Titel

Sensor zur Bestimmung wenigstens eines Parameters eines durch einen Messkanal strömenden fluiden Mediums

Stand der Technik

Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung wenigstens einer Strömungseigenschaft fluider Medien, also von Flüssigkeiten und/oder Gasen, bekannt. Bei den Strömungseigenschaften als möglichem Parameter kann es sich dabei um beliebige physikalische und/oder chemische messbare Eigenschaften handeln, welche eine Strömung des fluiden Mediums qualifizieren oder quantifizieren. Insbesondere kann es sich dabei um eine Strömungsgeschwindigkeit und/oder einen Massenstrom und/oder einen Volumenstrom handeln.

Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf so genannte Heißfilmluftmassenmesser beschrieben, wie sie beispielsweise aus Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, Seiten 146- 148, bekannt sind. Derartige Heißfilmluftmassenmesser basieren in der Regel auf einem Sensorchip, insbesondere einem Siliziumsensorchip, beispielsweise mit einer Sensormembran als Messoberfläche oder Sensorbereich, welcher von dem strömenden fluiden Medium überströmbar ist. Der Sensorchip umfasst in der Regel mindestens ein Heizelement sowie mindestens zwei Temperaturfühler, welche beispielsweise auf der Messoberfläche des Sensorchips angeordnet sind, wobei der eine Temperaturfühler stromaufwärts des Heizelements und der andere Temperaturfühler stromabwärts des Heizelements gelagert ist. Aus einer Asymmetrie des von den Temperaturfühlern erfassten Temperaturprofils, welches durch die Strömung des fluiden Mediums beeinflusst wird, kann auf einen Massenstrom und/oder Volumenstrom des fluiden Mediums geschlossen werden. Heißfilmluftmassenmesser sind üblicherweise als Steckfühler ausgestaltet, welcher fest oder austauschbar in ein Strömungsrohr einbringbar ist.

Beispielsweise kann es sich bei diesem Strömungsrohr um einen Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine handeln.

Dabei durchströmt ein Teilstrom des Mediums wenigstens einen in dem

Heißfilmluftmassenmesser vorgesehen Hauptkanal. Zwischen dem Einlass und dem Auslass des Hauptkanals ist ein Bypasskanal ausgebildet. Insbesondere ist der Bypasskanal derart ausgebildet, dass er einen gekrümmten Abschnitt zur Umlenkung des durch den Einlass des Hauptkanals eingetretenen Teilstroms des Mediums aufweist, wobei der gekrümmte Abschnitt im weiteren Verlauf in einen Abschnitt übergeht, in welchem ein Sensorchip angeordnet ist. Der zuletzt genannte Abschnitt stellt den eigentlichen Messkanal dar, in dem der Sensorchip angeordnet ist.

Bei herkömmlichen Heißfilmluftmassenmessern der beschriebenen Art ragt in der Regel ein Sensorträger mit dem darauf angebrachten oder eingebrachten Sensorchip in den Messkanal hinein. Beispielsweise kann der Sensorchip in den Sensorträger eingeklebt oder auf diesen aufgeklebt sein. Der Sensorträger kann beispielsweise mit einem Bodenblech aus Metall, auf welchem auch eine

Elektronik, eine Ansteuer- und Auswerteschaltung (beispielsweise mit einem Schaltungsträger, insbesondere einer Leiterplatte) aufgeklebt sein kann, eine Einheit bilden. Beispielsweise kann der Sensorträger als angespritztes

Kunststoffteil eines Elektronikmoduls ausgestaltet sein. Der Sensorchip und die Ansteuer- und Auswerteschaltung können beispielsweise durch

Bondverbindungen miteinander verbunden werden. Das derart entstandene Elektronikmodul kann beispielsweise in ein Sensorgehäuse eingeklebt werden und der gesamte Steckfühler kann mit Deckeln verschlossen werden.

