(57)【要約】  本発明は、空気質量計であって、該空気質量計が、マイクロマシニング型の構造形態で形成されたセンサエレメントを備えており、該センサエレメントが、加熱素子を有しており、センサエレメントに、加熱素子（１２）を基準として上流側には第１の温度センサ素子が配置されていて、加熱素子を基準として下流側には第２の温度センサ素子が配置されており、第１の温度センサ素子が、第１の幅（ＢＴ１）と第１の長さ（ＬＴ１）とを有しており、第２の温度センサ素子が、第２の幅（ＢＴ２）と第２の長さ（ＬＴ２）とを有している空気質量計に関する。センサエレメントの汚染による測定結果の悪化を排除するかまたは少なくとも狭い範囲にとどめるために、第１の温度センサ素子の第１の幅（ＢＴ１）が、第２の温度センサ素子の第２の幅（ＢＴ２）よりも大きく寸法設定されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気質量計（２）であって、該空気質量計（２）が、マイクロマシニング型の構造形態で形成されたセンサエレメント（１５）を備えており、該センサエレメント（１５）が、加熱素子（１２）を有しており、センサエレメント（１５）に、加熱素子（１２）を基準として上流側には第１の温度センサ素子（７）が配置されていて、加熱素子（１２）を基準として下流側には第２の温度センサ素子（８）が配置されており、第１の温度センサ素子（７）が、第１の幅（ＢＴ１）と第１の長さ（ＬＴ１）とを有しており、第２の温度センサ素子（８）が、第２の幅（ＢＴ２）と第２の長さ（ＬＴ２）とを有している空気質量計において、
第１の温度センサ素子（７）の第１の幅（ＢＴ１）が、第２の温度センサ素子（８）の第２の幅（ＢＴ２）よりも大きく寸法設定されていることを特徴とする、空気質量計。
【請求項２】
第２の温度センサ素子（８）の第２の長さ（ＬＴ２）が、第１の温度センサ素子（７）の第１の長さ（ＬＴ１）よりも大きく寸法設定されている、請求項１記載の空気質量計。
【請求項３】
第１の温度センサ素子（７）の第１の幅（ＢＴ１）が、第２の温度センサ素子（８）の第２の幅（ＢＴ２）よりも少なくとも１０％大きく寸法設定されている、請求項１または２記載の空気質量計。
【請求項４】
第２の温度センサ素子（８）の第２の長さ（ＬＴ２）が、第１の温度センサ素子（７）の第１の長さ（ＬＴ１）よりも少なくとも１０％大きく寸法設定されている、請求項２または３記載の空気質量計。
【請求項５】
第１の温度センサ素子（７）の第１の幅（ＢＴ１）が、第２の温度センサ素子（８）の第２の幅（ＢＴ２）よりも少なくとも３０％大きく寸法設定されている、請求項１または２記載の空気質量計。
【請求項６】
第２の温度センサ素子（８）の第２の長さ（ＬＴ２）が、第１の温度センサ素子（７）の第１の長さ（ＬＴ１）よりも少なくとも３０％大きく寸法設定されている、請求項２または３記載の空気質量計。
【請求項７】
第１の温度センサ素子（７）の第１の幅（ＢＴ１）が、第２の温度センサ素子（８）の第２の幅（ＢＴ２）よりも少なくとも５０％大きく寸法設定されている、請求項１または２記載の空気質量計。
【請求項８】
第２の温度センサ素子（８）の第２の長さ（ＬＴ２）が、第１の温度センサ素子（７）の第１の長さ（ＬＴ１）よりも少なくとも５０％大きく寸法設定されている、請求項２または３記載の空気質量計。
【請求項９】
第１の温度センサ素子（７）の第１の幅（ＢＴ１）と第１の長さ（ＬＴ１）との積が、第２の温度センサ素子（８）の第２の幅（ＢＴ２）と第２の長さ（ＬＴ２）との積と等しく設定されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の空気質量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロマシニング型の構造形態で形成されたセンサエレメントを備えた空気質量計に関する。
【０００２】
