DE19530413C1 - Verfahren zur Befestigung und Kontaktierung von Widerstandselementen für Heißfilmanemometer sowie Sensoranordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Befestigung und Kontaktierung von Widerstandselemen­ ten, die eine auf einem flächenhaften, langgestreckten Substrat befindliche Widerstandsschicht in Form einer Widerstandsbahn als Heißfilm aufweisen, auf einem flächenhaft ausgebildeten Bereich eines Sensorträgers eines Heißfilmanemometers, bei dem das Widerstandselement mit wenigstens zwei in seinem Randbereich im Abstand zueinander angeordneten Anschlußkon­ takten in jeweils einen mit Kontaktfedern versehenen Anschlußbereich einer Kontaktklammer des Sensorträgers eingeführt, kontaktiert und gehalten wird, sowie eine demgemäß aufgebaute Sensoranordnung für Heißfilmanemometer.

Ein derartiges Verfahren und eine derartige Sensoranordnung ist aus der JP 2-120627 A be­ kannt. Das Widerstandselement wird dabei mit wenigstens zwei in seinem Randbereich im Ab­ stand zueinander angeordneten Anschlußkontakten in jeweils einen mit Kontaktfedern versehe­ nen Anschlußbereich einer Kontaktklammer des Sensorträgers eingeführt, kontaktiert und gehalten.

Weiterhin ist aus der DE 36 04 202 A1 eine direkt beheizte Strömungsmeßvorrichtung als Heiß­ filmanemometer bekannt, bei der ein Halteelement in einem Strömungskanal befestigt ist, das zur einseitigen Halterung eines Substrates mit Schichtwiderstandsmuster dient.

Weiterhin ist aus der DE 29 25 975 A1 ein Mengendurchflußmesser bekannt, bei dem ein strö­ mendes Medium an zwei stromdurchflossenen elektrischen Leitern mit temperaturabhängigem Widerstand vorbeigeführt wird; dabei sind ein Meßwiderstand und ein Vergleichswiderstand als dünne Widerstandsschichten ausgebildet, welche auf ein dünnes Substrat aufgebracht sind.

Weiterhin ist es aus der JP 6-13201 A bekannt, Widerstandselemente in kontaktierenden Halte­ klemmen zusätzlich zu verlöten, wobei die Klemmenkontaktteile durch Reflow-Löten verbunden werden.

Aus der EP 0 147 831 A2 ist ebenfalls ein Strömungssensor bekannt, welcher in einem Strö­ mungskanal untergebracht ist. Der Strömungssensor ist als Miniatur-Strömungs-Sensor über Anschlußpunkte mit nach außen führenden Leitern eines Standard-Halbleiter-Gehäuses wie z. B. Dual-in-Line, versehen.

Aus der DE 41 22 295 A1 ist ein Luftmassenstrommesser für die Luftansaugleitung einer Brennkraftmaschine bekannt, der ein in einem Abschnitt der Ansaugleitung befindliches Rohr­ gehäuse mit einem Venturirohr aufweist, wobei in dem Venturirohr ein erster Widerstand ange­ ordnet ist, dessen Temperatur und/oder Widerstand durch eine elektrische Schaltung geregelt wird, wobei die Stellgröße ein Maß für die Masse ist, sowie einen zweiten im Venturirohr ange­ ordneten temperaturabhängigen Widerstand zur Temperaturkompensation aufweist; der erste Widerstand ist dabei als Brücke in einer rahmenbildenden Ausnehmung eines in den Venturi­ rohr-Kanal ragenden Teil eines Chipträgers ausgebildet, während eine stromauf oder stromab der rahmenbildenden Ausnehmung angeordnete U-förmige Ausnehmung vorgesehen ist, über die der zweite Widerstand als Brücke ragt.

Als problematisch erweist sich in einer solchen Anordnung die Wärmeisolation des Widerstan­ des gegenüber der Halterung, bzw. der ihn umgebenden Peripherie sowie die Schwierigkeit ei­ ner exakten Messung der durchlaufenden Luftmasse bei pulsierender Strömung vorzunehmen.

Aus der DE 31 35 793 A1 ist ein Verfahren zur Messung der Masse eines in einem Strömungs­ querschnitt strömenden pulsierenden Mediums, insbesondere zur Messung der Ansaugluft­ masse von Brennkraftmaschinen bekannt, bei dem durch Differenzermittlung zwischen Wider­ standswerten eines temperaturabhängigen Widerstandes und eines bzw. zweier Indikationswi­ derstände, das die strömende Mediummasse darstellende Meßsignal in Abhängigkeit von Strö­ mungsrichtung beeinflußbar ist.

