichs 136 ist in diesem Ausführungsbeispiel gemäß 2 identisch zum Ausführungsbeispiel gemäß 1B.In 2 A particularly preferred further development of a sensor chip 110 of a hot-film air mass meter is shown. The sensor chip 110 is essentially designed as in the exemplary embodiment according to 1B This means, in particular, that the sensor chip 110 in turn has a measuring surface 114 with a sensor region 136 with conductor tracks 128 of a central HFM circuit. The dimensions of the rectangles 116 of the measuring surface 114 and 138 of the sensor region 136 are in this embodiment according to 2 identical to the embodiment according to 1B .

Zusätzlich zu den Leiterbahnen 128 der zentralen HFM-Schaltung im Sensorbereich 136 sind jedoch in diesem Ausführungsbeispiel gemäß 2 weitere Leiterbahnen auf der Messoberfläche 114 außerhalb des Sensorbereichs 136 angeordnet. So weist die Messoberfläche 114 weiterhin zwei Zusatzheizelemente 154, 156 auf sowie zwei zusätzliche Temperaturfühler 158, 160. Die Zusatzheizelemente 154, 156 und die zusätzlichen Temperaturfühler 158, 160 sind im Wesentlichen parallel zu den Leiterbahnen 128 der zentralen HFM-Schaltung angeordnet. Senkrecht zur Hauptströmungsrichtung erstrecken sich diese Zusatzheizelemente 154, 156 und die zusätzlichen Temperaturfühler 158, 160 jedoch über die Leiterbahnen 128 hinaus bis fast zu der von der Anschlussseite abgewandten kürzeren Seite 126 des Rechtecks 116.In addition to the conductor tracks 128 of the central HFM circuit in the sensor area 136, however, in this embodiment according to 2 Further conductor tracks are arranged on the measuring surface 114 outside the sensor area 136. Thus, the measuring surface 114 further comprises two additional heating elements 154, 156 and two additional temperature sensors 158, 160. The additional heating elements 154, 156 and the additional temperature sensors 158, 160 are arranged essentially parallel to the conductor tracks 128 of the central HFM circuit. However, perpendicular to the main flow direction, these additional heating elements 154, 156 and the additional temperature sensors 158, 160 extend beyond the conductor tracks 128 almost to the shorter side 126 of the rectangle 116, facing away from the connection side.

Wie in 2 symbolisch dargestellt ist, sind die Leiterbahnen 128 der zentralen HFM-Schaltung mit einer Ansteuer- und Auswertungsschaltung 162 zum Ansteuern und Auswerten der Messung des Luftmassenstroms verbunden. Die Zusatzheizelemente 154, 156 und die zusätzlichen Temperaturfühler 158, 160 sind hingegen mit einer Temperaturregelungsschaltung 164 verbunden.As in 2 As symbolically shown, the conductor tracks 128 of the central HFM circuit are connected to a control and evaluation circuit 162 for controlling and evaluating the air mass flow measurement. The additional heating elements 154, 156 and the additional temperature sensors 158, 160, on the other hand, are connected to a temperature control circuit 164.

Im oberen Bereich der 2 ist, analog zur 1B, wiederum der Temperaturverlauf auf der Messoberfläche 114 des Sensorchips 110 bei einer Messung des Luftmassenstroms dargestellt. Wiederum kennzeichnet dabei die gestrichelte Kurve 152 den Fall einer Messung bei einer Kontamination durch Öltröpfchen 148, wohingegen die durchgezogene Linie 150 den Fall einer kontaminationsfreien Messung kennzeichnet. Die Temperaturregelungsschaltung 164 wird dabei so betrieben, dass mittels der Zusatzheizelemente 154, 156 die Temperatur der zusätzlichen Temperaturfühler 158, 160 konstant auf einem vorgegebenen Wert T_fix gehalten wird. Idealerweise liegt diese konstante Temperatur T_fix oberhalb der Temperatur, welche sich am Ort der zusätzlichen Temperaturfühler 158, 160 einstellen würde, wenn die Zusatzheizelemente 154, 156 ausgeschaltet wären und lediglich das zentrale Heizelement 130 betrieben wird. Dies gewährleistet eine Regelbarkeit der Temperatur auf den Wert T_fix allein durch die Zusatzheizelemente 154, 156.In the upper part of the 2 is, analogous to 1B , again the temperature profile on the measuring surface 114 of the sensor chip 110 during a measurement of the air mass flow is shown. Again, the dashed curve 152 indicates the case of a measurement with contamination by oil droplets 148, whereas the solid line 150 indicates the case of a contamination-free measurement. The temperature control circuit 164 is operated such that, by means of the additional heating elements 154, 156, the temperature of the additional temperature sensors 158, 160 is kept constant at a predetermined value T _fix is maintained. Ideally, this constant temperature T _fix is above the temperature that would occur at the location of the additional temperature sensors 158, 160 if the additional heating elements 154, 156 were switched off and only the central heating element 130 were operating. This ensures that the temperature can be controlled to the value T _fix by the additional heating elements 154, 156 alone.

