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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Fluidmassenmesser mit mindestens
einem Sensorelement, das an einer Oberfläche ein elektrisches Heizelement
aufweist, das auf Basis einer durch das Sensorelement gemessenen
Temperatur und einer an das vorbeiströmende Fluid abgegebene Heizleistung zur
Bestimmung einer vorbeiströmenden
Fluidmasse ausgebildet ist.
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Die
vorliegende Erfindung ist generell zur Messung fließender Massen
fluider Stoffe anwendbar, wird jedoch aufgrund der hohen wirtschaftlichen Bedeutung
nachfolgend nur im Hinblick auf Luftmassenmessungen im Kraftfahrzeugbereich
betrachtet werden, ohne dass die Erfindung auf diesen speziellen
Bereich beschränkt
ist. In bekannter Weise wird in Verbrennungskraftmaschinen ein Luft-Treibstoffgemisch
unter Verdichtung zur Verbrennung gebracht. Ein als Luftmassenmesser
ausgebildeter Fluidmassenmesser wird zur Ermittlung der von einer
Verbrennungskraftmaschine angesaugten Luft verwendet. Auf Basis
einer möglichst
zuverlässigen
Information über
eine angesaugte Luftmasse kann eine Verbrennung durch eine Motorsteuerung
dahingehend optimiert werden, dass eine auf die Luftmasse abgestimmte
Kraftstoffmenge den jeweiligen Brennräumen zugeführt wird. Im Ergebnis wird
dadurch eine bessere Energieausnutzung bei verringertem Schadstoffausstoß erzielt.
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Zahlreiche
moderne Verbrennungskraftmaschinen sind heute mit einem Abgas-Turbolader
ausgestattet, welcher eine Vorverdichtung der Luftmasse bewirkt.
Wurde bereits zu Beginn der Entwicklung von Verbrennungskraftmaschinen
der Versuch einer Vorkompression der einer Verbrennungskraftmaschine
zuzuführenden
Luft mit dem Ziel einer Erhöhung der
Motorleistung durch Erhöhung
des Luftmengen- und Kraftstoffdurchsatzes pro Arbeitstakt durchgeführt, so
wird heute die Aufladung von Otto-Verbrennungskraftmotoren nicht
mehr primär
unter dem Leistungsaspekt gesehen, sondern als Möglichkeit zur Einsparung von
Kraftstoff und zur Minderung von Schadstoffen. Dabei wird in bekannter
Weise einem jeweiligen Abgasstrom Energie zur Vorverdichtung des
Luftmassenstromes durch eine im Abgasstrom laufende Turbine mit
daran mechanisch gekoppeltem Frischluft-Verdichter entzogen, so
dass beispielsweise ein Dieselmotor nun nicht mehr als Saugmotor, sondern
als aufgeladener Motor mit Ladeluftdrücken von bis zu 1,5 bar oder
gar 2,5 bar bei deutlicher Leistungssteigerung und reduziertem Schadstoffausstoß arbeitet.
Hierzu ist selbstverständlich
einer jeweiligen Treibstoffmasse eine Luftmasse in einem vorgegebenen
Verhältnis
zuzugeben, so dass einem Luftmassensensor eine wesentliche Bedeutung
bei der Wirtschaftlichkeit und Schadstoffreduktion einer Verbrennungskraftmaschine
zukommt.
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Da
es bei dem chemischen Vorgang der Verbrennung in jedem Betriebszustand
einer Verbrennungskraftmaschine auf die Massen verhältnisse
von Kraftstoff und Luft ankommt, ist der Massendurchfluss der Ansaug-/Ladeluft
auch fortlaufend möglichst genau
zumessen. Der maximal zu messende Luftmassenstrom liegt je nach
Motorleistung der Verbrennungskraftmaschine im Bereich von 400 bis
ca. 1000 kg/h. Aufgrund des niedrigen Leerlaufbedarfes moderner
Verbrennungskraftmaschinen beträgt
das Verhältnis
eines minimalen zu einem maximalen Luftdurchsatz zwischen 1:90 bis
etwa 1:100.
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Aus
der
DE 44 07 209 A1 ist
ein Luftmassenmesser bekannt, der in einen Ansaugkanal zur Bestimmung
einer Luftmasse eingesteckt wird, wobei ein definierter Anteil der
Gesamtströmung
den Luftmassensensor durchströmt.