Weiterhin ist aus der DE 36 37 541 A1 ein Luftmassensensor mit einer Pulsationserkennung bekannt, wobei zwischen zwei Thermosensoren ein Heizer angebracht ist, so daß je nach Strö­ mungsrichtung der Luft der jeweils vom Heizer angeströmte Temperaturfühler eine höhere Temperatur ermittelt; somit kann die Strömungsrichtung ermittelt werden.

Weiterhin ist aus der DE 39 35 778 A1 ein Luftmassenmesser mit Pulsationserkennung be­ kannt, bei dem zwei Heißfilme gegeneinander so angeordnet sind, daß je nach Strömungsrich­ tung einer der Heißfilme voll angeströmt wird, während der andere im Strömungsablösebereich liegt. Zur Auswertung wird dann stets das vom Betrag höhere Meßsignal eingesetzt.

Aus der DE 38 29 195 A1 ist ein schneller Temperaturfühler zur Erfassung der Temperatur ei­ nes Mediums bekannt; dabei ist ein als Filmwiderstand ausgebildetes Widerstandselement auf eine Glaskeramik aufgebracht, wodurch eine Membran entsteht, welche die Widerstandsschicht sehr gut entkoppelt.

Weiterhin ist aus der EP 0 447 596 B1 ein Temperaturfühler mit einem auf einem Substrat als Schicht aufgebrachten temperaturabhängigen Meßwiderstand bekannt, der durch eine Deck­ schicht gegen Umgebungseinflüsse geschützt ist, wobei die Deckschicht mit einer Schutz­ schicht aus einem reaktionsträgen Metall, vorzugsweise Platin, abgedeckt ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Sensoranordnung für Heißfilmanemometer zu schaffen, die einerseits eine kostengünstige Fertigung ermöglicht, andererseits jedoch auch eine rasche An­ sprechzeit durch Einsatz von Trägermaterial geringer Wärmeleitfähigkeit ermöglicht; dabei soll ein möglichst geringer Wärmeabfluß vom Widerstandselement zum Sensorträger erzielt wer­ den; darüberhinaus soll die Sensoranordnung gegen Korrosion und Verschmutzung weitgehend unempfindlich sein so daß eine hohe Standzeit in der Praxis erreicht wird.

Die Aufgabe wird beim Aufbau eines Heißfilmanemometers durch ein Vorgehen gemäß dem Anspruch 1 gelöst.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird ein am jeweiligen Ende und ein an einer Mittelanzapfung einer m-förmig oder mäanderförmig ausgebildeten Widerstandsbahn an­ geordneter Anschlußkontakt des Widerstandselements in dem jeweils zugeordneten Anschluß­ bereich der Kontaktklammern eingebracht. Die Trägerplatte ist als Kunststoffspritzgußteil aus­ gebildet, wobei die zum Abschluß des oder der Widerstandselemente vorgesehenen Kontakt­ felder auf den Enden von Anschlußleitungen vorbereitet sind, die als Stanzteile in die Träger­ platte eingespritzt sind. Durch eine punktförmige Auflage der Unterseite des Endes des Wider­ standselements auf drei im Dreieck angeordneten Erhebungen der schubfachartigen Ausneh­ mung wird ein Wärmeabfluß aus dem Widerstandselement zum Anschlußbereich des Sensor­ trägers weitgehend unterdrückt; die Kontaktfedern üben durch ihre Verspannung einen Druck auf die Oberseite im Bereich der Anschlußkontakte des Widerstandselements aus, so daß das En­ de des Widerstandselements in einer stabilen Drei-Punkt-Auflage auf die Erhebungen der Aus­ nehmung gepreßt wird. Nach der elektrischen und mechanischen Verbindung der nebeneinan­ derliegenden Anschlußkontakte der Widerstandselemente mit den Kontaktfedern der Kontakt­ klammern der Trägerplatte durch Löten wird der gesamte Kontaktbereich mit Epoxy-Kleber, UV-härtendem Kleber oder Silikon-Kleber vergossen; dies dient sowohl zur Befestigung als auch zum Korrosionsschutz.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird als Substrat Glas mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,96 W/(m × K) eingesetzt; die Wärmekapazität beträgt 977 J/(kg × K).