空気質量計は、たとえば自動車において、内燃機関により吸い込まれる空気質量を検知するために使用される。吸い込まれる空気質量に関する可能な限り信頼のおける情報をベースとして、空気質量に正確に合わせて調整された燃料量が各燃焼室に供給されるように、内燃機関の電子的な制御装置によって燃焼を最適化することができる。これによって、結果的に、有害物質排出が低減されると同時にエネルギのより良好な利用が達成される。
【０００３】
独国特許出願公開第４４０７２０９号明細書に基づき、空気質量計が公知である。この公知の空気質量計は、空気質量の測定のために、吸気通路内に差し込まれ、総流のうちの規定の割合量が、空気質量計を通流する。このためには、空気質量計が、差込み通路式空気質量計として形成されている。空気質量計は、測定通路内に配置されたセンサエレメントと、ハウジング内に配置されていて、センサエレメントの測定値を評価しかつ／または検出するための電子装置と、センサエレメントを越えた側の流出通路とを有している。スペースを節約した配置のために、上述した通路もしくは空気案内路は、Ｕ字形、Ｓ字形またはＣ字形に形成されており、これによって、差込エレメントとして形成された全体的にコンパクトな装置が形成される。
【０００４】
国際公開第０３／０８９８８４号の教示によりホットフィルム式アネモメータとして形成された空気質量計は、原理的に確証されている。
【０００５】
ＭＥＭＳ(mikroelektromechanische Systeme)、つまり、マイクロマシニング技術により製造されたシステムとして形成されたセンサエレメントの根底のもと作業する現代の空気質量計の開発に際して、センサエレメントの測定結果に、特に汚染物によって不利な影響が与えられることが判った。たとえば空気質量流内の油滴により生じる汚染物によって、所定の期間を超えると、センサエレメントにおいて、空気質量流に対する測定値を悪化させる信号ドリフトが生じてしまう。しかしながら、ＭＥＭＳとして形成されたセンサエレメントは、断念すべきでない多数の利点を有しており、したがって、本発明の課題は、センサエレメントの汚染による測定結果の悪化を排除するかまたは少なくとも狭い範囲にとどめることである。
【０００６】
この課題は、独立請求項の特徴によって解決される。有利な態様は、従属請求項の対象である。
【０００７】
この課題は、本発明によれば、第１のセンサエレメントの第１の幅が、第２のセンサエレメントの第２の幅よりも大きく寸法設定されていることによって解決される。本発明は、相対的に少ない幅を有する第２の温度センサ素子の縁領域に汚染物がほとんど堆積しないという利点を有している。
【０００８】
本発明の改良態様では、第２の温度センサ素子の第２の長さが、第１の温度センサ素子の第１の長さよりも大きく寸法設定されている。この改良態様によって、両温度センサ素子相互の面積の適合が可能となる。これによって、空気質量計の信号品質を大幅に改善することができる。
【０００９】
これに加えて、第１の温度センサ素子の第１の幅が、第２の温度センサ素子の第２の幅よりも少なくとも１０％大きく寸法設定されており、第２の温度センサ素子の第２の長さが、第１の温度センサ素子の第１の長さよりも少なくとも１０％大きく寸法設定されていると有利である。
【００１０】
本発明の態様の範囲内では、第１の温度センサ素子の第１の幅が、第２の温度センサ素子の第２の幅よりも少なくとも３０％大きく寸法設定されており、第２の温度センサ素子の第２の長さが、第１の温度センサ素子の第１の長さよりも少なくとも３０％大きく寸法設定されている。
【００１１】
更なる態様では、第１の温度センサ素子の第１の幅が、第２の温度センサ素子の第２の幅よりも少なくとも５０％大きく寸法設定されており、第２の温度センサ素子の第２の長さが、第１の温度センサ素子の第１の長さよりも少なくとも５０％大きく寸法設定されている。
【００１２】
