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Dokumentenidentifikation DE19963966A1 19.07.2001
Titel Anemometer mit einem Heizwiderstand und einem Temperaturfühlerwiderstand
Anmelder ABB Patent GmbH, 68309 Mannheim, DE
Erfinder Link, Dieter, 63517 Rodenbach, DE;
Teusch, Dieter, Dipl.-Ing., 63486 Bruchköbel, DE
Vertreter Schmidt, M., Dipl.-Phys., 42579 Heiligenhaus
DE-Anmeldedatum 31.12.1999
DE-Aktenzeichen 19963966
Offenlegungstag 19.07.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.07.2001
IPC-Hauptklasse G01F 1/692
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Anemonometer mit einem Heizwiderstand und einem Temperaturfühlerwiderstand, für den Einsatz als Luftmengenmesser gemäß Oberbegriff des Patenstanspruches 1. Um hierbei zu erreichen, daß die sensorische Ankopplung zwischen Heizwiderstand und Temperaturwiderstand verbessert wird und gleichzeitig eine besser und einfacher fertigbare Baueinheit entsteht, ist erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der Heizwiderstand (4) und der Temperaturfühlerwiderstand (3) auf einem gemeinsamen Sensorchip (1) aus elektrisch isolierendem Material angeordnet sind.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Anemometer mit einem Heizwiderstand und einem Temperaturfühlerwiderstand, für den Einsatz als Luftmengenmesser, gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Anemometer dieser Bauart sind vielfältig bekannt. Die Funktionsweise einer solchen Anordnung ist, daß ein Temperaturfühlerwiderstand durch einen Heizwiderstand beheizt wird. Umströmendes Meßmedium hat durch die Oberflächenkonvektion mit dem Sensor bzw. dem Heizwiderstand einen Wärmetransport zur Konsequenz. Dieser Abtransport von Wärme ist dabei proportional zur vorbeiströmenden Luftmenge, bzw. bei bekannten Hohldurchmessern proportional der entsprechenden Strömungsgeschwindigkeit. Um nun den Temperaturabfall, der über den Temperaturfühlerwiderstand gemessen wird, auszugleichen, bedarf es einer entsprechenden Zugabe von Heizleistung, wenn der konvektive Abtransport von Wärme durch entsprechend vorbeiströmende Luftmengen sinkt. Das Maß der zugeführten Heizleistung, um den Temperaturwert auf den Sensorelementen zu erhalten, ist dann ein Maß für die vorbeiströmende Luftmenge. Luftmengenmesser dieser Art werden als sogenannte Anemometer vielfach in der Automobiltechnik, insbesondere dem Bereich der Luftkraftstoffzusammensetzung bzw. -regelung eingesetzt. Wichtig ist hierbei, daß der Heizwiderstand und der Temperaturfühlerwiderstand möglichst nahe beieinander angeordnet sind, um ein gutes korreliertes Ergebnis zu erhalten.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Anemometer der genannten Art dahingehend zu verbessern, daß die sensorische Ankopplung zwischen Heizwiderstand und Temperaturfühlerwiderstand verbessert wird und gleichzeitig eine besser und einfacher fertigbare Baueinheit entsteht.

Die gestellte Aufgabe wird bei einem Anemometer der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 13 angegeben.

Kern der Erfindung besteht hierbei darin, fertigungstechnisch den Heizwiderstand und den Temperaturfühlerwiderstand auf einen gemeinsamen Sensorchip aus elektrisch isolierendem Material anzuordnen.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ergeben sich somit zwei Alternativen. Entweder ist der Heizwiderstand auf der Vorderseite und der Temperaturfühlerwiderstand auf der Rückseite des Sensorchips angeordnet, oder der Heizwiderstand und der Temperaturfühlerwiderstand sind auf einer gemeinsamen Seite des Sensorchips angeordnet.

Dabei ist in besonders vorteilhafter Weise vorgesehen, daß Dünnfilmtechnik und Dickschichttechnik auf einem gemeinsamen Sensorchip in relativ hoher integrativer Dichte realisiert sind. Dabei ist der Heizwiderstand beispielsweise in Dickschichttechnik aufgebracht und der Temperaturfühlerwiderstand in Dünnfilmtechnik.

Der Heizwiderstand hat dabei einen Temperaturkoeffizienten zwischen 0 und 200 ppm pro Kelvin und der Temperaturfühlerwiderstand, der aus Platin besteht, weist einen pt- DIN-Temperaturkoeffizienten von 3.850 ppm pro Kelvin auf.

