熱膜式空氣品質流量計及其製造方法
2023-06-14 20:21:46
專利名稱：熱膜式空氣品質流量計及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種用於測量流動的流體介質的、尤其是流過通流管的流體介質的至少一個參數的已知裝置，如其在現有技術的各個領域中已知的那樣。因此，在許多過程中，例如對於方法技術領域、化學領域或機械製造領域，必須以特定的特性(例如溫度、壓力、流動速度、質量流等等)按定義地輸送流體介質、尤其是氣體質量(例如空氣品質)。燃燒過程尤其是屬於這種情況，燃燒過程在規定的條件下進行。
背景技術：
一個重要的應用例是燃料在汽車內燃機中的燃燒，尤其是帶有接著的催化廢氣淨化，在這些過程中必須按規定每單位時間輸送一定的空氣品質(空氣品質流)。為了測量空氣品質流量，在此使用了各種類型的傳感器。一種由現有技術已知的傳感器類型是所謂的熱膜式空氣品質流量計
(HFM)，例如在DE 196 01 791 Al中以一種實施形式描述了該熱膜式空氣品質流量計。
在這類熱膜式空氣品質流量計中通常使用傳感器晶片，該傳感器晶片具有薄的傳感器膜片，例如使用矽傳感器晶片。在傳感器膜片上通常設置有至少一個熱電阻，所述熱電阻由兩個或更多個溫度測量電阻(溫度探頭)包圍。在經過膜片傳導的空氣流中，溫度分布是變化的，這又可以被溫度測量電阻檢測到並且可以藉助控制與分析處理電路進行分析處理。因此，可以例如由溫度測量電阻的電阻差來確定空氣品質流。由現有技術已知了該傳感器類型的各種其它變型，例如這樣一些傳感器，其不是以膜片工作，而是以多孔的傳感器晶片工作。
用於確定流體介質的至少一個參數的已知熱膜式空氣品質流量計以及其它已知裝置通常具有一個晶片載體，傳感器晶片設置在該晶片載體上或者埋置在該晶片載體中。該晶片載體通常伸入到流體介質中，其中，晶片載體通常被如此地設計，使得與插入的傳感器晶片形成基本上平坦的表面，流體介質可流過該表面而不形成湍流。
在己知的熱膜式空氣品質流量計中，晶片載體例如通過以下方式製造:使用一個用於控制與分析處理電子裝置的薄板載體，電路載體(例如電路板)固定在該薄板載體上。晶片載體自身通常通過裝配過程固定在薄板載體上，例如通過注塑過程中的注塑。
在插裝電路載體之後，然後通常在附加的過程步驟中將傳感器晶片裝配到晶片載體上。為此通常將粘接劑設置在由金屬或塑料製成的接納部中，通過附加的操縱系統從單獨的矽晶片中取出晶片，並且該晶片被定位在晶片載體內部的晶片接納部中。接著使粘接劑在爐中固化，其中，該粘接劑例如可以是矽樹脂粘接劑。
但是，該己知的製造方法和由此製成的裝置仍有改進的餘地。尤其是為了將傳感器晶片安裝到晶片載體中或者安裝到晶片載體上，需要大量單個步驟，這些單個步驟使得製造過程更貴，尤其使最終產品更貴，或者使利潤率減少。另一個缺點在於粘接劑在爐中的固化又可能導致對已經插裝的電子裝置的損害，並且，在固化之前由於傳感器晶片通常在晶片載體或者晶片載體的凹部內部存在間隙，可能由於傳感器晶片在未固化的粘接劑上的打滑而出現構件公差。
發明內容
本發明相應地提出了一種用於確定流體介質的至少一個參數的裝置，其中，該裝置例如可以是用於確定內燃機的吸入空氣品質的裝置。優選地，該裝置是熱膜式空氣品質流量計。還提出了一種用於製造這類裝置的方法，尤其是用於製造具有根據本發明的裝置特徵的裝置的方法。
