(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流れ方向（９）に沿って流れる媒体、特に内燃機関の吸込空気の質量を測定するための測定装置であって、センサ支持体（１）の切欠（１７）内に挿入された板状のセンサエレメント（２）と、測定素子（６）を支持するダイヤフラム（４）とを備えており、このダイヤフラムが、センサエレメント（２）内に形成された中空室（５）をセンサ支持体（１）とは逆の側で閉鎖しており、その場合、センサエレメント（２）が、センサ支持体（１）に面したその底部（２９）とセンサ支持体（１）との間の接着手段によって切欠（１７）内で保持されている形式のものにおいて、
接着手段が接着継目（２７；６０）を有しており、この接着継目がセンサエレメント（２）の底面（２９）とセンサ支持体（１）との間でセンサエレメント（２）の中空室（５）の周りに延びており、中空室（５）を通気するために、流れ方向（９）とは逆の方向に面した側でのみ少なくとも１つの切欠（４０）により開放されていることを特徴とする、流れ媒体の質量を測定するための測定装置。
【請求項２】
接着継目（２７）が、Ｕ字形に中空室（５）の周りに延びており、かつ流れ方向（９）に面した１つの区分（４１）と、流れ方向（９）に延びる２つの区分（４２，４５）とを備えていることを特徴とする、請求項１記載の測定装置。
【請求項３】
接着継目（６０）が、Ｇ字形に中空室（５）の周りに延びており、かつ流れ方向（９）に面した１つの区分（６１）と、流れ方向（９）に延びる２つの区分（６２．６３）と、流れ方向（９）とは逆の方向に面した区分（６４）とを備えており、その場合、流れ方向（９）とは逆の方向に面した区分（６４）が、流れ方向（９）に延びる区分（６２，６３）を完全には結合していないことを特徴とする、請求項１記載の測定装置。
【請求項４】
板状のセンサエレメント（２）がセンサ支持体（１）とは逆の側の表面（８）に、接続ワイヤ（１０）との結合のための接続エレメント（２８）を備えており、
この接続エレメント（２８）に対向して位置する領域内ではセンサエレメント（２）の底面（２９）とセンサ支持体（１）との間に別の接着継目（２６）が形成されていることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の測定装置。
【請求項５】
前記別の接着継目（２６）が十字形に形成されていることを特徴とする、請求項４記載の測定装置。
【請求項６】
板状のセンサエレメント（２）がセンサ支持体（１）とは逆の側の表面（８）に、接続ワイヤ（１０）との結合のための接続エレメント（２８）を備えており、
中空室（５）の周りに延びる接着継目（２７）がセンサエレメント（２）の底面（２９）とセンサ支持体（１）との間で接続エレメント（２８）に対向して位置する領域まで拡張されていることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項記載の測定装置。
【請求項７】
センサ支持体（１）内に凹所（６６）が形成されており、この凹所がセンサエレメント（２）の中空室（５）に連通していて、センサエレメント（２）により完全には覆われていないことを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項記載の測定装置。
【請求項８】
センサ支持体（１）が、センサエレメント（２）の底面（２９）に対向して位置する少なくとも１つの接着剤・押しのけ室（２３，２４，２５，４７，４８；６６）を備えており、これらの接着剤・押しのけ室内に、接着継目（２６，２７；６０）の形成のために役立つ過剰な接着剤が、センサ支持体（１）の切欠（１７）内へのセンサエレメント（２）の挿入時に押しのけられることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項記載の測定装置。
【請求項９】