１つの改良態様では、第１の温度センサ素子の第１の幅と第１の長さとの積が、第２の温度センサ素子の第２の幅と第２の長さとの積と等しく設定されている。これによって、第１の温度センサ素子と第２の温度センサ素子との可能な限りむらのない信号強さを達成することができる。
【００１３】
本発明の更なる特徴および利点は、図面に関連した以下の実施の形態の説明に記載してある。以下、それぞれ異なる図面を通じて、同じ概念および符号が同一の構成エレメントに使用してある。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】空気質量計を示す図である。
【図２】ＭＥＭＳとして形成されたセンサエレメントを示す図である。
【図３】空気質量計の補助管内に配置された、ＭＥＭＳとして形成されたセンサエレメントを示す図である。
【図４】空気質量流が流入開口を通って空気質量計の補助管内に流入している状況を示す図である。
【図５】差込みフィンガとして吸気管内に組み込まれた空気質量計に設けられた、ＭＥＭＳとして形成されたセンサエレメントを示す図である。
【図６】第１の温度センサ素子と第２の温度センサ素子とを有するセンサエレメントを示す図である。
【図７】熱電対列を備えた空気質量計のセンサエレメントを示す図である。
【図８】前図に基づき公知のセンサエレメントを示す図である。
【図９】第１の温度センサ素子と第２の温度センサ素子との非対称的な構成を示す図である。
【００１５】
図１には、質量流量センサが示してある。この質量流量センサは、本実施の形態では空気質量計２として形成されている。この空気質量計２は、本実施の形態では差込みフィンガとして図示してある。この差込みフィンガは吸気管１内に差し込まれ、この吸気管１に固く結合されている。この吸気管１は、本実施の形態では空気質量流１０である質量流を内燃機関のシリンダに向かって案内する。燃料を内燃機関のシリンダ内で効率よく燃焼させるためには、提供される空気質量に関する正確な情報を得ることが必要となる。提供される空気質量に基づき、シリンダ内に噴射された燃料を燃焼させるために必要となる利用可能な酸素量を推測することができる。さらに、図１に示した空気質量計２は、第１の温度センサ素子７と第２の温度センサ素子８とを有している。第１の温度センサ素子７と第２の温度センサ素子８とは、互いに異なる箇所に配置されている。温度センサ素子７，８は、通常、各温度センサ素子７，８に発生させられた温度に相応して、互いに異なる抵抗値をとる抵抗体または熱電対列から形成されている。第１の温度センサ素子７と第２の温度センサ素子８との間には、加熱素子１２が形成されている。空気質量計２のハウジング３内に流入開口４を通って流入した空気質量流１０の部分は、まず、第１の温度センサ素子７、その後、加熱素子１２を越えて流れる。次いで、空気質量流１０は第２の温度センサ素子８に達し、補助管５に沿って空気質量計２の流出開口６に案内される。空気質量流１０は、第１の温度センサ素子７に、規定の温度を伴って達する。この温度は、第１の温度センサ素子７により絶対温度として検出される。その後、空気質量流１０が加熱素子１２を擦過する。このとき、空気質量流１０が、通過する質量に応じて多少なりとも加熱される。加熱された空気質量流１０が第２の温度センサ素子８に達すると、空気質量流１０の目下の温度が、第２の温度センサ素子８により絶対温度として測定される。第１の温度センサ素子７により測定された絶対温度と、第２の温度センサ素子８により測定された絶対温度との差から、通過する空気質量を算定することができる。このためには、空気質量計２自体が、第１の温度センサ素子７の測定信号と第２の温度センサ素子８の測定信号とを評価する評価電子装置１３を有していてよい。このようにして得られた空気質量流１０に関する情報は、エンジン制御装置（図示せず）に伝送される。
【００１６】