如開頭所述的裝置那樣，根據本發明的裝置具有用於測量所述參數的傳感器晶片。例如，該傳感器晶片在此可以是開頭提到的熱膜式空氣品質流量計晶片，該晶片可以按照現有技術構造並且該晶片可以在一個傳感器表面上具有一個熱電阻和兩個溫度探頭。
根據本發明的裝置還包括帶有至少一個電路載體的控制與分析處理電子裝置。例如該電路載體又可以是電路板，尤其是陶瓷電路板和/或以塑料為材料的電路板。控制與分析處理電子裝置例如也可以如由現有技術已知的那樣構造並且例如可以包括用於控制熱電阻的電子模塊和用於分析處理
5溫度探頭的電子器件。
此外，該裝置又包括晶片載體，該晶片載體用於將傳感器晶片或者傳感器晶片的傳感器表面帶入到流體介質中。
本發明的基本構思在於晶片載體的裝配相對於已知的裝置顯著地簡化。尤其是藉助下面提出的裝置和相應的製造方法可以省去通過注塑將晶片載體裝配到薄板載體上。
因此提出，電路載體本身或者該電路載體的一部分用作晶片載體的組成部分。為此，電路載體具有一個與其餘的電路載體一體地構造的突出部。該突出部在此例如可以是幾乎矩形的突出部，其例如由其餘的電路載體(例如電路板)通過鋸切加工出來。優選地，該裝置被這樣地使用，使得僅有該電路載體的突出部伸入到流體介質中。傳感器晶片在此固定在該突出部上。
傳感器晶片在該突出部上的固定例如可以通過材料鎖合的連接、尤其是通過粘接進行。在此特別有利的是藉助粘接薄膜的粘接，因為這樣的粘
接薄膜可以以"拾放(Pick-and-Place)"方法施加，例如藉助市場上常見的電路板插裝系統施加，並且因為以這種方式可以省去在爐中的固化步驟。但是作為粘接的替代或者補充，也可以考慮其它的方法，例如力鎖合的固定和/或形狀鎖合的固定。
晶片載體還可以包括一個框架，該框架安裝到所述突出部上並且至少部分地包圍傳感器晶片。該框架例如可以同樣通過上述固定方式中的一種與突出部連接，優選地也藉助粘接薄膜與突出部連接。例如為此可以使用同一粘接薄膜，傳感器晶片也藉助該同一粘接薄膜固定在突出部上。
框架可以包括空隙，傳感器晶片插入到該空氣中。該空隙可以這樣地設計，使得在安裝框架之後晶片載體的整個表面(其如今由框架表面和傳感器晶片表面構成)基本上是平的和對齊的。該空隙還可以這樣地設計，使得傳感器晶片本身貼合在突出部上，或者該空隙可以僅僅包括一個凹部，傳感器晶片可以插入到該凹部中而不與突出部接觸。
該框架還可以附加地包括流動導向元件，所述流動導向元件適合用於例如使流體介質圍繞傳感器載體流動和/或用於避免流體介質在裝置本身處或者在晶片載體處的壓力降。尤其地，該流動導向元件可以包括圓化的迎流鼻頭(Anstr6mnase)，在裝置的安裝狀態下，該迎流鼻頭與流體介質在晶片載體位置處的主流動方向相反地指向。該圓化的迎流鼻頭可以均衡 例如電路載體突出部的鋒利稜邊處的壓力降或湍流形成。為此，尤其是可 以對迎流鼻頭進行設計，以便在迎流側至少部分地包圍該突出部，使得在 該區域中至少部分地覆蓋突出部的鋒利稜邊。
為了製造按上述實施形式中一種的裝置和相似裝置，可以例如使用一 種由電路板技術已知的拾放方法。所述方法的一個重要優點在於無論是 電路載體的插裝還是傳感器晶片的和必要時框架的裝配都可以藉助粘接薄 膜進行，其中，優選地，所有構件可以藉助同一操縱系統或者插裝系統安 裝。尤其是當使用粘接薄膜時，可以省去附加的工藝步驟，例如粘接劑塗 抹和接下來的粘接劑固化。附加的在薄板載體上的注塑過程也可以省去。 因此，所提出的裝置和所提出的方法以顯著地減少製造步驟和製造所需的 裝置為特徵。由此可以顯著地減少製造成本並且製造的節拍時間可以明顯 地減少。