接着継目（６０）もしくは接着継目（２６，２７）が弾性的なシリコーン接着剤により形成されていることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項記載の測定装置。
【請求項１０】
センサ支持体（１）の、底面（２９）に対向して位置する少なくとも１つの載着面（３０，３１）上に、センサエレメント（２）の底面（２９）とセンサ支持体（１）との間の間隔を規定する隆起したスペーサ（４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄ，４３ｅ，４３ｆ，４３ｇ，４３ｈ，４３ｉ）が設けられていることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項記載の測定装置。
【発明の詳細な説明】
従来の技術
本発明は請求項１の上位概念に記載した形式の流れ媒体の質量を測定するための測定装置を先行技術とする。ドイツ連邦共和国特許公開第１９５２４６３４号明細書からは、誘電的なダイヤフラムを備えていてセンサ支持体の切欠内に挿入された板状のセンサエレメント有する測定装置が既に公知である。このセンサエレメントは半導体材料例えば珪素(Slizium；シリコン）から製作されており、かつミクロ機械的な構造で形成されている。ダイヤフラムは誘電的な材料、例えば窒化珪素(Siliziumnitrid)又は酸化珪素(Siliziumoxid)から成る。この誘電的なダイヤフラムには、ダイヤフラムの構成が薄いことと誘電的なダイヤフラムの熱伝導性が小さいこととにもとづき、ダイヤフラムを囲む珪素枠により著しく熱的に絶縁された測定抵抗と加熱抵抗とが設けられている。誘電的なダイヤフラムとセンサ支持体との間には板状のセンサエレメントに中空室が設けられており、この中空室はセンサ支持体に隣接した底面から誘電的なダイヤフラムまで延びており、かつ例えばエッチング法により製作されている。センサエレメントはセンサ支持体の切欠内に接着により固定されている。比較的薄いダイヤフラムが過圧ピークから保護されなければならないため、ダイヤフラムの下方に設けられた中空室の通気を省くことができない。しかし、測定センサの凹所もしくはダイヤフラムの背面の通気は、測定信号への背面側の流れの影響を回避すべく、ダイヤフラムの背面に媒体が流れないように行われなければならない。ダイヤフラムに隣接する中空室内へ接着剤が侵入するのを阻止するために、接着領域はセンサエレメント全体にわたり延びておらず、むしろセンサエレメントはセンサ支持体の切欠内で片側でのみ接着されており、かつ、センサエレメントの、誘電的なダイヤフラムを備えている方の領域が支持されずに切欠内に位置している。ダイヤフラムの下方の流れ、要するにダイヤフラムの下方に形成された中空室への媒体の流れを阻止するため、又は少なくともこれを抑制するために、センサ支持体内で溝状の凹所として形成されていてセンサ支持体の周りに延びる流れ通路が設けられている。それと同時に、センサ支持体内に形成された切欠は、センサエレメントの側方の制限部とセンサ支持体に設けた切欠の側方の制限部との間にそれぞれわずかなギャップだけが残され、このギャップにより絞られた媒体の流れだけが誘電的なダイヤフラムの下方に位置する中空室に達することができるように、センサエレメントと調和して形成されている。
しかし、この解決手段での欠点は、センサエレメントがセンサ支持体の切欠に関連して、極めて狭いギャップを実現するためには組立時に高い精度で方向決めされなければならないことにある。しかし、このことは誤差と製作のばらつきとの理由で必ずしも常に信頼性よく満足されず、従って、製作時の歩留まりが少なからず悪い。
ドイツ連邦共和国特許公開第４２１９４５４Ａ１号明細書に開示された測定装置では、誘電的なダイヤフラムを備えたセンサエレメントが冷却体の切欠内に挿入されている。この冷却体はダイヤフラムの背面の通気を保証するために冷却ひれ間に通気孔を備えている。
発明の利点