Heißfilmluftmassenmesser werden primär zur Bestimmung eines

Ansaugluftmassenstroms eines Verbrennungsmotors verwendet. Darüber hinaus gibt es Heißfilmluftmassenmesser, die zusätzlich die Feuchtigkeit, die

Temperatur oder den Druck der Ansaugluft bestimmen.

Trotz der zahlreichen Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten

Sensoren beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. So ist bislang zur Ermittlung qualitativer Eigenschaften der Luft das Vorsehen weiterer bzw. zusätzlicher Sensoren erforderlich, was mit deutlichen zusätzlichen Kosten verbunden ist.

Offenbarung der Erfindung

Es wird daher ein Sensor zur Bestimmung wenigstens eines Parameters eines durch einen Messkanal strömenden fluiden Mediums vorgeschlagen, welcher die Nachteile bekannter Sensoren zumindest weitgehend vermeiden kann und der insbesondere eine Erfassung zusätzlicher qualitativer Eigenschaften des fluiden Mediums bzw. dessen qualitative Zusammensetzung erlaubt.

Ein erfindungsgemäßer Sensor zur Bestimmung wenigstens eines Parameters eines durch einen Messkanal strömenden fluiden Mediums, insbesondere eines Ansaugluftmassenstroms einer Brennkraftmaschine, weist ein Sensorgehäuse, insbesondere einen in ein Strömungsrohr eingebrachten oder einbringbaren Steckfühler, in dem der Messkanal ausgebildet ist, mindestens einen in dem Messkanal angeordneten ersten Sensorchip zur Bestimmung des Parameters des fluiden Mediums und ein Elektronikmodul auf. Das Elektronikmodul weist eine Ansteuer- und/oder Auswerteschaltung auf. Der Sensor weist weiterhin einen zweiten Sensorchip zur Bestimmung einer qualitativen Zusammensetzung des fluiden Mediums auf. Der zweite Sensorchip ist mit der Ansteuer- und/oder Auswerteschaltung verbunden.

Dadurch kann mit einem einzigen Sensor zusätzlich zu dem Parameter des durch den Messkanal strömenden fluiden Mediums eine Qualität des fluiden Medium erfasst werden, was das vorsehen weitere Sensoren zur Bestimmung diese Eigenschaft vermeidet. Der Sensor wird somit funktional erweitert.

Unter einer qualitativen Zusammensetzung des fluiden Mediums ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Menge und Art der Bestandteile des fluiden Mediums zu verstehen.

Bei einer Weiterbildung weist das Elektronikmodul eine Leiterplatte auf, wobei die Ansteuer- und/oder Auswerteschaltung auf der Leiterplatte angeordnet ist, wobei der zweite Sensorchip auf der Leiterplatte angeordnet. Somit lässt sich der zweite Sensorchip in kompakter Weise in dem Elektronikmodul integrieren. Unter einer Leiterplate ist dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein im Wesentlichen platenförmiges Element zu verstehen, welches auch als Träger elektronischer Strukturen, wie beispielsweise Leiterbahnen, Anschlusskontakte oder Ähnliches, genutzt werden kann und vorzugsweise auch eine oder mehrere derartiger Strukturen aufweist. Grundsätzlich kommen dabei auch zumindest leichte Abweichungen von der Platenform in Betracht und sollen begrifflich mit erfasst sein. Die Leiterplate kann beispielsweise aus einem Kunststoffmaterial und/oder einem Keramikmaterial hergestellt sein,

beispielsweise einem Epoxidharz, insbesondere einem faserverstärkten

Epoxidharz. Insbesondere kann die Leiterplate beispielsweise als Leiterplate mit Leiterbahnen, insbesondere aufgedruckten Leiterbahnen (printed Circuit board, PCB), ausgestaltet sein.

Bei einer Weiterbildung ist der zweite Sensorchip ein mikro-elektro-mechanischer Sensorchip. Somit ist der zweite Sensorchip vergleichsweise klein und benötigt daher wenig Bauraum.