Hierzu ist dieser als Einsteckkanal-Luftmassenmessvorrichtung ausgebildet und
umfasst einen in einem Messkanal angeordneten Sensor, eine in einem
Gehäuse
angeordnete Elektronik für
diesen Sensor sowie einen Auslasskanal jenseits des Sensorelements.
Für eine
platzsparende Anordnung werden die genannten Kanäle bzw. Luftführungswege
U-, S- oder C-förmig
ausgebildet, so dass eine insgesamt kompakt als Einsteckelementbauende
Vorrichtung gebildet wird.
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Eine
gemäß der Lehre
der
WO 03/089884 A1 ausgebildete
Luftmassenmessvorrichtung unter Verwendung eines als Heißfilmanemometer
ausgebildeten Sensors hat sich prinzipiell bewährt. Auch in dieser Ausführung sind
die eingesetzten Sensorelemente als dünne, längliche Elemente ausgebildet, die
endseitig elektrisch kontaktiert und zugleich auch mechanisch fixiert
werden. Ein derartiger Sensor wird in Form eines einseitig beschichteten
Glaschips auf einen Träger
gelötet.
Der Sensor muss in seinem Anlieferzustand gereinigt werden, da er
zusammen mit vielen gleichartigen Sensoren auf einem Glasträger mit
Wachs aufgeklebt geliefert wird. Der Träger wird mit einer bereits
zuvor bestückter
Auswerteelektronik in Form einer Keramikplatine beklebt, die anschließend zum
Schutz vergossen werden muss, vorzugsweise mit Silgel. Nachdem die
elektrische Kontaktierung durch Bonden erfolgt ist, ist eine sehr genaue
Positionierung des Strömungskanals
auf dem Sensor notwendig.
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Die
DE 10 2005 036 189
A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Heißfilmluftmassenmessers,
welcher beispielsweise zur Messung von Luftmassenströmen im Ansaugtrakt
einer Verbrennungskraftmaschine eingesetzt werden kann. Der Heißfilmluftmassenmesser
weist einen Heißfilm-Sensorchip
auf. Es wird mittels eines Kunststoff-Formgebungsverfahrens ein
Trägerelement
hergestellt, welches eine Aufnahme zur Montage des Heißfilm-Sensorchips
aufweist. Mittels eines MID(Molded Interconnect Device, spritzgegossener
Schaltungsträger)-Verfahrens
wird mindestens eine Leiterbahn auf das Trägerelement aufgebracht. Auf
diese mindestens eine Leiterbahn wird wiederum in einem anschließenden Verfahrensschritt
mindestens ein elektronisches Bauelement aufgebracht. Anschließend wird
der Heißfilm-Sensorchip
in die Aufnahme aufgebracht.
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Die
DE 29 25 975 A1 offenbart
einen Mengendurchflussmesser, bei dem ein strömendes Medium an zwei stromdurchflossenen
elektrischen Leitern mit temperaturabhängigem Widerstand vorbeigeführt wird.
Der eine elektrische Leiter wird durch einen elektrischen Strom
aufgeheizt und dient als Messwiderstand.
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Der
zweite elektrische Leiter dient als Vergleichswiderstand und wird
durch den elektrischen Strom nicht aufgeheizt. Der Messwiderstand
und der Vergleichswiderstand sind als dünne Widerstandsschichten ausgebildet,
welche auf ein dünnes
Substrat aufgebracht sind.
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Die
DE 199 57 437 A1 offenbart
einen Pfosten, der in einen Strömungsmitteldurchgang
zum Durchlassen einer Strömungsmittelströmung vorzusehen
ist, so dass er sich über
einen Teil der Strömungsmittelströmung erstreckt.
In dem Pfosten ist ein Messdurchgang ausgebildet, der sich durch
diesen hindurch erstreckt. Es ist ein Strömungsratendetektor in dem Messdurchgang
vorgesehen. Der Messdurchgang besitzt eine Strömungsmitteleintrittsöffnung,
die in einer länglichen
Gestalt ausgebildet ist, wobei der Messdurchgang verengt ist, indem
er wenigstens einen Abschnitt zwischen der Strömungsmitteleintrittsöffnung und
dem Strömungsratendetektor
aufweist, der sich glatt oder sanft in stromabwärts der Strömung in einer longitudinalen Richtung
der länglichen
Gestalt hin verengt.