念のために付言しておくと、本発明は空気質量計に基づき例説してあるが、このことは、本発明を空気質量流量の測定に限定することを意味するものではない。本発明による装置によって、別種の質量流量をも有利に検出しかつ測定することができる。たとえば、本発明による装置によって、炭化水素タンクのパージ管路内の炭化水素化合物の質量流量を測定することも可能である。
【００１７】
図２には、空気質量計２に用いられるセンサエレメント１５が示してある。このセンサエレメント１５は、ただ１つのシリコンチップにＭＥＭＳとして形成されている。センサエレメント１５は差温度法により作業する。これによって、通過する空気量の質量１０が算定される。このためには、第１の温度センサ素子７と第２の温度センサ素子８とが、肉薄のダイヤフラム１７に形成される。第１の温度センサ素子７と第２の温度センサ素子８とは、ダイヤフラム１７の表面１６の互いに異なる箇所に位置している。第１の温度センサ素子７と第２の温度センサ素子８との間には、加熱素子１２が配置されている。さらに、ＭＥＭＳとして形成されたセンサエレメント１５には、評価電子装置１３が組み込まれている。この評価電子装置１３は、温度センサ素子７，８の測定信号を即座に評価し、この測定信号を、空気質量流１０に比例した信号に変換することができる。しかしながら、評価電子装置１３は、後続接続された電子的な機器に良好に組み込まれていてもよい。その後、空気質量流１０に関する情報が、接続パッド１９と接続ワイヤ１８とを介して後続の電子的なエンジン制御装置（図示せず）に伝送される。
【００１８】
図３には、空気質量計２に用いられる、ＭＥＭＳとして形成されたセンサエレメント１５が示してある。このセンサエレメント１５は、ただ１つの基板に形成されている。この基板は、空気質量計２の補助管５内に配置されている。図３では、空気質量流１０が流入開口４を通って流れていない。これは、たとえば内燃機関が停止されている形態に該当する。この状態は、「ゼロ質量流」と呼ばれる。センサエレメント１５に設けられた加熱素子１２に電気的なエネルギが供給されると、この加熱素子１２の周りに、図３に示した対称的な温度分布２０が形成される。これによって、第１の温度センサ素子７と第２の温度センサ素子８とが、互いに等しい絶対温度を測定し、評価電子装置１３によって、温度センサ素子７，８の温度測定信号の差形成により、空気質量計２の補助管５内に空気質量流１０が存在していないことが認識される。しかしながら、ゼロ質量流の際の温度測定信号のこの理想的な一致は、たとえばセンサエレメント１５における不純物によって妨害されてしまう。
【００１９】
図４には、空気質量流１０が流入開口４を通って空気質量計２の補助管５内に流入している状況が示してある。加熱素子１２の周りの温度分布２０は、明確に認めることができるように、第２の温度センサ素子８の方向に変位させられている。これによって、第２の温度センサ素子８が、第１の温度センサ素子７よりも著しく高い温度を測定している。評価電子装置１３での両温度センサ素子７，８の差温度の確定によって、空気質量流量１０を算定することができる。しかしながら、センサエレメント１５上の汚染物による影響が相変わらず有効であり、測定結果に重ねられてしまう恐れがある。温度の和は、質量流１０にも同様に反応する。しかしながら、さらに、温度の和は、空気質量の熱的な特性、たとえば通過する空気質量流１０の熱容量および／または熱伝導率にも反応する。たとえば、等しい空気質量流１０のまま、空気質量の熱伝導率が高められると、システムが冷却され、温度の和は著しく小さくなる。しかしながら、第１の温度センサ素子７と第２の温度センサ素子８との差温度は、ほぼ不変のままである。したがって、第１の温度センサ素子７と第２の温度センサ素子８との間の和信号によって、空気質量の熱的な特性、たとえば熱容量または熱伝導率の変化を測定することができる。こうして、差温度信号が和温度信号によって相殺される場合に、通過する空気質量の熱伝導率および／または熱容量の変化を推測することができる。