Wesentlich, und die Vorteile der vorliegenden erfindungsgemäßen Anemometeranordnung im wesentlichen tragend ist die besondere Plazierung oder relative Plazierung des Heizwiderstandes und des Temperaturfühlerwiderstandes. Hierbei ist nämlich vorgesehen, daß der Heizwiderstand U-förmig um den Temperaturfühlerwiderstand angeordnet ist. Dies ergibt sich für beide Bauformen vorteilhaft. Für den Fall, daß Heizwiderstand und Temperaturfühlerwiderstand auf einer gemeinsamen Seite des Sensorchips angeordnet sind, ist der in Dickschichttechnik aufgebrachte Heizwiderstand U-förmig um den Temperaturfühlerwiderstand, welcher aus kleinen, in Dünnfilmtechnik aufgetragenen Platinmäandern besteht, angeordnet.

Für den Fall daß Heizwiderstand und Temperaturfühlerwiderstand auf gegenüber liegenden Seiten des Sensorchips angeordnet sind, wird der Heizwiderstand möglichst in ganzflächiger Ausführung deckungsgleich zum Temperaturfühlerwiderstand angeordnet.

In beiden Fällen entsteht eine sehr gute thermische Ankopplung und somit eine sehr gute Sensorwirkung mit kurzer Reaktionszeit.

Den Heizwiderstand und den Temperaturfühlerwiderstand auf einer Seite zu plazieren, hat einen wesentlichen Vorteil auch im Hinblick auf die Anbringung der Anschlußbahnen und den Anschluß des Sensorchips als solchen. In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß auf diese Weise die Anschlußbahnen sowohl des Heizwiderstandes als auch des Temperaturfühlerwiderstandes auf der offenen Seite der der U-förmigen Flächenkontur zugewandten Seite des Sensorchips parallel herausgeführt werden können. Das Herausführen bzw. das parallele Herausführen der Anschlußbahnen bis zur Außenkante des Sensorchips führt dazu, daß sämtliche Anschlußdrähte an einer Seite angeordnet sind. Dies vereinfacht die weitergehende Kontaktierung in einer Fühleranordnung.

Dabei ist vorteilhaft, daß die Anschlußbahnen zumindest nahe dem entsprechenden Rand des Sensorchips zur Realisierung genügend großer Kontaktflächen verbreitert bzw. vergrößert sind.

Weiterhin vorteilhaft ist, daß der Heizwiderstand aus Widerstandspaste besteht und durch Variation des Heizwiderstandspastenmaterials und/oder der -dicke der Heizwiderstand je nach gewünschtem Widerstandswert gefertigt werden kann. Dies hat den enormen Vorteil, daß für Anemometeranordnungen unterschiedlicher Heizwerte ein und das selbe Layout verwendet werden kann, wobei sich der jeweils gewünschte Heizwiderstandswert fertigungstechnisch in der besagten Weise durch Dicke oder Materialwahl der Widerstandspaste gegeben ist.

Weiterhin ist vorteilhaft vorgesehen, daß eine Passivierungsschicht aufgebracht ist, welche die Anschlußbahnen zumindest partiell und den Temperaturfühlerwiderstand ganz bedeckend ausgebildet ist.

Eine letzte erfindungsgemäße Ausgestaltung besteht darin, daß die beispielsweise durch Lötung oder Schweißung angebrachten Anschlußdrähte an die Anschlußbahnen mit einem querliegend angeordneten balkenartigen Element abgedeckt sind, welches zum einen die Kontaktstellen versiegelt und zum anderen als eine geeignete Zugentlastung für die an die Anschlußbahnen kontaktierten Anschlußdrähte wirkt.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend näher beschrieben.

Die Abbildung zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welchem der Heizwiderstand 4 und der Temperaturfühlerwiderstand 3 auf einer gemeinsamen Seite eines Sensorchips 1 aus isolierendem Material aufgebracht sind. Der Temperaturfühlerwiderstand 3 besteht aus einem in Dünnfilmtechnik aufgebrachten Platinleiterpfad, der mäanderförmig ausgestaltet ist. Eine solche Mäanderform kann dadurch erreicht werden, daß eine Gesamtbeschichtung mit einer Platinfläche zunächst gefertigt wird, und hernach mit einem Laser oder einem anderen erosiven Mikrosondenelement oder durch Sputterätzen eine Mäanderstruktur ausgeschnitten wird. Charakteristische Widerstandswerte bei Temperaturfühlerwiderständen dieser Art liegen bei etwa 1.000 Ohm.

An einer Kante des hier flächig dargestellten Temperaturfühlerwiderstandes 3 werden dann die Anschlußbahnen 5 für den Temperaturfühlerwiderstand herangeführt. Diese werden auf der besagten Seite des Sensorchips 1 an denselben herangeführt bis nahe an die Außenkante des Sensorchips. Dort sind die Leiter- oder Anschlußbahnen 5 zu Anschlußfahnen gestaltet, auf denen die Kontaktierung erfolgt.