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird als Substrat Glaskeramikmaterial mit einer Wärmeleitfähigkeit von 25,1 W/(m × K) eingesetzt, wobei diese sehr dünn ausgebildet sein kön­ nen und aufgrund ihrer guten Wärmeleitfähigkeit bei einem Lastsprung der Luftmasse rasch umgewärmt werden kann.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 6 angegeben.

Die Aufgabe wird ferner vorrichtungsgemäß durch eine Sensoranordnung mit den Merkmalen nach Anspruch 7 gelöst.

Als besonders vorteilhaft erweist sich die hohe Stabilität des einseitig in die schubfachartige Ausnehmung eingebrachten Widerstandselements; durch Anwendung der Vorspannung der Kontaktfedern wird die Auflage zusätzlich stabilisiert.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Sensoranordnung ist in Anspruch 8 angegeben.

Im folgenden ist der Gegenstand der Erfindung anhand der Fig. 1a, 1b, 1c, 1d, 2a, 2b, 3a, 3b, 3c und 3d näher erläutert.

Fig. 1a zeigt eine Sensoranordnung mit einem Widerstandselement mit Mittelanzapfung auf der Basis von Glas, welches eine geringe Wärmeleitfähigkeit jedoch eine verhältnismäßig hohe Wärmekapazität aufweist;

Fig. 1b zeigt einen Längsschnitt entlang der Linie AA;

Fig. 1c zeigt einen vergrößerten Ausschnitt X aus Fig. 1a,

Fig. 1d zeigt einen Ausschnitt Y aus Fig. 1b.

Fig. 2 ist auf den Toleranzbereich des Winkels der zwischen der Ebene des Sensorträgers und dem Substrat des Heizelements gerichtet, wobei

Fig. 2a eine Draufsicht der Dreipunktauflage darstellt, während Fig. 2b einen Längsschnitt entlang der Linie AA zeigt.

Fig. 3a ist auf einen Sensorträger mit zwei Widerstandselementen auf der Basis von Glaske­ ramik gerichtet, wobei das Glaskeramikmaterial eine verhältnismäßig hohe Wärmeleitfähigkeit, jedoch eine geringe Wärmekapazität aufweist;

Fig. 3b zeigt einen Längsschnitt entlang der Linie AA der Fig. 3a,

Fig. 3c zeigt einen vergrößerten Ausschnitt X aus Fig. 3a und

Fig. 3d zeigt einen vergrößerten Ausschnitt Y aus Fig. 3b.

Gemäß Fig. 1a ist zur Halterung des Widerstandselements ein Sensorträger in Form einer rahmenartigen Trägerplatte 1 aus wärmebeständigem Kunststoff vorgesehen, wie aus der ein­ gangs genannten DE 41 22 295 A1 bekannt ist. Die Trägerplatte weist Ausnehmungen 5 zur Aufnahme eines Temperatursensors 2 sowie eines Heizwiderstandes 3 als Widerstandsele­ ment auf. Der Temperatursensor 2 besteht aus einem standardmäßig verfügbaren Platindünn­ schichtelement. Der Heizwiderstand 3 enthält gemäß Fig. 1a und Fig. 1c eine mäanderför­ mig ausgebildete Widerstandsschicht 7 in Form einer Widerstandsbahn auf einem Substrat aus Glas, das eine Wärmeleitfähigkeit von 0,96 W(m × K) und eine Wärmekapazität von 977 J/(kg × K) aufweist; die Dicke der Widerstandsschicht 7 beträgt 0,7 bis 2,0 µm, die Dicke des Substrats 6 liegt im Bereich von 0,1 mm bis 0,25 mm; die Breite des Substrats 6 liegt im Bereich von 1,9 mm bis 4,0 mm, seine Länge liegt im Bereich von 4,0 bis 16 mm. Der Kontaktbereich ist mit ei­ ner elektrisch isolierenden Abdeckung 8 aus Epoxy-Kleber versehen.

Die eigentliche Halterung des Heizwiderstandes 3 in Trägerplatte 1 erfolgt durch schubfacharti­ ge ausgebildete Hohlprofile als Arretier- oder Befestigungsbereiche, wobei das Widerstandsele­ ment mit seinen drei im Randbereich im Abstand zueinander angeordneten Anschlußkontakten 10,11 und 12 durch Löten mit den entsprechend andrückenden Kontaktfedern, 13,14 und 15 der Kontaktklammern der Anschlußleitungen 16, 17, 18 und auf drei Punkten 19 auf Erhebun­ gen der Trägerplatte 1 aufliegend verbunden ist.