本發明的實施例在附圖中示出並且在下面的說明書中詳細闡述。附圖
中
圖1示出安置到內燃機的吸氣部分(Ansaugtmkt)中的熱膜式空氣質
圖2以俯視圖示出打開的熱膜式空氣品質流量計；
圖3示出熱膜式空氣品質流量計的帶有控制與分析處理電子裝置和注 塑的晶片載體的薄板載體；
圖4以剖視圖示出按本發明構造的、帶有嵌入的傳感器晶片的晶片載 體；禾口
圖5以俯視圖示出根據圖4的按本發明的晶片載體。
具體實施例方式
在圖1中示出了一種用於確定以主流動方向流動的流體介質的參數的 裝置110的例子。在該實施例中，裝置110如同樣在以下實施例中那樣(不 限制本發明的保護範圍)是熱膜式空氣品質流量計112，該熱膜式空氣品質 流量計插入到(在圖1中未示出的)內燃機的吸氣部分114中。這類熱膜式空氣品質流量計112可在市場上獲得並且例如在DE 102 46 069 Al或DE 103 48 400 Al中描述。
熱膜式空氣品質流量計112構造成用於識別廢氣流在脈動式流動時的 流動方向並且設計成在內燃機具有汽油或柴油燃料噴射裝置時用於載荷檢 測。熱膜式空氣品質流量計112通常安裝在空氣過濾器和節流裝置之間並 且通常作為帶有測量殼體118的插接探頭116形式的預裝配組件進行安裝。 這類測量殼體118通常製造為注塑構件，大多由適合於汽車行業的工程塑 料製成。典型的塑料是玻璃纖維填充的熱塑性塑料，例如具有20%的玻璃 纖維填充物的PBT。其它的塑料也是可使用的。
在圖2中以俯視圖示出了按圖1中的實施例的、帶有打開的測量殼體 118的熱膜式空氣品質流量計112。在此，測量殼體118的一個在圖2中未 示出的蓋件被取下，從而可看到測量殼體118的殼體部分120的內側。該 測量殼體118被分成流動區域122和電子裝置區域124。如圖1所示，流動 區域122在熱膜式空氣品質流量計112的安裝狀態下插入到吸氣部分114 中，流動通道126容納在該流動區域122中，該流動通道126被分成多個 部分通道。因此，流動通道126首先具有主流動通道128，該主流動通道 128從流入口 130基本水平地且直地延伸到流出孔132。
如圖2中虛線所示，流出孔132位於測量殼體118的在圖2中未示出 蓋件中。其它方面基本以矩形橫截面構造的流動通道126或者主流動通道 128在流出孔132前面的區域中以向著流出孔132減小的通道深度傾斜，使 得空氣從流入口 130通到流出孔132。吸氣部分114中的流體介質、例如空 氣以主流動方向134流過熱膜式空氣品質流量計112，其中，熱膜式空氣質 量流量計112的定向通常如此地設置，使得主流動方向134平行於主流動 通道128的走向。
在流動通道126中緊接在流入口 130的後面設置一個分叉部136。該分 叉部136設置成與主流動方向134成銳角，在該分叉部136處， 一條測量 通道138從主流動通道128分叉。測量通道138繪出一個曲折的走向並且 環繞主流動通道128的流出孔132。該測量通道138最終在殼體部分120 的下側通到測量通道流出孔140中。測量通道138通常也稱為"旁路"，因 而流動區域122在整體上通常也稱為旁路部分142。
沿主流動方向134進入到流動通道126中的空氣品質流在分叉部136處被分割成兩個支流。第一主支流直接從流入口 130通過主流動通道128 流向流出孔132。然而第二支流被叉開，尤其是由於分叉部136處的流體力 學上的負壓現象，並且第二支流被引導到測量通道138中。流過測量通道 138的這一支流是以主流動方向134流動的流體介質(例如空氣)的完整流 的代表。