Der Heizwiderstand 4 ist hierbei U-förmig um den Temperaturfühlerwiderstand 3 angeordnet. Er besteht aus Widerstandspaste bspw. aus 743 R. Die Widerstandspaste ist dabei bis zu einer überdeckenden Kontaktierung mit entsprechenden Anschlußbahnen 5 elektrisch kontaktierend angeordnet, welche parallel zu den Anschlußbahnen 5 des Temperaturfühlerwiderstandes 3 verlaufen. Die Anschlußbahnen 5 des Heizwiderstandes 4 sind hierbei nur wesentlich breiter, weil höhere Ströme über den Heizwiderstand 4 geführt werden müssen. Aber auch diese Anschlußbahnen 5 werden bis zur besagten Seite oder Kante nahe des Außenrandes des Sensorchips 1 geführt und bilden dort Anschlußflächen. Die Anschlußflächen sind dabei so ausgeführt, daß die selben nebeneinander liegend angeordnet sind und die Kontaktierung schlüssig an einer Seite des Sensorchips erfolgen kann.

Diejenigen Areale, die mit einer Strichpunktlinie gekennzeichnet sind, stellen die aufgebrachte Passivierungsschicht dar, die den Temperaturfühlerwiderstand 3 nebst den Anschlußbahnen 5 zumindest bis zu den Anschlußflächen ganzflächig bedecken, und die Anschlußbahnen 5 des Heizwiderstandes 4 ebenfalls zumindest teilweise bedecken. Hierdurch wird der Temperaturfühlerwiderstand 3 gegenüber chemischen Eingriffen resistent gemacht. Im Bereich der Anschlußflächen findet eine weitere Abdeckung mittels einer Deckschicht 6 statt, die zum einen die zuvor noch angeschweißten oder angelöteten Abschnitte der Anschlußdrähte 7 samt Anschlußbahnen 5 abdecken und dabei sowohl eine hermetische Abschließung dieses Bereiches ergeben sowie auch gleichzeitig eine entsprechende Zugentlastung für die herausgeführten Anschlußdrähte 7 ergibt.


Anspruch[de]
  1. 1. Anemometer mit einem Heizwiderstand und einem Temperaturfühlerwiderstand, für den Einsatz als Luftmengenmesser dadurch gekennzeichnet, daß der Heizwiderstand (4) und der Temperaturfühlerwiderstand (3) auf einem gemeinsamen Sensorchip (1) aus elektrisch isolierendem Material angeordnet sind.
  2. 2. Anemometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizwiderstand (4) und der Temperaturfühlerwiderstand (3) auf einer gemeinsamen Seite des Sensorchips (1) angeordnet sind.
  3. 3. Anemometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizwiderstand (4) auf der Vorderseite und der Temperaturfühlerwiderstand (3) auf der Rückseite des Sensorchips (1) angeordnet sind, derart, daß der Heizwiderstand in nahezu ganzflächiger Ausführung deckungsgleich zum Temperaturfühlerwiderstand angeordnet ist.
  4. 4. Anemometer nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß Dünnfilmtechnik und Dickschichttechnik auf einem gemeinsamen Sensorchip (1) realisiert sind.
  5. 5. Anemometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizwiderstand (4) in Dickschichttechnik aufgebracht ist.
  6. 6. Anemometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturfühlerwiderstand (3) in Dünnfilmtechnik aufgebracht ist.
  7. 7. Anemometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizwiderstand (4) einen Temperaturkoeffizienten zwischen 0 und 200 ppm pro Kelvin aufweist.
  8. 8. Anemometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturfühlerwiderstand (3) aus Platin besteht und einen pt-DIN- Temperaturkoeffizienten von 3.850 ppm pro Kelvin aufweist.
  9. 9. Anemometer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizwiderstand (4) U-förmig um den Temperaturfühlerwiderstand (3) angeordnet ist.
  10. 10. Anemometer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußbahnen (5) zumindest nahe dem entsprechenden Rand des Sensorchips (1) zur Realisierung genügend großer Kontaktflächen verbreitert sind.
  11. 11. Anemometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizwiderstand (4) aus Widerstandspaste besteht und durch Variation des Widerstandspastenmaterials und/oder der Dicke, der Heizwiderstand je nach gewünschtem Widerstandswert gefertigt werden kann.
  12. 12. Anemometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Passivierungsschicht aufgebracht ist, welche die Anschlußbahnen (5) zumindest partiell und den Temperaturfühlerwiderstand (3) ganz bedeckt.
  13. 13. Anemometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitergehende Abdeckung (6) als hermetischer Abschluß der Anschlußbahnen (5) und als Entlastung für die Anschlußdrähte (7) aufgebracht ist.






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