Unter einem mikro-elektro-mechanischen Sensorchip ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Sensorchip zu verstehen, dessen Komponenten kleinste Abmessungen im Bereich von 1 Mikrometer haben und als System Zusammenwirken. Ein solches Mikrosystem besteht aus einem oder mehreren Sensorelementen und einer Steuerungselektronik, die auf dem Chip angeordnet sind. Dabei bewegt sich die Größe der einzelnen Komponenten im Bereich von wenigen Mikrometern.

Bei einer Weiterbildung weist der zweite Sensorchip ein Substrat auf, das zumindest teilweise aus einem Halbleitermaterial, wie beispielsweise Silizium, hergestellt ist. Das Substrat trägt die Komponenten des Sensorchips.

Bei einer Weiterbildung umfasst die qualitative Zusammensetzung mindestens einen Anteil einer Gaskomponente in dem fluiden Medium und/oder ein Anteil eines Feststoffs in dem fluiden Medium.

Bei einer Weiterbildung ist die Gaskomponente mindestens eine Verbindung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kohlenstoffdioxid,

Kohlenstoffmonoxid, Ozon, Schwefeldioxid und Stickstoffoxid ist. Alternativ oder zusätzlich ist der Feststoff mindestens ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Partikel, Ruß, Staub und Feinstaub.

Bei einer Weiterbildung weist das Sensorgehäuse einen Elektronikraum auf, in dem das Elektronikmodul angeordnet ist. Damit lässt sich das Elektronikmodul geschützt in dem Sensorgehäuse unterbringen.

Bei einer Weiterbildung ist der Sensor zum Verbinden mit einem Steuergerät eines Kraftfahrzeugs ausgebildet, wobei das Kraftfahrzeug eine Klimaanlage aufweist, wobei der zweite Sensorchip zum Ausgeben eines Messsignals ausgebildet ist, wobei das Messsignal von dem Steuergerät zur Steuerung und/oder Regelung der Klimaanlage verarbeitbar ist. Somit ist es möglich, mittels der durch den zweiten Sensorchip gewonnen Daten die Klimaanlage zu steuern oder regeln.

Bei einer Weiterbildung ist der Sensor zum Verbinden mit einem Steuergerät eines Kraftfahrzeugs ausgebildet, wobei das Kraftfahrzeug einen

Verbrennungsmotor und einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung zum

Nachbehandeln von Abgas des Verbrennungsmotors aufweist, wobei der zweite Sensorchip zum Ausgeben eines Messsignals ausgebildet ist, wobei das Messsignal von dem Steuergerät zur Steuerung und/oder Regelung der

Abgasnachbehandlungsvorrichtung verarbeitbar ist. Somit ist es möglich, mittels der durch den zweiten Sensorchip gewonnen Daten die

Abgasnachbehandlungsvorrichtung zu steuern oder regeln.

Weiterhin wird ein Sensorsystem vorgeschlagen, das eine elektronische

Datenverarbeitungsvorrichtung und eine Mehrzahl von Sensoren nach den zuvor genannten Ausführungen umfasst. Die Sensoren sind drahtlos mit der elektronischen Datenverarbeitungsvorrichtung verbunden, wobei der zweite Sensorchip zum Ausgeben eines Messsignals ausgebildet ist, wobei das Messsignal von der elektronischen Datenverarbeitungsvorrichtung zur Ermittlung von Informationen über einen Umgebungsluftzustand verarbeitbar ist. Damit lassen sich die Daten der jeweiligen Sensoren zentral erfassen und erlauben die Bestimmung von Informationen über die Qualität des fluiden Mediums an verschiedenen Orten. Werden die Sensoren beispielsweise in mehreren

Kraftfahrzeugen verbaut, so lassen sich dadurch Informationen über die

Luftqualität in der Umgebung der Kraftfahrzeuge gewinnen, die zentral durch eine Fernverarbeitungsvorrichtung verarbeitet werden. Auf diese Weise kann der Verkehr gezielt gesteuert werden, um die Luftqualität zu verbessern.