在測量通道138中設置有直的區段144，在該區段144中，其中嵌有傳 感器晶片148的晶片載體146從電子裝置區域124伸入到測量通道138中。 該傳感器晶片148在此起到傳感器元件150的作用並且可以例如按照上述 原理(例如見DE 196 01 791 Al)設計。
在由現有技術已知的熱膜式空氣品質流量計112中，晶片載體146可 以構造成例如金屬構件，例如構造成薄板構件，或者其在此也可以是塑料 構件，例如注塑構件。晶片載體146通常固定(通常注塑)在一個容納在 電子裝置區域124中的、在圖2中未示出的薄板載體上，其中，該薄板載 體載有熱膜式空氣品質流量計112的分析處理與控制電路。該薄板載體在 下面藉助於圖3詳細闡述。
為了避免由空氣帶入的水和其它的固態或液態雜質(例如油)到達傳 感器晶片148，在分叉部136處設置有一 個鋒利稜邊形式的所謂的"齒"152， 該齒伸入到流入口 130中並且提供了具有在圖2中向下指向的分量(即相 對於主流動方向134成銳角)的導引面。由此使流過的空氣部分地向下轉 向，也就是說遠離分叉部136。因此，該齒152負責相分離，即負責使在分 叉部136處分叉出的(流過測量通道138的)支流基本上沒有水和/或其它 液態或固態雜質。汙染微粒和/或水微粒不能在齒152處進行急劇的轉向並 且由於其慣性而直接地飛過主流動通道128並且通過側向設置的流出孔 132離開所述主流動通道128。
在圖3中以立體圖示出了上述的帶有控制與分析處理電子裝置156和 晶片載體146的薄板載體154。該薄板載體154由常見的薄板材料製成衝彎 件並且包括側向傾斜的支架結構158，薄板載體154可以通過所述支架結構 158嵌入到測量殼體118的上述電子裝置區域124中並且可以固定在那裡。
電路載體160作為控制與分析處理電子裝置156的組成部分安置在薄 板載體154上，在本實施例中電路載體160可以例如是平坦的、剛性的或 柔性的電路板，例如陶瓷電路板。電路載體160在該實施例中以常見的插裝工藝被插裝電子器件，這些電子器件保證了控制與分析處理電子裝置156 的功能。此外設置有印製導線和接觸墊。該電路載體160可以例如粘貼在 薄板載體154上。
在圖3中所示的、根據現有技術的實施例中，晶片載體146以常見的 塑料工藝注塑到薄板載體154上。該晶片載體146具有迎流稜邊162,該迎 流稜邊在使用中與在測量通道138中流動的流體介質的主流動方向相反地 指向。該迎流稜邊162稍微圓化。
晶片載體146還具有凹部164，該凹部164基本上矩形地構造，然而該 凹部164在側向上設置有隆起部以供拾放工具作用並且傳感器晶片148被 插入到該凹部中。傳感器晶片148通過金屬絲鍵合與電路載體160連接。
與圖3不同，在圖4中示出了傳感器晶片148的根據本發明的設計方 案。圖4中的視圖是沿著圖3中的線A-A的剖視圖並且示出了根據本發明 的結構與現有技術的不同。在圖5中以俯視圖從上方示出了根據本發明的 晶片載體146。下面結合這兩幅圖深入闡述根據本發明的裝置。
對於所提出的結構，電路載體160包括矩形的突出部166，該突出部 166與其餘的電路載體160構造為一體，然而該突出部166從電子裝置區域 124伸入到測量通道138中，從而形成晶片載體146的組成部分。