Wie der Temperaturverlauf im oberen Bereich der 2 zeigt, beeinflusst die Kontamination durch Öltröpfchen 148 nunmehr lediglich den Temperaturverlauf stromaufwärts des stromaufwärts gelegenen Temperaturfühlers 158 und stromabwärts des stromabwärts gelegenen Temperaturfühlers 160 (vgl. den Verlauf der Kurven 152, 154). Die Messtemperatur T_mess am Ort der Temperaturfühler 132, 134 wird durch eine Ölkontamination kaum beeinflusst. Somit wird durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung des Sensorchips 110 nicht nur die Ölkontamination 158 in einen Bereich weit abgelegen vom Sensorbereich 136 verdrängt, sondern es wird zusätzlich durch die Zusatzheizelemente 154, 156 und die zusätzlichen Temperaturfühler 158, 160 eine „Temperaturbarriere“ um den Sensorbereich 136 herum geschaffen. Dies bewirkt, dass die Luftmassenmessung durch eine Ölkontamination praktisch nicht mehr beeinflusst wird. Somit sind durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung gemäß 2 Kontaminationseinflüsse und Signaldrift durch Verunreinigung mit Öltröpfchen 148 nahezu ausgeschlossen.As the temperature curve in the upper part of the 2 shows, the contamination by oil droplets 148 now only influences the temperature profile upstream of the upstream temperature sensor 158 and downstream of the downstream temperature sensor 160 (cf. the profile of curves 152, 154). The measurement temperature T _mess at the location of the temperature sensors 132, 134 is hardly affected by oil contamination. Thus, by this inventive design of the sensor chip 110, not only is the oil contamination 158 displaced to an area far away from the sensor area 136, but a "temperature barrier" is also created around the sensor area 136 by the additional heating elements 154, 156 and the additional temperature sensors 158, 160. This has the effect that the air mass measurement is practically no longer influenced by oil contamination. Thus, by the inventive design according to 2 Contamination influences and signal drift due to contamination with oil droplets 148 are almost eliminated.

Es sei abschließend noch darauf hingewiesen, dass die Ausgestaltung der Sensorchips 110 gemäß den Ausführungsbeispielen in den 1B und 2 symmetrisch zu einer Symmetrielinie 166 sind. Diese Symmetrielinie 166 ist senkrecht zur Hauptströmungsrichtung 122 des Luftmassenstroms angeordnet. Eine derartige symmetrische Anordnung der Leiterbahnen 128 und der Zusatzheizelemente 154, 156 sowie der zusätzlichen Temperaturfühler 158, 160 erleichtert die Auswertung der Messsignale des Heißfilmluftmassenmessers erheblich. In diesem Fall kann auf eine abschließende Korrektur der Messsignale aufgrund von asymmetriebedingten Artefakten verzichtet werden. Dies erleichtert die Auswertung. Selbstverständlich sind jedoch auch asymmetrische Ausgestaltungen von Sensorchips 110 und Messoberflächen 114 denkbar.Finally, it should be noted that the design of the sensor chips 110 according to the embodiments in the 1B and 2 are symmetrical to a line of symmetry 166. This line of symmetry 166 is arranged perpendicular to the main flow direction 122 of the air mass flow. Such a symmetrical arrangement of the conductor tracks 128 and the additional heating elements 154, 156, as well as the additional temperature sensors 158, 160, significantly facilitates the evaluation of the measurement signals of the hot-film air mass meter. In this case, a final correction of the measurement signals due to asymmetry-related artifacts can be omitted. This facilitates the evaluation. Of course, asymmetric designs of sensor chips 110 and measuring surfaces 114 are also conceivable.