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Sensorelemente
für derartige
Gasflusssensoren müssen
spezielle Eigenschaften aufweisen, wie z. B. eine geringe Wärmeleitung,
gute Strukturier- bzw. Metallisierbarkeit, mechanische Festigkeit
und gute Handhabbarkeit. Diese Anforderungen schränken die
Auswahl unter prinzipiell einsetzbaren Materialien und möglichen
Sensorgeometrien stark ein, so dass nur einfache Geometrien wirtschaftliche
Anwendung finden. Weiterhin müssen
die Sensorelemente in einer Strömungsführung bzw.
einem Strömungskanal
sehr präzise
platziert und dauerhaft zuverlässig
elektrisch kontaktiert werden. Diese Bedingungen stellen hohe Anforderungen
an die entsprechenden Herstellungsprozesse, Verbindungstechnologien
und eingesetzten Materialien.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Fluidmassensensor
der eingangs genannten Art mit verbesserten Eigenschaften zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsformen
sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Erfindungsgemäß weist
ein Sensorelement eines Fluidmassenmessers einen Grundkörper auf,
der aus einem Kunststoff besteht. Eine Grundplatte mit mindestens
einem angespritzten Grundkörper
ist vorgesehen für
einen Temperaturfühler
bzw. für
ein Sensorelement und/oder ein Heizelement. Der Grundkörper ist
das Produkt eines Spritzgießprozesses
in Form eines dreidimensionalen Strukturbauteils, wobei die Grundplatte
als einstückiges
Strukturbauteil die Aufgaben eines Elektronikträgers, eines Abschnitts eines
Strömungskanals
sowie eines Teils des Gehäuses
in sich vereinigt.
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Ein
Vorteil ist, dass Kunststoffe eine noch geringere Wärmeleitung
haben als die meisten bisher verwendeten Werkstoffe:
Glas:
~1 W/(m*K)
Keramik: ~3 W/(m*K)
Kunststoff, z. B. Vectra®:
~0,4 W/(m*K).
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Ein
Weiterer Vorteil ist, dass durch die Ausführung der Grundplatte als einstückiges Strukturbauteil
das Sensorelement selber mit der Strömungsführung kombiniert in demselben
Spritzteil einstückig ausgeführt ist.
Es sind damit keine gesonderten Sensorhalterungen mehr notwendig.
Dadurch sind komplexere Strömungsgeometrien
bei geringerem Fertigungsaufwand denkbar, wobei zugleich das mindestens
eine Sensorelement darin sehr präzise
und wiederholgenau positionierbar ist. Vorzugsweise findet ein Sensormodul
Verwendung, der als spritzgegossener Schaltungsträger Produkt
eines Moulded Interconnect Devices- bzw. abgekürzt MID-Verfahrens ist, nach
dem unter Anwendung von Zweikomponentenspritzgießen und/oder Heißprägetechniken
3-dimensionale elektronische
Baugruppen hergestellt werden, wie hier speziell spritzgegossene
Schaltungsträger
als räumliche
Kunststoffteile mit umspritzen und/oder nachträglich aufgetragenen Leiterbahnen. MID-Bauteile
ermöglichen
die Verbindung von elektrischen und mechanischen Elementen und nahezu belie big
geformten Leiterplatten, erlauben völlig neue Funktionen und helfen
bei der Miniaturisierung von Produkten bei gleichzeitiger Einsparung
mechanischer Bauteile unter vereinfachter Montage und erhöhter Zuverlässigkeit.
Das eigentliche Sensorelement kann dabei im Fall eines sog. Heißfilmanemometers
ebenfalls als Stück
einer Leiterbahn aufgefasst werden. Damit können die eigentliche Herstellung
eines Sensorelements und Anbringen dessen Kontaktierung in einem
gemeinsamen Prozessschritt erfolgen.
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Die
MID-Technologie verbessert die Gestaltungsfreiheit hebt zudem ein
Rationalisierungspotenzial bezüglich
des Herstellungsprozesses des Endproduktes durch Reduzierung der
Teileanzahl unter Materialeinsparung und der Verkürzung einer
gesamten Prozesskette. Unter Verwendung des MID-Verfahrens ist es
also leicht möglich,
die strömungsführende Komponente
sogar unter strömungsphysikalischer
Optimierung mit weiteren Teilen eines Außengehäuses und dem Schaltungsträger selber einstückig zusammenzuführen. Auch
können
z. B. externe Schnittstellen in Form eines Steckverbinders zur Signalweiterleitung
an ein Steuergerät
oder eine Motorelektronik direkt in der Fertigung eines komplexen
Moduls angespritzt werden. Dadurch reduzieren sich die Toleranzanforderungen
an die beteiligten Prozesse und Komponenten deutlich.