在該突出部166上以拾放方法安裝雙面的粘接薄膜168。優選地，該雙 面的粘接薄膜168是一體地構造的並且覆蓋突出部166的整個表面，該突 出部166伸入到測量通道138中。
接著將框架170安裝到雙面的粘接薄膜168上。該框架170可以例如 先前在單獨的注塑過程中由常見的塑料材料製成，例如由在汽車技術中使 用的、強化的或者未強化的PBT材料(見上)。在此，該框架170可以在 使用中製造，使得可以在一個單獨的注塑過程中製造多個這樣的框架。該 框架170同樣可以藉助拾放方法、優選藉助一個機器放置在突出部166上 並且壓合到雙面的粘接帶168上，雙面的粘接薄膜168也藉助同一個機器 安裝。通常不需要其它的裝配步驟。
框架170具有空隙172,與圖3類似地，該空隙又可以基本上具有傳感 器晶片148的外形。例如其又可以是矩形的外形，其中，然而可以與圖3 類似地設置空隙172的附加的孔或擴寬部，以便使通過相應的插裝自動機 的拾放方法或者插裝更容易。這在圖5中示意性地通過空隙172的插裝擴寬部174表示。
在圖4中可看到框架170的其它特別之處。因此，框架170不僅具有 空隙172，而且設置有圓化的迎流鼻頭180形式的流動導向元件178，該流 動導向元件178與測量通道138中的流體介質在晶片載體146位置處的流 動方向相反地指向。該迎流鼻頭180覆蓋突出部166的鋒利稜邊，所述迎 流鼻頭180與流動方向176相反地指向並且在晶片載體146背離傳感器芯 片148的一側與突出部166對齊地閉合。由此避免形成湍流並且避免了芯 片載體146處的壓力降。迎流鼻頭180在其與流動方向176相反指向的一 側被圓化並且因此形成晶片載體176的迎流稜邊162。但是，除了或者替代 圖4和5中描述的迎流鼻頭180，框架170也可以包括其它類型的流動導向 元件178，所述流動導向元件178用於空氣動力學的優化，並且，流動導向 元件178可以例如同樣以臺階伸出超過電路載體160的突出部166，以便覆 蓋突出部166的稜邊。因此，在框架170中可以容納例如流動翼片、流動 溝槽或者相似的空氣動力學元件。
在將框架170安裝到突出部166上之後，傳感器晶片148被裝配到粘 接薄膜168上，該傳感器晶片148在圖5中僅示意性地示出。所述裝配可 以例如又通過拾放方法進行。優選地，框架170在其厚度上如此地確定尺 寸，使得傳感器晶片148的表面與框架170的表面對齊地閉合，如其在圖4 中所示的那樣。以這種方式避免了傳感器晶片148稜邊處的湍流，在非對 齊閉合(例如突出和/或凹陷)的情況下可能產生所述湍流。
例如如圖3所示，接著可以通過金屬絲鍵合方法使傳感器晶片148與 控制與分析處理電子裝置156、尤其是與電路載體160連接和接通。在圖3 中從上傾斜示出的立體視圖中，帶有插入的傳感器晶片148的晶片載體146 在其功能上實際上與圖3中的對應於現有技術的視圖沒有區別。然而如上 所述，該製造方法通過提出的方法被強烈地簡化，並且熱膜式空氣品質流 量計112可以成本顯著有利地製造。
權利要求
1.一種裝置(110，112)，用於確定流體介質的至少一個參數、尤其是用於確定內燃機的吸入空氣品質，其中，所述裝置(110，112)具有用於測量所述參數的傳感器晶片(148)和帶有電路載體(160)的控制與分析處理電子裝置(156)，所述傳感器晶片(148)設置在一個可插入到流體介質中的晶片載體(146)上，其特徵在於，所述晶片載體(146)包括電路載體(160)的一個與所述電路載體(160)一體地構造的突出部(166)，其中，所述傳感器晶片(148)固定在所述突出部(166)上。