Wie anhand der Fig. 2a erkennbar ist, handelt es sich dabei um eine sogenannte Drei-Punkt- Auflage, mit drei auf Erhebungen der schubfachartigen Ausnehmung aufliegenden Punkten 19. Die Neigungswinkeltoleranz α gemäß der Seitenansicht nach Fig. 2b liegt im Bereich von 0° bis 20. Im Schnitt gemäß Fig. 1b ist dieser Winkel für den Idealfall mit 0° dargestellt. Anhand Fig. 1c ist die Verbindung von den Anschlußkontakten 10, 11 des Heizwiderstandes 3 mit den Kontaktfedern 13, 14 der Trägerplatte 1 erkennbar, wobei die Anschlußleitungen 16, 17 durch Kupferstanzteile gebildet sind. Nach Erstellen der Lötverbindung gemäß Fig. 1a bzw. Fig. 1c wird der gesamte Kontaktbereich mit Epoxy-Kleber vergossen, um ausreichende Stabilität der Befestigung sowie einen ausreichenden Schutz vor Korrosion zu gewährleisten. Anhand Fig. 1d ist der Anschlußbereich des Heizwiderstandes 3 mit seinem Anschlußkontakt 11 erkennbar, der mittels Lötverbindung mit Kontaktfeld 14 der als Kupferstanzteil ausgebildeten Anschlußlei­ tung 17 verbunden ist, wobei die gesamte Lötstelle durch Epoxy-Kleber zur Erhöhung der me­ chanischen Stabilität und der Korrosionsbeständigkeit abgedeckt ist.

Fig. 3a zeigt eine ähnliche Anordnung, wie sie anhand der Fig. 1a, 1b, 1c und 1d be­ schrieben ist. Eine richtungsabhängige Messung wird hier allerdings nicht durch ein Wider­ standselement mit zwei durch eine Mittelanzapfung verbundenen Teilelementen erreicht, son­ dern durch zwei separate Heizwiderstände 20, 21. Das als Heizwiderstand 20 dienende Wider­ standselement weist jeweils an einem Ende zwei nebeneinanderliegende Anschlußkontakte 22, 23 auf, die mit zur Lötung vorbereiteten Kontaktfedern 24, 25 im Endbereich von Anschlußlei­ tungen 26, 27 vorgesehen sind, wobei die Anschlußleitungen 26, 27 in ihrem Endbereich als Kupferstanzteile ausgebildet sind.

Heizwiderstand 21 ist in ähnlicher Weise mittels seiner Anschlußkontakte 28, 29 mit den als Kontaktfedern 30, 31 ausgebildeten Enden der Anschlußleitungen 32, 33 verbunden, wobei die Anschlußleitungen 32, 33 ebenfalls als Kupferstanzteile (Bond-Pad) ausgebildet sind. Die Wi­ derstandsschichten 34, 35 bestehen jeweils aus einer U-förmigen oder mäanderförmigen Pla­ tinfunktionsschicht, die eine Dicke von 0,7 µm bis 2,0 µm aufweist, während die Substrate 36, 37 der Heizwiderstände 20, 21 jeweils aus einer Glaskeramik mit einer Wärmeleitung von 25,1 W/(m × K) und einer Wärmekapazität von 190 J/(kg × K) bestehen; die Dicke der Substrate 36, 37 liegt im Bereich von 0,1 mm bis 0,25 mm, ihre Breite beträgt ca. 1,9 bis 4,0 mm, während ih­ re Länge im Bereich von 4,0 mm bis 16 mm liegt.

Fig. 3c zeigt einen mit X bezeichnenden Ausschnitt aus Fig. 3a, in der das mit Auflage-Punk­ ten 19 versehene Ende des Heizwiderstandes 20 mit seinem Anschluß an Kontaktfedern 24, 25 erkennbar ist, Fig. 3d zeigt einen vergrößerten Längsschnitt gemäß Fig. 3b, in welcher der Auflagepunkt des Heizwiderstandes 21 sowie die Verbindungsstelle erkennbar ist. Der prinzipi­ elle Aufbau entspricht dabei der Fig. 1b, wie sie bereits vorstehend erläutert ist.