【００２０】
図５には、吸気管１内に差込みフィンガとして組み込まれたＭＥＭＳとして形成された空気質量計２内のセンサエレメント１５が示してある。この実施の形態でも、空気質量流１０は流入開口４に達して、補助管５内に流入する。ダイヤフラム１７の表面１６には、第１の温度センサ素子７と第２の温度センサ素子８とを認めることができる。この第１の温度センサ素子７と第２の温度センサ素子８との間には、加熱素子１２が配置されている。空気質量流１０は、まず、第１の温度センサ素子７に達し、次いで、加熱素子１２を擦過し、その後、第２の温度センサ素子８に達する。
【００２１】
図５には、空気質量流１０が汚染物９も含んでいることを認めることができる。空気質量流１０によって、たとえば水滴２６、油滴１１および／またはダスト粒子１４が、空気質量計２に向かって搬送される。汚染物９は、空気質量計２の流入開口４を通ってセンサエレメント１５にまで達する。汚染物９が、第１の温度センサ素子７および第２の温度センサ素子８の領域に堆積すると、時間が経つにつれ、空気質量流１０に対する測定値が大幅に悪化してしまう。センサエレメント１５への汚染物９の蓄積によるこの悪化は、長い期間にわたってますます増大させられるので、これに相俟って、空気質量計２の信号ドリフトについても言及しておく。この信号ドリフトは所望されておらず、抑圧かつ／または相殺されることが望ましい。
【００２２】
図６には、第１の温度センサ素子７と、第２の温度センサ素子８と、両温度センサ素子７，８の間に配置された加熱素子１２とを備えたセンサエレメント１５が示してある。矢印によって、空気質量流１０の方向が図示してある。これによって、この空気質量流１０の流れ方向で見て、加熱素子１２の上流側に第１の温度センサ素子７が位置しており、加熱素子１２の下流側に第２の温度センサ素子８が位置している。第１の温度センサ素子７も第２の温度センサ素子８も、この実施の形態では、１つの測定抵抗体２２と、少なくとも２つの比較抵抗体２１とから、電気的な直列回路として形成されている。認めることができるように、測定抵抗体２２は、肉薄のダイヤフラム１７の内寄りの領域に配置されており、比較抵抗体２１は、ダイヤフラム１７の縁領域に配置されている。
【００２３】
さらに、図６には、汚染物９、この実施の形態では特に油滴１１が、空気質量流１０によってセンサエレメント１５に搬送されることが示してある。特に油滴１１は、センサエレメント１５に堆積する。明確に認めることができるように、センサエレメント１５への油滴１１の堆積は、空気質量流１０の流れ方向で見て加熱素子１２の下流側に設けられた第２の温度センサ素子８の領域に特に激しく生じている。センサエレメント１５への油滴１１のこの非対称的な堆積は信号ドリフトを招き、この信号ドリフトは、最終的に、センサエレメント１５により検出される絶対温度の悪化ひいては空気質量流１０に対する測定値の悪化を招いてしまう。さらに、汚染物９の堆積は、好適にはダイヤフラム１７の縁領域に生じる。油滴１１の非対称的な堆積には、物理的な理由がある。その大本の理由は、特に第２のセンサ素子８の領域における相対的に高い温度と、ダイヤフラム１７の縁領域における温度勾配とにある。
【００２４】
図７には、空気質量計２のセンサエレメント１５が示してある。このセンサエレメント１５の第１の温度センサ素子７および第２の温度センサ素子８は、熱電対列２３として形成されている。多数の熱電対２３とも呼ばれる熱電対列２３は、熱を電気的なエネルギに変換する。熱電対２３は、一端で互いに接続されている二種類の金属から成っている。温度差によって、金属内での熱の流れに基づき、電圧が発生させられる。
【００２５】