Unter der Hauptströmungsrichtung ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung die lokale Strömungsrichtung des fluiden Mediums am Ort des Sensors bzw. der Sensoranordnung zu verstehen, wobei beispielsweise lokale

Unregelmäßigkeiten, wie zum Beispiel Turbulenzen, unberücksichtigt bleiben können. Insbesondere kann unter der Hauptströmungsrichtung somit die lokale gemittelte Transportrichtung des strömenden fluiden Mediums verstanden werden. Die Hauptströmungsrichtung kann daher einerseits auf die

Strömungsrichtung am Ort der Sensoranordnung selbst bezogen sein oder auch auf die Strömungsrichtung in dem Kanal innerhalb des Sensorgehäuses, wie beispielsweise am Ort des Sensorträgers oder des Sensorchips, wobei sich beide genannten Hauptströmungsrichtungen unterscheiden können. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird deshalb stets angegeben, auf welchen Ort sich die Hauptströmungsrichtung bezieht. Sofern keine nähere Angabe gemacht ist, bezieht sich die Hauptströmungsrichtung auf den Ort der Sensoranordnung.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann der Sensorträger ganz oder teilweise als Schaltungsträger, insbesondere als Leiterplatte, ausgestaltet sein oder Teil eines Schaltungsträgers, insbesondere einer Leiterplatte, sein.

Beispielsweise kann der Schaltungsträger, insbesondere die Leiterplatte, einen Fortsatz aufweisen, welcher den Sensorträger bildet und welcher in den Kanal, beispielsweise den Messkanal eines Heißfilmluftmassenmessers, hineinragt. Der übrige Teil des Schaltungsträgers, insbesondere der Leiterplatte, kann beispielsweise in einem Elektronikraum, in einem Gehäuse der

Sensoranordnung oder eines Steckfühlers der Sensoranordnung untergebracht sein.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.

Es zeigen: Figur 1 eine perspektivische Ansicht eines Sensors,

Figur 2 eine vergrößerte Ansicht eines Elektronikmoduls des Sensors,

Figur 3 eine Darstellung der Übertragung von Signalen in einem Kraftfahrzeug,

Figur 4 ein Beispiel für eine Signalverarbeitung in einem Steuergerät eines Kraftfahrzeugs und

Figur 5 ein Beispiel für ein Sensorsystem.

Ausführungsformen der Erfindung

Figur 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Sensors 10 zur Bestimmung eines Parameters eines fluiden Mediums. Der Sensor 10 ist als

Heißfilmluftmassenmesser ausgestaltet und umfasst ein als Steckfühler ausgebildetes Sensorgehäuse 12, welches beispielsweise in ein Strömungsrohr, insbesondere einen Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine, eingesteckt werden kann. Das Sensorgehäuse 12 weist einen Gehäusekörper 14, einen

Messkanaldeckel 16, einen Elektronikraum 18 sowie einen Elektronikraumdeckel 20 zum Verschließen des Elektronikraums 18 auf. In dem Gehäusekörper 16 ist eine Kanalstruktur 22 ausgebildet. Die Kanalstruktur 22 weist einen Hauptkanal 24 auf, welcher in einem Hauptstromauslass 26 beispielsweise auf der Unterseite 28 bezogen auf die Darstellung in Figur 1 des Sensorgehäuses 12 mündet, sowie einen von dem Hauptkanal 24 abzweigenden Bypass- bzw. Messkanal 30, welcher in einen Bypass- oder Messkanalauslass 32 mündet, der separat oder aber integriert ausgeführt sein kann. Durch die Kanalstruktur 22 kann über eine Einlassöffnung 34, die im eingesetzten Zustand einer Hauptströmungsrichtung 36 des fluiden Mediums am Ort des Sensorgehäuses 12 entgegenweist, eine repräsentative Menge des fluiden Mediums strömen.