これに対して、請求項１の特徴要件を備えた本発明にもとづく測定装置が有する利点とするところは、製作の際にセンサ支持体の切欠に対するセンサエレメントの位置決め時の誤差が比較的小さく維持されることにある。このことにより、製作の歩留まりが向上し、かつ製作費が低減する。さらに、製作速度が増大する。ダイヤフラムの、流れ媒体とは逆の側の背面の通気は十分な開放横断面により確実に保証され、その結果、圧力ピークによるセンサエレメントの破損が回避される。接着継目は同時にセンサエレメントとセンサ支持体との間の誤差補償と、互いに異なる熱膨張係数の補償とにも役立つ。
請求項２以下に記載した手段によれば、請求項１に記載された測定装置の有利な変化実施形及び改善が可能である。
特に有利には、接続ワイヤとの結合のための接続エレメントの下方の領域内まで接着継目が延びており、又はこの領域内に、接続エレメントの領域内で確実なセンサエレメントの固定を保証すると共に例えばボンディングによる接続ワイヤの取付け時の破損の危険を抑制するために付加的な接着継目が設けられている。
さらに、センサエレメントの中空室と連通していてセンサエレメントにより完全には覆われていない凹所がセンサ支持体に形成されていると特別有利である。この凹所は例えばデボッシング加工により形成されることができる。センサ支持体のこの凹所により、ダイヤフラムの背面の通気が確実に保証される。
センサエレメントの底面に対向して位置する載着面上には例えばデボッシング加工により製作されたスペーサを設けることができ、このスペーサはセンサエレメントの底面とセンサ支持体との間の間隔を正確に規定された値に設定することができる。さらに、センサ支持体が少なくとも１つの接着剤-押しのけ室を備えていると有利であり、この接着剤-押しのけ室内には、接着継目の形成に役立つ過剰な接着剤がセンサ支持体の切欠内へのセンサエレメントの挿入時に押しのけられる。この形式で、特にダイヤフラムの下方に形成された、センサエレメントの中空室内の不都合な箇所に接着剤が堆積することが回避される。弾性的なシリコーン接着剤の使用により、センサエレメントの材料とセンサ支持体の材料との熱膨張係数が互いに異なっていてもセンサエレメントの機械的な応力が最小にされる。
図面
次に、図面に本発明の実施例を示し、以下の記載で詳細に説明する。ここに、
第１図は本発明にもとづく第１実施例に相応する測定装置を第２図のＩ−Ｉ線に沿って断面して示し、
第２図は第１図にもとづく測定装置の平面図を示し、
第３図は本発明にもとづく第２実施例に相応する測定装置の平面図を示し、
第４図は第３図のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面を示す。
実施例の説明
第１図に断面して示したセンサ支持体１は板状のセンサエレメント２のために設けられている。センサ支持体１及びセンサエレメント２は、流れ媒体の質量、特に内燃機関の吸込空気質量を測定するための詳細には図示されていない測定装置の部分である。
センサ支持体１はセンサエレメント２の受容と保持とに役立ち、センサエレメントはダイヤフラム状のセンサ領域を有しており、このセンサ領域は例えば誘電的なダイヤフラム４の形状で形成されている。センサエレメント２もしくはダイヤフラム４は半導体、例えば珪素ウエーハのエッチングによりいわゆるミクロ機械的な構造で製作されており、その場合、ダイヤフラム４の下方に中空室５が形成されている。ダイヤフラム１上には流れ媒体の測定のために例えば同様にエッチングにより製作された少なくとも１つの温度依存性の測定抵抗素子６と、例えば少なくとも１つの図示されていない加熱抵抗素子とが設けられている。ダイヤフラム４の外部にはセンサエレメント２上に基準抵抗素子が設けられている。測定抵抗素子６、加熱抵抗素子及び基準抵抗素子は例えば導体路と、ボンド-パッドとして形成された接続エレメント２８を介して取付けられたワイヤ１０とにより、図示されていない電子制御回路に電気的に結合されている。電子制御回路は公知形式でセンサエレメント２上の抵抗素子への電流供給もしくは電圧供給と、抵抗素子から発せられる電気的な信号の評価とに役立てられている。この電子制御回路は例えば測定装置のケーシングの内部又はケーシングの外部に取付けられることができる。