１つの導体の互いに異なる温度の２つの箇所の間に電位差が生じることは、ゼーベック効果と呼ばれる。電位差は温度差にほぼ比例しており、導体材料に左右される。測定のためのただ１つの導体の両端が等しい温度にある場合、電位差は常に打ち消されている。しかしながら、二種類の導体材料が互いに接続されると、熱電対２３が形成される。ゼーベック効果をベースとした測定システムでは、通常、極めて多くの個々の熱電対２３が直列に接続される。
【００２６】
測定目的に合わせて材料対を選択する場合には、温度変化と電圧変化との間の高い線形性に関連して、可能な限り高い熱電圧が発生させられることが望ましい。図７に示した熱電対列２３は、接続箇所２８でそれぞれ第２の金属２５に結合されている第１の金属２４の列から成っている。
【００２７】
図７に明確に認めることができるように、多数の熱電対２３から形成された第２の温度センサ素子８の領域には、特に油滴１１の形態の汚染物９が堆積している。この汚染物９は、温度センサ素子７，８により測定される絶対温度の悪化を招いてしまう。その結果として生じる信号ドリフトについては、すでに前図の説明において述べてある。
【００２８】
図８には、前図に基づき公知のセンサエレメント１５が示してある。この公知のセンサエレメント１５は、マイクロマシニング型の構造形態で形成されていて、第１の温度センサ素子７と第２の温度センサ素子８とを有している。この第１の温度センサ素子７と第２の温度センサ素子８との間には、加熱素子１２が配置されている。第１の温度センサ素子７と、第２の温度センサ素子８と、加熱素子１２とは、肉薄のダイヤフラム１７に形成されている。第１の温度センサ素子７は、第１の幅ＢＴ１と第１の長さＬＴ１とを有している。第２の温度センサ素子８は、第２の幅ＢＴ２と第２の長さＬＴ２とを有している。この実施の形態では、第１の温度センサ素子７の第１の長さＬＴ１が、製造公差の範囲内で、第２の温度センサ素子８の第２の長さＬＴ２に等しく寸法設定されている。また、第１の温度センサ素子７の第１の幅ＢＴ１も、製造公差の範囲内で、第２の温度センサ素子８の第２の幅ＢＴ２に等しく寸法設定されている。第１の温度センサ素子７と第２の温度センサ素子８とは、測定抵抗体２２または熱電対列２３として形成されていてよい。肉薄のダイヤフラム１７への第１の温度センサ素子７と第２の温度センサ素子８との配置は、軸方向で対称的に行われる。この実施の形態では、加熱素子１２が、両温度センサ素子７，８に対する対称軸線を成している。
【００２９】
図９には、第１の温度センサ素子７と第２の温度センサ素子８との、加熱素子１２により形成された対称軸線に対して非対称的な構成が示してある。図９に示したセンサエレメント１５は、図８に示したセンサエレメント１５にほぼ相当しているものの、この実施の形態では、第１の温度センサ素子７の第１の幅ＢＴ１が、第２の温度センサ素子８の第２の幅ＢＴ２よりも著しく大きく寸法設定されている。さらに、図９では、第１の温度センサ素子７の第１の長さＬＴ１が、第２の温度センサ素子８の第２の長さＬＴ２よりも著しく小さく寸法設定されている。第１の温度センサ素子７の第１の幅ＢＴ１および第１の長さＬＴ１と、第２の温度センサ素子８の第２の幅ＢＴ２および第２の長さＬＴ２との互いに異なる寸法設定によって、汚染に起因した空気質量計２の信号ドリフトを有効に抑圧することができる。これによって、空気質量計２の測定結果が長い期間にわたって極めて安定した状態で提供される。したがって、熱力学的な理由に基づき、汚染物９、特に油滴１１が第２の温度センサ素子８の縁領域に堆積し得ないので、センサエレメント１５が非対称的に形成されている場合の信号ドリフトの抑圧が効果的となる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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2015532439.tif 000013
2015532439.tif 000014
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