Figur 2 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Elektronikmoduls 38 des Sensors 10. In einem eingesetzten Zustand des Elektronikmoduls 38 ragt ein Sensorträger 40 in den Messkanal 30. In diesen Sensorträger 40 ist ein erster Sensorchip 42 derart eingelassen, dass eine als Sensorbereich des ersten Sensorchips 42 ausgebildete mikromechanische Sensormembran 44 von dem fluiden Medium überströmbar ist. Der Sensorträger 40 ist mit dem ersten Sensorchip 42 Bestandteil des Elektronikmoduls 38. Das Elektronikmodul 38 weist weiter ein gebogenes Bodenblech 46 sowie eine darauf angebrachte, beispielsweise aufgeklebte Leiterplatte 48 mit einer Ansteuer- und/oder

Auswerteschaltung 50 auf. Die Ansteuer- und/oder Auswerteschaltung 50 ist auf der Leiterplatter 48 angeordnet. Die Ansteuer- und/oder Auswerteschaltung 50 ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC = application-specific integrated Circuit). Der Sensorchip 42 ist mit der Ansteuer- und/oder Auswerteschaltung 50 über elektrische Verbindungen 52, welche hier als Drahtbonding ausgestaltet sind, elektrisch verbunden. Das derart entstandene Elektronikmodul 38 wird in den Elektronikraum 18 des Gehäusekörpers 14 - seinerseits fester Bestandteil des Sensorgehäuses 12 - eingebracht, beispielsweise eingeklebt. Dabei ragt der Sensorträger 40 in die Kanalstruktur 22 hinein. Anschließend wird der Elektronikraum 18 von dem Elektronikraumdeckel 20 verschlossen.

Der Sensor 10 weist weiterhin einen zweiten Sensorchip 54 zur Bestimmung einer qualitativen Zusammensetzung des fluiden Mediums auf. Die qualitative Zusammensetzung umfasst mindestens einen Anteil einer Gaskomponente in dem fluiden Medium und/oder ein Anteil eines Feststoffs in dem fluiden Medium. Die Gaskomponente ist mindestens eine Verbindung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kohlenstoffdioxid, Kohlenstoffmonoxid, Ozon, Schwefeldioxid und Stickstoffoxid. Der Feststoff ist mindestens ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Partikel, Ruß, Staub und Feinstaub.

Der zweite Sensorchip 54 ist ein mikro-elektro-mechanischer Sensorchip.

Insbesondere weist der zweite Sensorchip 54 ein Substrat auf, das zumindest teilweise aus einem Halbleitermaterial hergestellt ist. Das Halbleitermaterial ist beispielsweise Silizium. Alternativ ist das Halbleitermaterial Galliumarsenid. Das Substrat kann alternativ aus Kunststoff hergestellt sein. Der zweite Sensorchip 54 ist mit der Ansteuer- und/oder Auswerteschaltung 50 verbunden. Zu diesem Zweck ist der zweite Sensorchip 54 auf der Leiterplatte 48 angeordnet.

Figur 3 zeigt eine Darstellung der Übertragung von Signalen in einem

Kraftfahrzeug 56. Der Sensor 10 ist beispielsweise in einem Ansaugtrakt eines Verbrennungsmotors 58 des Kraftfahrzeugs 56 angeordnet. Das Kraftfahrzeug 56 weist ein Steuergerät 60 auf. Der Sensor 10 ist mit dem Steuergerät 60 verbunden, so dass Daten bzw. Signale zwischen diesen ausgetauscht werden können. Das Kraftfahrzeug 56 weist weiterhin eine Klimaanlage 62 auf. Der zweite Sensorchip 54 ist zum Ausgeben eines Messsignals ausgebildet. Das Messsignal von dem Steuergerät 60 zur Steuerung und/oder Regelung der Klimaanlage 62 verarbeitbar ist. Beispielsweise wird mittels des zweiten

Sensorchips 54 ein Messsignal gewonnen und an die Ansteuer- und/oder Auswerteschaltung 50 ausgegeben, wo eine qualitative Zusammensetzung des fluiden Mediums bestimmt bzw. berechnet wird. Die Ansteuer- und/oder

Auswerteschaltung 50 wiederum gibt das Messsignal über einen vorbestimmten Kanal 64 an das Steuergerät 60 aus. Der Kanal 64 ist eine digitale Schnittstelle für die Kommunikation, wie beispielsweise SENT (Single Edge Nibble

Transmission). Das Steuergerät 60 verarbeitet das Messsignal und gibt es an die Steuerung bzw. Regelung der Klimaanlage 62 über einen CAN-Bus 66 aus. Auf diese Weise kann bestimmt werden, ob und wieviel Frischluft und/oder Umluft die Klimaanlage 62 in das Innere des Kraftfahrzeugs 56 zuführen soll.