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Vorzugsweise
ist eine Auswerteelektronik auf dasselbe Kunststoffelement gelötet, welches auch
das mindestens eine Sensorelement selbst trägt. Es ist damit keine separate
Platine oder Ähnliches
als getrennter Bauteil- bzw. Schaltungsträger mehr erforderlich.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung ist eine Abdichtung eines Strömungskanals
zu der Auswerteelektronik hin weitgehend ohne Klebe- und/oder Vergussschritte
realisiert.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend unter Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels
mit Bezugnahme auf die Abbildungen der Zeichnung angegeben. In der
Zeichnung zeigen in schematisierter Darstellung:
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1a und 1b:
einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Sensorelement mit elliptischem
Querschnitt für
einen Luftmassenmesser sowie eine Draufsicht auf die Ausführungsform
von 1a unter Darstellung Meander-förmiger Metallisierungsleiterbahnen
und endseitiger Kontaktflächen zur
Ausbildung definierter Lötstellen;
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2a bis 2f:
Skizzierte Draufsichten und jeweils zugehörige Seitenansichten von Schritten
eines MID-Prozesses zum Aufbau eines Sensormoduls;
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3:
einen Querschnitt durch einen Abschnitt eines Ansaugtraktes als
einem Rohrstück
mit eingesetztem Sensormodul mit einem bekannten Luftmassensensor
in einer Einbaulage;
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4:
eine perspektivische Darstellung des Heißfilmanemometers aus 3 mit
benachbarter elektronischer Beschaltung bei teilweise geöffnetem Gehäuse;
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5:
eine dreidimensionale Darstellung des Heißfilmanemometers aus 4 in
einer Rückansicht
bei geöffnetem
Gehäuse.
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Über die
verschiedenen Abbildungen hinweg werden nachfolgend gleiche Begriffe
und Bezugszeichen für
gleiche Bauelemente verwendet werden.
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3 zeigt
einen Längsschnitt
durch einen Luftmassenmesser bestehend aus einem Rohrstück
1 mit
einem darin eingesetzten und fixierten Sensormodul
2 gemäß der Lehre
der
DE 101 35 819
A1 in einem Gehäuse
3 gemäß der
WO 03/089884 A1 . Dieses
Rohrstück
1 ist
hier Teil eines Ansaugrohrs in einem Personenkraftwagen, durch das
die Frischluft von einem hier nicht dargestellten Luftfilter und/oder Ladeluftkühler in
einem Motorraum zu einem ebenfalls nicht weiter dargestellten Brennkraftmotor
geführt
wird.
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Aus
dem Ansaugrohr 1 wird ein Teil der angesaugten Luft durch
das in das Ansaugrohr 1 hineinragende Gehäuse 3 abgezweigt
und durch eine Einlassöffnung 4 in
den Luftmassenmesser 2 geführt. Die Luft strömt dann
in dem Gehäuse 3 von
der Einlassöffnung 4 über ein
Hilfsrohr 5 zu einer Auslassöffnung 6. Dabei strömt die Luft
an einem Sensorelement 7 und einem Sensorelement 8 vorbei.
Derartige Sensorelemente 7, 8 sind als temperaturabhängige Widerstände ausgebildet,
die in der Regel in Form einer Wheatstone'schen Brücke miteinander verschaltet
sind. Mit Sensorelement 7 wird die Temperatur der einströmenden Luftmasse
bestimmt. Die vorbeiströmende
Luft kühlt
das beheizte Sensorelement 8 ab, wobei ein Messsignal erzeugt
wird, das repräsentativ für den Luftmassenstrom
ist, der an den Sensorelementen 7, 8 vorbeiströmt.