2. 如前一項權利要求所述的裝置(110， 112)，其中，所述傳感器芯 片(148)在所述突出部(166)上的固定通過以下固定方式中的至少一種 實現材料鎖合的固定，尤其是粘接，尤其是藉助粘接薄膜(168)或者可 固化的粘接劑的粘接；力鎖合的固定；形狀鎖合的固定。
3. 如前兩項權利要求中的一項所述的裝置(110， 112)，其中，所述 晶片載體(146)還包括框架(170)，其中，框架(170)安裝在突出部(166) 上並且至少部分地包圍所述傳感器晶片(148)。
4. 如前一項權利要求所述的裝置(110， 112)，其中，所述框架(170) 通過以下固定方式中的至少一種與所述突出部(166)連接材料鎖合的固 定，尤其是粘接，尤其是藉助粘接薄膜(168)或者可固化的粘接劑的粘接; 力鎖合的固定；形狀鎖合的固定。
5. 如前兩項權利要求中的一項所述的裝置(110， 112)，其中，所述 框架(170)包括空隙(172)，所述傳感器晶片(148)插入到所述空隙(172) 中。
6. 如前三項權利要求中的一項所述的裝置(110， 112)，其中，所述 框架(170)附加地包括流動導向元件(178)，尤其是圓化的迎流鼻頭(180)， 該迎流鼻頭(180)構造成用於在迎流側至少部分地包圍所述突出部(166)。
7. —種用於製造裝置(110， 112)的方法，該裝置(110， 112)用於確定流體介質的至少一個參數、尤其是用於確定內燃機的吸入空氣品質， 其中，該方法包括以下步驟使用一個控制與分析處理電子裝置(156)，其帶有電路載體(160)， 該電路載體(160)包括一個與該電路載體(160)—體地構造的突出部(166);將傳感器晶片(148)固定在所述突出部(166)上，其中使用以下方 法中的至少一種材料鎖合的方法；力鎖合的方法；形狀鎖合的方法。
8. 如前一項權利要求所述的方法，其中，還將一框架(170)安裝到 所述突出部(166)上，所述框架(170)至少部分地包圍所述傳感器晶片(148)。
9. 如前一項權利要求所述的方法，其中，在安裝所述傳感器晶片(148) 之前安裝所述框架(170)。
10. 如前兩項權利要求中的一項所述的方法，其中，首先將粘接層、 尤其是粘接薄膜(168)安裝到前突部上，並且，接著將所述框架(170) 和所述傳感器晶片(148)安裝到所述粘接層上。
11. 如前一項權利要求所述的裝置(110， 112)，其中，將拾放方法用 於所述安裝步驟中的至少一個。
全文摘要
本發明涉及一種裝置(110，112)，用於確定流體介質的至少一個參數、尤其是用於確定內燃機的吸入空氣品質。所述裝置(110，112)具有用於測量所述參數的傳感器晶片(148)和帶有電路載體(160)的控制與分析處理電子裝置(156)，所述傳感器晶片(148)設置在一個可插入到流體介質中的晶片載體(146)上。所述晶片載體(146)包括電路載體(160)的一個與所述電路載體(160)一體地構造的突出部(166)，其中，所述傳感器晶片(148)固定在所述突出部(166)上。
文檔編號B81B7/00GK101680792SQ200880017703
公開日2010年3月24日 申請日期2008年4月4日 優先權日2007年5月29日
發明者B·金茨, H·黑希特, L·韋斯滕貝格爾, N·施奈德, U·康策爾曼 申請人:羅伯特·博世有限公司