Sektion G: Physik

Luftmassensensor

G01F 1/68

Figur 1: Thermische Luftmassenmessung in Brückenschaltung nach DE 39 31 308 C2.

Die so genannte Hitzdraht- bzw. Heißfilm-Anemometrie (von griechisch "anemos": Wind) ist prinzipiell ein Verfahren zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten in gasförmigen und flüssigen Medien. Sie beruht auf der Tatsache, dass der Wärmetransport von einem erwärmten Körper in das umgebende Medium von der Relativgeschwindigkeit zwischen Körper und Medium beeinflusst wird. Eine grundlegende Arbeit hierzu wurde bereits 1914 von L.V. King in Philosophical Transactions of the Royal Society of London (Band 214, S. 373-432) publiziert. Als Messaufnehmer dienen durch elektrischen Strom erhitzte Drähte oder - heute bei weitem gebräuchlicher - dünne Filme aus einem Metall mit einer vorzugsweise großen Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands, wie beispielsweise Platin.

In der Kraftfahrzeugtechnik werden temperaturgesteuerte, stromdurchflossene Messwiderstände, vornehmlich in Form von dünnen Widerstandsfilmen, zur Erfassung der von einer Brennkraftmaschine angesaugten Luftmasse eingesetzt. Da der Durchmesser des betreffenden Ansaugstutzens als bekannt vorausgesetzt werden kann, ist auf einfache Art und Weise eine Umrechnung der erfassten Strömungsgeschwindigkeit in einen Volumenstrom oder, bei bekannter Dichte des betreffenden Fluids (hier: Luft), in einen Massenstrom möglich. Wie in der Figur 1 aus DE 39 31 308 C2 dargestellt ist, wird der Ansaugluftstrom m an dem erhitzten Widerstandsfilm RH vorbeigeführt, der Teil einer Wheatstone-Brückenschaltung 2 ist.

Figur 2: Mikromechanischer Luftmassensensor aus DE 38 72 715 T2.

Durch den ihn durchfließenden Strom wird der Widerstandsfilm auf einer konstanten Übertemperatur gegenüber der Temperatur der Ansaugluft gehalten, welche mittels des weiteren Widerstands RK Berücksichtigung findet. Der benötigte Heizstrom ist somit ein Maß für die von der Brennkraftmaschine angesaugte Luftmasse. Das Brückenausgangssignal U kann von einem Steuergerät der Brennkraftmaschine als Eingangsgröße zur Einstellung optimaler Betriebsparameter verwendet werden.

In der Praxis kommen häufig Luftmassensensoren in Form von mikromechanischen Bauelementen auf Siliziumbasis zum Einsatz, welche sich insbesondere durch eine hohe Empfindlichkeit und ein gutes Ansprechverhalten auszeichnen. Figur 2 aus DE 38 72 715 T2 zeigt einen mit Hilfe nasschemischer Ätzverfahren auf einem Siliziumsubstrat 8 ausgebildeten Membranbereich 1, aufgebaut aus Siliziumdioxid- und Siliziumnitridschichten, die auf dem Substrat abgeschieden sind. Aufgrund der sehr geringen thermischen Masse der Membran wird eine gute thermische Isolierung der hier aus Gold bestehenden Dünnschichtmesswiderstände 3, 4, 5 gewährleistet. Die Widerstandsschichten 6 und 7 befinden sich auf dem thermisch gut leitfähigen Rand 2 des Substrats und dienen der Messung der Ansauglufttemperatur. Alle Dünnschichtwiderstände werden durch eine Passivierungsschicht 17 aus Siliziumnitrid vor Partikeln (z.B. Öl, Wasser, Staub) geschützt, die sich möglicherweise in der Ansaugluft befinden.

Für eine Recherche relevante IPC-Gruppen
IPC	Technischer Aspekt
G01F 1/68	Messen des Massedurchflusses eines Fluids mittels thermischer Effekte
G01F 1/692	- Diesbezügliche Dünnfilm-Anordnungen
F02D 41/18	Steuerung oder Regelung der Zufuhr eines brennbaren Gemisches oder seiner Bestandteile zu einer Brennkraftmaschine durch Messen der Ansaugluftmenge
H01L 21/306	Herstellung von Halbleiterbauelementen durch chemische Behandlung

Zitierte Patentdokumente
Patentnummer	Jahr	Titel
DE 39 31 308 C2	1989	Verfahren und Vorrichtung zur Temperatursteuerung eines erhitzten Meßwiderstandes
DE 38 72 715 T2	1988	Auf Silizium basierter Massen-Luftstromsensor

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