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Der
Luftmassenmesser 2 weist zudem in dem Gehäuse 3 Ausnehmungen
auf, in denen unter anderem auch eine hier nur angedeutete Platine
mit einer Elektronik 9 integriert ist. Nach dem Einsetzen und
Kontaktieren über
Bond-Drähte
wird die Elektronik 9 in der Ausnehmung des Gehäuses 3 von
einem Deckel 10 abgedeckt und hermetisch gegenüber allen
Umwelteinflüssen
abgeschirmt. Unter Schaffung sehr kurzer Signalwege wird den Sensorausgangssignalen
mittels der Auswerteelektronik 9 des Massen strommessers 2 ein
entsprechender Massenstromwert unter Berücksichtigung der Tatsache zugeordnet,
dass von dem in der mit dem Pfeil 11 dargestellten Hauptströmungsrichtung
strömenden
Luftmassenstrom nur ein Teilstrom 12 innerhalb des Sensorgehäuses 3 ausgewertet
wird. Die Zuordnung der Sensorsignale zu den Massenstromwerten erfolgt über eine
Kennlinie und kann analog oder digital erfolgen.
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In
einer Vorrichtung gemäß 3 findet
also ein Luftmassensensor auf der Grundlage eines Heißfilmanemometers
Einsatz. Ein hier verwendetes Heißfilmanemometer 7 ist
in dem Massenstrommesser 2 in perspektivischer Darstellung
bei geöffnetem Gehäuse 3 in 4 vergrößert wiedergegeben.
Es besteht aus zwei Sensoren 7, 8 und dazugehöriger Elektronikschaltung 9 für den Temperaturfühler 7 und den
mit elektrischer Heizleistung versorgten Sensor 8. Ein
Schichtaufbau eines in Form eines Wafers gefertigten und nachfolgend
vereinzelten Sensors 7, 8 umfasst ein dünnes Trägermaterial
aus ca. 150 μm dickem
Glas, auf dem eine temperaturabhängige
Widerstandsschicht auf einer Molybdän-Basis mit einer Mächtigkeit
von etwa 0,8 bis 1 μm
aufgetragen ist. Diese Widerstandsschicht wird durch eine nur ca. 350
nm starke Passivierungsschicht überdeckt,
die eine durch Oxidationsprozesse hervorgerufene Widerstandsdrift
verhindert. Da sich in der Ansaugluft jedoch neben Sauerstoff auch
Schmutzpartikel, Salze und Feuchtigkeit selbst in Tropfenform befinden, muss
auf den vorstehend beschriebenen Schichtaufbau eine weitere Schicht
zum Schutz vor Feuchtigkeit und Verschmutzung, die zu Kurzschlüssen an
der Widerstandsschicht führen
können,
aufgetragen werden. Als Schutz wird derzeit eine ca. 5 μm starke
Polyimid-Schutzschicht aufgetragen. Der Sensor ist derzeit also
mit zwei Deckschichten aufgebaut, da die erste Deckschicht prozesstechnisch
bedingt sehr kleine Löcher
aufweist, sogenannte Pinhols. Um die Barunterliegende Widerstandsschicht
vor Kurzschlüssen
durch Feuchtigkeit und Schmutz zu schützen, wird die zweite Schutzschicht
benötigt.
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Regelmäßig trifft
Ansaugluft mit Temperaturen in einem Bereich von 125°C bis 130°C auf ein durch
das als Heißfilmanemometer
ausgebildetes Sensorelement 7. Durch das Sensorelement 7 selber wird
eine Übertemperatur
von bis zu 150°C
bewirkt, so dass am Sensorelement 7 insgesamt Heiztemperaturen
von bis zu 250°C
auftreten. In einem oberen Temperaturbereich wird die durch das
Sensorelement 7 selber bewirkte Übertemperatur soweit definiert
gekappt, dass eine Grenztemperatur von etwa 250°C nicht überschritten wird, die in etwa
auch eine Grenze einer Temperaturbeständigkeit bekannter Beschichtungen
dargestellt. Mit einem entsprechenden Sicherheitszuschlag muss eine
Beschichtung an einer Oberfläche 15 eine
ausreichende Temperatur-Dauerbeständigkeit bis circa 280°C aufweisen. Dünne Schichten
sind für
diese Art Sensoren notwendig um die thermische Trägheit des
Sensors zu minimieren. An dieser Stelle wird eine Beschichtung mit
Parylene HT vorgesehen: Das Material Parylene HT ist hydrophob,
wasserundurchlässig,
hochtemperaturfest bis ca. 350°C,
und kann außerdem
in sehr dünnen
Schichten von < 2 μm aufgetragen
werden.