誘電的なダイヤフラム４は例えば窒化珪素及び／又は酸化珪素から成る。加熱抵抗素子は電流により加熱されて、測定されるべき媒体の温度を上回る温度にダイヤフラム４を加熱する電気的な抵抗層の形状で形成されることができる。この加熱抵抗素子は例えば金属から成ることができ又は適当にドーピングされた珪素からも成ることができる。測定抵抗素子及び基準抵抗素子は例えばその導電性が温度に依存して変化する電気的な抵抗層から成ることができる。これらの抵抗層のための適当な材料は金属又は適当にドーピングされた珪素である。
センサエレメント２は板状の例えば方形の形状を有しており、かつ流れ媒体に面した方のその表面８で第１図の図平面内へ流入する媒体に対してほぼ平行に向けられており、その場合、例えば方形のセンサエレメント２の短い方の側が流れ方向９に延びている。媒体の流れ方向９は第２図では相応する矢印で示されており、かつ上方から下向きに延びている。ダイヤフラム４に取付けられた加熱抵抗素子により、ダイヤフラム４は、擦過して流れる媒体の温度に比して高い温度に加熱される。擦過して流れる媒体により主に対流にもとづいて加熱抵抗素子から奪われる熱量は流れ媒体の質量に依存しており、その結果、ダイヤフラム４の温度の測定により流れ媒体の質量を決定することができる。ダイヤフラム温度の測定は測定抵抗素子６により、又は加熱抵抗素子の抵抗値の測定により行うことができる。そのことのために基準抵抗素子は流れ媒体の温度の影響を補償するのに役立てられる。
センサ支持体１は有利には金属から成り、かつ薄い金属ストリップを折り曲げることにより製作されることができ、このことのためには打抜き加工、曲げ加工、折り曲げ加工、深絞り加工及びスタンピング加工が適している。曲げられた金属ストリップの最終状態でほぼ２つの同じ大きさのエレメント１４，１５が互いに並んで位置している。以下では、センサエレメント２を囲む曲げられていないエレメント１４を枠エレメント１４とし、かつその下方へ曲げられたエレメント１５を保持エレメント１５とし記載する。保持エレメント１５はほぼ１８０度に曲げ完了した状態で、曲げられていない枠エレメント１４の開口１６を覆っており、これにより、枠エレメント１４とあいまってセンサエレメント２の受容のための切欠１７を制限している。枠エレメント１４もしくは切欠１７はセンサエレメント２の例えばほぼ方形の形状に対応する横断面を有している。その場合、センサエレメント２は、その表面８が枠エレメント１４の表面１８にほぼ合致するように切欠１７内に取付けられる。
金属ストリップの折り曲げに先立って、保持エレメント１５はこれの外面２２に係合する工具、例えばスタンピング工具によって、横断面内に本実施例では２つの隆起部２０，２１が形成されるように変形される。これらの隆起部２０，２１は第１図に示された横断面においてそれぞれ詳細に説明されるべき接着剤-押しのけ室２３，２４，２５によって制限されている。センサ支持体１は、入射流の挙動を改善し、かつ汚れ粒子の堆積を抑制するために、流れ方向９に面した側に平面部４９を備えている。
本発明によれば、板状のセンサエレメント２は接着継目２６，２７に沿って接着剤ビードの形状で取付けられた接着剤によってセンサ支持体１の切欠１７内に接着されている。本発明にもとづく測定装置の部分の平面図を示す第２図から良好に分かるように、図示の実施例では２つの接着継目２６，２７が設けられている。第１の接着継目２６は第１図及び第２図に示された実施例では十字形に形成されており、かつ台形状の隆起部２０にセンサエレメント２を接着するのに役立っている。台形状の隆起部２０の領域内にはセンサ支持体１の、保持エレメント１５とは逆の側の表面８上に、ボンド-パッドとして形成された接続エレメント２８が設けられており、この接続エレメントはセンサエレメントの導体路を接続導線１０に電気的に結合させるのに役立つ。その場合、第１の接着継目２６は確実なボンド-結合を得るために接続エレメント２８の領域内でセンサエレメントを固定するのに役立っている。