Claims

A hot-film air mass meter for measuring an air mass flow flowing in a main flow direction (122), in particular in the intake tract of an internal combustion engine, wherein the hot-film air mass meter comprises a sensor chip (110) with a chip surface over which the air mass flow can flow, wherein the chip surface comprises a measuring surface (114) and a main surface (112), wherein the sensor chip (110) has a thermal conductivity in the region of the measuring surface (114) that is at least one order of magnitude lower than in the region of the main surface (112), wherein conductor tracks (128) of a central hot-film air mass meter circuit are applied to the measuring surface (114), wherein the measuring surface (114) and a sensor region (136) essentially have the shape of rectangles (116, 138), wherein the longer sides of each rectangle (116, 138) are arranged essentially perpendicular to the main flow direction (122), characterized in that that the measuring surface (114) is larger by a factor of 3 to 4 than the sensor area (136) of the measuring surface (114) defined by the external dimensions of the conductor tracks (128) of the central hot-film air mass meter circuit, wherein the conductor tracks (128) are composed of a central heating element (130) and two temperature sensors (132, 134), wherein a temperature sensor (132) is arranged upstream of the central heating element (130) and a temperature sensor (134) downstream, wherein the shorter side (124, 126) of the rectangle (116) of the measuring surface (114) is longer by a factor of 3 to 4 than the shorter side (144, 146) of the rectangle (138) of the sensor area (136), wherein the shorter side (144, 146) of the rectangle (138) of the sensor area (136) has a length l _S in the range of 350 to 550 micrometers and particularly preferably 440 micrometers and the shorter side (124, 126) of the rectangle (116) of the measuring surface (114) has a length l _M in the range of 1300 to 1700 micrometers and particularly preferably 1500 micrometers.

Hot-film air mass meter according to the preceding claim, characterized in that the rectangle (138) of the sensor region (136) is arranged substantially symmetrically with respect to an axis of symmetry (166) perpendicular to the main flow direction (122) in the rectangle (116) of the measuring surface (114).

Hot-film air mass meter according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor region (136) perpendicular to the main flow direction (122) has a maximum extent L _S of 80% to 100% of the maximum extent L _M of the measuring surface (114) perpendicular to the main flow direction (122).

Hot-film air mass meter according to one of the preceding claims, additionally comprising at least one additional heating element (154, 156) and at least one additional temperature sensor (158, 160), wherein the at least one additional heating element (154, 156) and the at least one additional temperature sensors (158, 160) are arranged on the measuring surface (114) outside the sensor area (136).

Hot-film air mass meter according to the preceding claim, wherein the conductor tracks (128) of the central hot-film air mass meter circuit are connected to a control and evaluation circuit (162) for controlling and evaluating the measurement of the air mass flow, characterized in that the at least one additional heating element (154, 156) and the at least one additional temperature sensor (158, 160) are connected to a temperature control circuit (164) for setting and/or regulating a predetermined temperature T _fix .

Hot-film air mass meter according to one of the two preceding claims, wherein the sensor region (136) is designed substantially in the form of a rectangle (138), wherein the rectangle (138) has two sides (140, 142) arranged perpendicular to the main flow direction (122), characterized in that the at least one additional heating element (154, 156) extends substantially parallel to the sides (140, 142) arranged perpendicular to the main flow direction (122).

Hot-film air mass meter according to one of the three preceding claims, characterized in that at least one first additional heating element (154) and at least one first additional temperature sensor (158) are arranged upstream of the sensor region (136) with respect to the main flow direction (122), and in that at least one second additional heating element (156) and at least one second additional temperature sensor (160) are arranged downstream of the sensor region (136) with respect to the main flow direction (122).