Das Kraftfahrzeug 56 kann alternativ oder zusätzlich eine

Abgasnachbehandlungsvorrichtung 68 zum Nachbehandeln von Abgas des Verbrennungsmotors 58 aufweisen. Das Messsignal des zweiten Sensorchips 54 ist in der zuvor beschrieben Weise von dem Steuergerät 60 zur Steuerung und/oder Regelung der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 68 verarbeitbar. Beispielsweise wird mittels des zweiten Sensorchips 54 das Messsignal gewonnen und an die Ansteuer- und/oder Auswerteschaltung 50 ausgegeben, wo eine qualitative Zusammensetzung des fluiden Mediums bestimmt bzw. berechnet wird. Die Ansteuer- und/oder Auswerteschaltung 50 wiederum gibt das Messsignal über den vorbestimmten Kanal 64 an das Steuergerät 60 aus. Das Steuergerät 60 verarbeitet das Messsignal und gibt es an die Steuerung bzw. Regelung der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 68 über den CAN-Bus 66 aus. So lässt sich das Messsignal beispielsweise als Eingangsgröße in Stickstoffoxid oder Ruß-Modellen berücksichtigen.

Figur 4 zeigt ein Beispiel für eine Signalverarbeitung in einem Steuergerät 60 eines Kraftfahrzeugs 56. In Schritt S10 erfolgt die Erfassung eines Rohsignals 70 durch das Steuergerät 60. Das Rohsignal 70 kann von dem zweiten Sensorchip 54 oder dem ersten Sensorchip 42 geliefert werden. In Schritt S12 erfolgt eine Signaltransformation. Das transformierte Signal wird in Schritt S14 einer Tiefpassfilterung unterzogen. Nach der Tiefpassfilterung erfolgt in Schritt S16 eine Summenberechnung. In Schritt S18 erfolgt schließlich die Berechnung eines gleitenden Mittelwerts, wobei aus Schritt S20 ein Triggersignal nach jeder halben Streckenänderung zugeführt wird. Der so gewonnene gleitende Mittelwert wird dann als Eingangsgröße für andere Steuerungen bzw. Regelungen im

Kraftfahrzeug verwendet.

Figur 5 zeigt ein Beispiel für ein Sensorsystem 72. Das Sensorsystem 72 umfasst eine elektronische Datenverarbeitungsvorrichtung 74 und eine Mehrzahl von Sensoren 10 gemäß dem oben beschrieben Ausführungsbeispiel. Die Sensoren 10 sind drahtlos mit der elektronischen Datenverarbeitungsvorrichtung 74 verbunden sind. Der zweite Sensorchip 54 ist zum Ausgeben eines

Messsignals ausgebildet, das von der elektronischen

Datenverarbeitungsvorrichtung 74 zur Ermittlung von Informationen über einen Umgebungsluftzustand verarbeitbar ist. Beispielsweise sind die Sensoren 10 in Kraftfahrzeugen 56 montiert. Die Messsignale werden von den Steuergeräten 60 der Kraftfahrzeuge 56 drahtlos an die Datenverarbeitungsvorrichtung 74 übermittelt, anhand weiterer Daten der Kraftfahrzeuge 56, wie beispielsweise Positionsdaten, lässt sich somit die Information über die Luftqualität den

Positionen der Kraftfahrzeuge 56 zuordnen. Somit können Informationen über die Luftqualität an verschiedenen Positionen erfasst werden, die wiederum zur Steuerung des Verkehrs dienen können.