これに対して第２の接着継目２７は第２図から分かるように、第１図及び第２図に示された実施例ではＵ字形に形成されている。この第２の接着継目２７は台形状の隆起部２１の領域内でセンサエレメント２を接着するのに役立てられている。両方の接着継目２６，２７はそれぞれ、センサエレメント２の底面２９と、保持エレメント１５の隆起部２０，２１の表面３１もしくは３０との間に形成されている。
本発明によれば、第２の接着継目２７は、センサエレメント２の底面２９とセンサ支持体１との間で中空室５の周りに延びるように、かつ流れ方向９とは逆の方向に面した側で切欠４０により開いているように形成されている。第１図及び第２図に示された実施例では接着継目はＵ字形に形成されていて、流れ方向９に面した１つの区分４１と、流れ方向９に延びる２つの区分４２，４５とを有している。流れ方向９に延びる区分４２，４５は、Ｕ字形に形成された第２の接着継目２７の２つの脚部を形成している。切欠４０は第１図及び第２図の実施例では、流れ方向９に延びる両方の区分４２，４５の間で延びており、要するに接着継目２７は流れ方向９とは逆の方向に面した側の領域全体にわたり開いている。切欠４０はセンサエレメント２の中空室５の通気のために役立つ。この通気は、通気しなければ測定すべき流れ媒体内の静的な圧力変動、特に過圧ピークが誘電的なダイヤフラム４の破損をもたらすことがあるので必要である。しかしその場合、ダイヤフラム４の背面４４に沿って流れ媒体が流れるのは妨げられなければならない。その理由は、もし妨げられなければ、測定信号に不都合な影響が生じ、このことが非一義的な、再現性のない測定結果をもたらすおそれがあるからである。それゆえ本発明によれば、接着継目２９はセンサエレメント２の中空室５の周りに延びていて流れ方向９とは逆の方向に面した側でのみ適当な切欠４０により開放されるように案内されている。
その場合、切欠４０の開放横断面は絞り箇所を規定している。この開放横断面は、ダイヤフラム４の流れ媒体に面した前面と、ダイヤフラム４の流れ媒体とは逆の側で中空室５に面した背面４４との間に、ダイヤフラム４の破損を阻止する有利には十分迅速な圧力補償が生じるように決定される。しかし他面において、切欠４０の開放横断面は、中空室５内では媒体の流れが阻止され、又は少なくとも十分に抑制されるように小さく寸法決めされる。切欠４０の開放横断面は一面においては第２図に示された切欠４０の幅ｂにより、かつ他面では第１図に示された接着継目２７の厚さｄにより規定されている。接着継目２７の厚さｄは例えばスペーサ４３ａ乃至４３ｉにより調節される。スペーサ４３ａ乃至４３ｉは例えばスタンピング加工によって、例えば針状に形成されていて保持エレメント１５の外面２２に係合するたスタンピング工具により形成されることができる。これと代替的に、スペーサをセンサエレメント２における適当なエッチング加工によって形成することもでき、又は接着継目２６，２７を形成している接着剤内に、例えばコンスタントな直径を有する小球としてスペーサを分散させることができる。
接着継目２６，２７は薄い接着剤ビードとして一般的な分配法により取り付けることができる。接着剤としては有利には硬化後でも依然として弾性を保つ接着剤、特に弾性的なシリコーン接着剤が適している。このことにより、センサエレメント２とセンサ支持体１との間の機械的な応力が最小となる。機械的な応力は特に、有利には金属薄板から製作されたセンサ支持体１の熱膨張係数と、有利には半導体材料から製作されたセンサエレメント２の熱膨張係数とが互いに異なることにもとづいて生じる。本発明にもとづく測定装置を内燃機関の吸込空気の測定に使用した場合には、測定されるべき空気が自動車の外部温度に応じて著しい温度変動にさらされる。