Claims (8)

1. Verfahren zur Befestigung und Kontaktierung von Widerstandselementen, die eine auf ei­ nem flächenhaften, langgestreckten Substrat befindliche Widerstandsschicht in Form ei­ ner Widerstandsbahn als Heißfilm aufweisen, auf einem flächenhaft ausgebildeten Be­ reich eines Sensorträgers (1) eines Heißfilmanemometers, bei dem das Widerstandsele­ ment mit wenigstens zwei in seinem Randbereich im Abstand zueinander angeordneten Anschlußkontakten in jeweils einen mit Kontaktfedern versehenen Anschlußbereich einer Kontaktklammer des Sensorträgers eingeführt, kontaktiert und gehalten wird, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Widerstandselement mit seinen Anschlußkontakten einseitig in ei­ ne schubfachartige Ausnehmung des Sensorträgers eingeführt wird, daß die Unterseite des Widerstandselements dabei mit drei im Dreieck angeordneten Auflage-Punkten (19) auf Erhebungen in der schubfachartigen Ausnehmung zu liegen kommt und daß das Wi­ derstandselement (2, 3, 20, 21) durch auf seine Oberseite ausgeübte Vorspannung der Kontaktfedern (13, 14, 15, 24, 25, 30, 31) auf die Erhebungen gedrückt wird, wobei die Anschlußkontakte des Widerstandselements mit Anschlußbereichen der Kontaktklam­ mern kontaktieren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein am jeweiligen Ende und ein an einer Mittelanzapfung einer m-förmig oder mäanderförmig ausgebildeten Wider­ standsbahn angeordneter Anschlußkontakt des Widerstandselements in dem jeweils zu­ geordneten Anschlußbereich der Kontaktklammern eingebracht werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktfedern (13, 14,15, 24, 25, 30, 31) der jeweiligen Kontaktklammern des Sensorträgers vor Einbringen des Widerstandselements (2, 3, 20, 21) angehoben und nach Einbringen des Widerstand­ selements auf dessen Anschlußkontakte langsam abgesenkt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die An­ schlußkontakte des Widerstandselements mit dem Anschlußbereich der jeweiligen Kon­ taktklammer (13, 14, 15, 24, 25, 30, 31) durch einen Schmelzvorgang, vorzugsweise durch Verlöten, unlösbar verbunden werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die An­ schlußkontakte des Widerstandselements mit dem Anschlußbereich der jeweiligen Kon­ taktklammer durch elektrisch leitendes Verkleben verbunden werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Stabili­ sierung und zum Korrosionsschutz Epoxy-Kleber, UV-härtender Kleber oder Silikonkleber in den Anschlußbereich des Widerstandselements eingebracht wird.

7. Sensoranordnung für ein Heißfilmanemometer mit wenigstens einem Widerstandsele­ ment, das eine auf einem flächenhaften, langgestreckten Substrat befindliche Wider­ standsschicht in Form einer Widerstandsbahn als Heißfilm aufweist und mit wenigstens zwei in seinem Randbereich im Abstand zueinander angeordneten Anschlußkontakten in jeweils einen mit Kontaktfedern versehenen Anschlußbereich einer Kontaktklammer an ei­ nen flächenhaft ausgebildeten Bereich eines Sensorträgers eingeführt, kontaktiert und ge­ halten ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement mit seinen Anschluß­ kontakten einseitig in eine schubfachartige Ausnehmung des Sensorträgers eingeführt ist, daß die Unterseite des Widerstandselements dabei mit drei im Dreieck angeordneten Auf­ lage-Punkten (19) auf Erhebungen in der schubfachartigen Ausnehmung ruht und daß das Widerstandselement (2, 3, 20, 21) durch auf seine Oberseite ausgeübte Vorspan­ nung der Kontaktfedern (13, 14, 15, 24, 25, 30, 31) auf die Erhebungen gedrückt wird, wobei die Anschlußkontakte des Widerstandselements mit Anschlußbereichen der Kon­ taktklammern kontaktieren.

8. Sensoranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußkontakte (10, 11, 12, 22, 23, 28, 29) des Widerstandselements mit den als Anschlußbereiche aus­ gebildeten Kontaktfedern (13, 14, 15, 24, 25, 30, 31) durch Löten verbunden sind.