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Eine
derartige Beschichtung 15 kann auch als Korrosions- und
Verschmutzungsschutz auf die elektrisch leitende Kontakte 13, 14 und
die in 5 ausgeblendete Auswerteelektronik 9 mit
einer zugehörigen
Bonddraht-Kontaktierung ausgedehnt sein. Derzeit wird die Auswerteelektronik 9 jedoch
regelmäßig z. B.
in einer dicken Schicht mit einem Silgel überzogen, die dann vor den
nächsten
Arbeitsschritten erst noch ausgehärtet werden muss.
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Erfindungsgemäß wird die
vorstehend skizzierte Komplexität
des Sensorelemente 7, 8 und deren thermische Trägheit dadurch
gesenkt, dass das Sensorelement 7, 8 den Kunststoff
LCP als Trägermaterial
ausweist. In einem nicht weiter dargestellten Ausführungsbeispiel
sind in dem Sensormodul oder direkt in der zugehörigen Elektronik elektrische
Regelungsmittel vorgesehen, um die Betriebstemperatur eines Sensorelementes
unterhalb einer Grenze von ca. 250°C zuhalten. Ab hier wird erst
eine Er weichungsgrenze von LCP-Materialien erreicht, so dass in
diesem Bereich auch für
einen Dauerbetrieb stabile Verhältnisse
herrschen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist ein Grundkörper 16 mit
strömungsgünstigem
und ungefähr
elliptisch ausgebildetem Querschnitt für ein Sensorelement 7, 8 gewählt worden,
siehe 1a. Eine regelmäßig angeströmte Kante 17,
in 1a durch den Pfeil v angedeutet, ist mit einer
Beschichtung 18 aus Platin versehen.
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Alternativ
kann auch eine asymmetrisch geformte Querschnittsfläche vorgesehen
sein, was zeichnerisch hier nicht weiter dargestellt ist. Mit einer asymmetrisch
geformten Querschnittsfläche
ist eine gezielt schräge
Anströmung
des betreffenden Sensorelements erreichbar. Hierbei können vorteilhafterweise
strömungsphysikalische
Besonderheiten zur Erhöhung
der Messgenauigkeit genutzt werden, wie z. B. Staudruck-Zonen etc..
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1b zeigt
eine Draufsicht auf ein Sensorelement 7, 8 gemäß 1a,
bei dem sich Meander-förmige
Metallisierungsleiterbahnen 19 aus Platin zwischen zwei
endseitig angeordneten Kontaktflächen 20 zur
Ausbildung definierter Lötstellen
erstrecken. Der Kunststoff LCP lässt
sich nach gekannten Verfahren metallisch z. B. mit Platin metallisieren bzw.
beschichten und nachfolgend mit Hilfe optischer Verfahren und additiv
oder subtraktiv nach LSS- oder LDS-Verfahren strukturieren, um z.
B. einen gewünschten
elektrischen Kaltwiderstand und/oder eine definierte Leiterlänge einzustellen.
Sehr glatte und weitgehend kantenfreie Oberflächen senken die Möglichkeit
zur Anhaftung von Wasser und/oder Schmutzpartikel, so dass dieser
Aufbau neben seiner auch ohne weitere Schutzbeschichtungen gegebenen
Korrosionsbeständigkeit
auch einen Beitrag zur Senkung der Anfälligkeit gegen Verschmutzung
leistet.
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Das
Sensorelement 7, 8 wird über ein in der Elektronikindustrie übliches
Pick&Place-System nach
einem SMD-Verfahren bestückt
und gelötet,
da man nicht mehr auf die derzeit noch üb liche Anlieferung auf einem
Träger
für die
Sensoren angewiesen ist. Eine platzsparende Anlieferung auf Tape-Rollen wäre möglich. Die
mechanische Robustheit der beschriebenen Sensorelement 7, 8 ist
gegenüber
den mit Bezug auf 3 und 4 beschriebenen
Sensorelemente deutlich verbessert, ebenso fallen parasitäre thermische
Effekte einer Abkühlung über die Sensorhalterungen 12, 13 weit
geringer aus, da sich derartige Element durch eine sehr geringere
Wärmeleitung
auszeichnen.
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In
einem alternativen Ausführungsbeispiel der
Erfindung wird nun eine Fertigung eines kompletten Sensorsystems
betrachtet: Die Abbildungen der 2a bis 2f zeigen
Draufsichten mit jeweils eine zugehörige Seitenansicht von Schritten
eines MID-Prozesses
zum Aufbau eines Sensormoduls mit stark reduzierter Anzahl von Einzelteilen.