既に記載した接着剤-押しのけ室２３，２４，２５は流れ方向９に面した側で別の接着剤・押しのけ室４６，４７により結合されている。接着剤・押しのけ室２３，２４は第１図及び第２図に示された実施例ではさらに流れ方向９とは逆の方向に面した別の接着剤-押しのけ室４８により結合されている。センサエレメント２とセンサ支持体１との結合時に、過剰に取り付けられた接着剤が、第１図に略示したように、接着剤-押しのけ室２３，２４，２５，４６，４７，４８内へ押しのけられる。このことにより、特に、センサエレメント２とセンサ支持体１との結合時に接着剤が中空室５内へ侵入し、又はダイヤフラム４の背面４４まで進入することが阻止される。接着継目２７は中空室５内への接着剤の侵入が確実に阻止されるように配置される。その理由は、接着剤のこの侵入が本発明にもとづく測定装置の機能性を著しく損なうことがあるからである。
第３図及び第４図には本発明にもとづく第２実施例が示されている。第３図が本発明にもとづく測定装置の平面図を示すのに対して、第４図には第３図のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面が示されている。既に説明したエレメントは同じ符号により示されており、それゆえその限りにおいて説明の繰り返しは省略する。
既に第１図及び第２図で説明した実施例に対する相違点は第１に、一体に形成された接着継目６０がＧ字形にセンサエレメント２の中空室５の周りに延びていることにある。その場合、接着継目６０は流れ方向９に面した１つの区分６１と、流れ方向９に延びる２つの区分６２，６３と、流れ方向９とは逆の方向に面した１つの区分６４とを有している。流れ方向９とは逆の方向に面した区分６４は、流れ方向に延びる区分６２，６３を完全には結合せしめておらず、その結果、流れ方向９とは逆の方向に面した側に切欠４０が形成されている。第３図に示された実施例では、切欠４０は接着継目６０の、流れ方向９に延びる第１の区分６２から、流れ方向９とは逆の方向に面した区分６４の自由端６５まで延びている。
しかし、切欠４０が流れ方向９とは逆の方向に面した区分６４の別の箇所に設けられるような構成も考えられる。さらに、この種の複数の切欠を流れ方向９とは逆の方向に面した区分６４に設けることもできる。流れ方向９に延びる第２の区分６３は、ボンド・パッドとして形成された接続エレメント２８の下方の領域内まで達するように拡張されており、その結果、センサエレメントは接続エレメント２８の領域内で接着剤により裏打ちされる。このことにより、ボンド・結合の実施時にセンサエレメント２の高い破壊強度が保証される。さらに、センサエレメント２は接続エレメント２８の領域内で接着継目６０により特別良好に位置固定され、その結果、弾性的な接着剤、例えばシリコーン接着剤の使用時でも良好なボンド・結合が実現される。
接着継目６０は第３図及び第４図に示された実施例では、枠エレメント１４内に形成された、切欠１７の縁領域内にまで達することができる。センサエレメント２とセンサ支持体１との結合時にセンサエレメント２の中空室５内への接着剤の侵入又はダイヤフラム４まで達する進入を阻止するために、センサ支持体１の保持エレメント１５内に、例えばレイジング(raising;Tiefpraege)加工により形成した凹所６６が設けられる。この凹所６６は接着剤-押しのけ室として役立つと共に、過剰の接着剤を受容する。同時に、この凹所６６はセンサエレメント２の中空室５の通気にも役立つ。第３図から分かるように、このことのために凹所６６はほぼＬ字形に形成されており、かつ接着継目６０の切欠４０を通り越して、延長された区分６７まで延びている。それゆえ、延長された部分６７はセンサエレメント２によって覆われず、かつ圧力補償のために、例えば保持エレメントに設けた図示されていない孔を介して、測定されるべき流れ媒体に連通する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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