In einem ersten Schritt wird eine LCP- bzw. Vectra®-Grundplatte 21 mit
einem angespritzten Grundkörpern 16 eines Temperaturfühler bzw.
Sensorelement 7 und eines Heizelements 8 als Produkt
eines Spritzgießprozesses
in Form eines dreidimensionalen Strukturbauteils hergestellt. Diese
Grundplatte 21 vereinigt als einstückiges Strukturbauteil die
Aufgaben eines Elektronikträgers 9,
eines Abschnitts eines Strömungskanals 5 sowie
eines Teils des Gehäuses 3 in
sich und trägt damit
wesentlich zur Bildung eines kompakten Sensormoduls 2 bei,
siehe 2a und 2b.
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In
einem nachfolgenden Schritt werden elektrische Leitbahnen 19 sowie
Kontaktierungen 20 in Kupfer und die elektrisch leitenden,
eigentlichen Sensorbeschichtungen 18 in Form von Metallisierungen aus
Platin und/oder Kupfer aufgebracht und mittels negativer Laser-Strukturierung
bzw. Laser substractive structuring LSS, Laser-Direktstrukturierung
bzw. Laser direct structuring LDS oder einem ähnlichen Verfahren zur Ausbildung
elektrisch definiert leitfähiger
Schichten strukturiert, wie in den Abbildungen der 2c und 2d angedeutet.
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Schließlich werden
zusätzliche
Umwandungen bzw. Gehäusewandungen 24, 25 zur
Kapselung einer Elektronik 9 sowie zur Ausbil dung mindestens eines
Abschnitts eines Strömungskanals 5 mit
der Grundplatte 21 durch Anspritzen verbunden. Auf diese
Gehäusewandungen 24, 25 wird
abschließend
ein Gehäusedeckel 10 aufgesetzt
und durch einen Laserschweißprozess
abdichtend verbunden, siehe 2d und 2e.
Zuvor wird nach einem Auflöten bzw.
SMD-Bestücken
von Elektronikkomponenten und/oder Trennkondensatoren 23 ein
elektrischer Funktionstest durchgeführt.
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Er
folgt ein Aufbringen einer Schutzschicht für die Sensoren 7, 8 und
der Elektronik 9 durch Bedampfen mit Parileny bzw. Parylene
HT. Nachfolgend kann ein Deckel aufgeklebt oder aufgeschweißt werden,
und das Sensormodul kann an einer nach außen gerichteten elektrischen
Schnittstelle nach Belieben mit einem kundenspezifischen Stecker
versehen werden.
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Vorteilhafterweise
entfällt
durch ein vorstehend beschriebenes Verfahren mindestens ein komplexes,
bondbares Stanz-Biegeteil, wobei insgesamt eine wesentlich geringere
Anzahl von Einzelkomponenten mit jeweiligen Verbindungstechnologien
auftreten. Am wesentlichsten ist jedoch der Fortfall einer separat
herzustellenden Verbindung zwischen einem Sensor und einem Träger, wobei
der Träger
gerade in Form der vorstehend beschriebenen Grundplatte 21 den
Aufbau einer komplexen, räumlichen
Sensorgeometrie ermöglicht.
Zugleich ist ein Korrosionsschutz für Elektronik und Sensor auch
ohne das sonst erforderliche Vergießen mit Silgel o. ä. herstellbar.
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- 1
- Rohrstück
- 2
- Sensor/Sensormodul
- 3
- Gehäuse
- 4
- Einlassöffnung
- 5
- Hilfsrohr/Bypass
- 6
- Auslassöffnung
- 7
- Sensorelement
- 8
- Heizelement
- 9
- Elektronik
- 10
- Deckel
- 11
- Pfeil/Hauptflussrichtung
der Luftströmung
- 12
- Teilstrom
durch das Sensormodul hindurch
- 13
- elektrisch
leitender Kontakt
- 14
- elektrisch
leitender Kontakt
- 15
- Oberfläche
- 16
- Grundkörper
- 17
- angeströmte Kante
- 18
- Beschichtung
aus Platin
- 19
- Metallisierungsleiterbahn
- 20
- Kontaktfläche/Lötstelle
- 21
- Grundplatte
- 22
- Kupfermetallisierung/Leitbahnen/Kontaktfläche
- 23
- diskretes
Bauelement (SMD-Technik)
- 24
- Gehäusewandung
- 25
- Gehäusewandung