Устройство для измерения расхода текучей среды - RU2196965C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к устройству для измерения расхода текучей среды согласно ограничительной части главного пункта формулы изобретения. Из DE 19524634 А1 уже известно измерительное устройство, имеющее пластинчатый чувствительный элемент с диэлектрической мембраной, который вставлен в гнездо в основании, несущем чувствительный элемент. Чувствительный элемент изготовлен из полупроводникового материала, например кремния, в микромеханическом исполнении. Мембрана выполнена из диэлектрического материала, например нитрида либо оксида кремния. На диэлектрической мембране расположены измерительный резистор и нагревательный резистор, которые благодаря выполнению диэлектрической мембраны тонкой, а также небольшой ее теплопроводности практически полностью термоизолированы от кремниевой рамки, окружающей мембрану. В пластинчатом чувствительном элементе между диэлектрической мембраной и его основанием имеется полость, которая проходит от нижней поверхности чувствительного элемента, прилегающей к основанию, до диэлектрической мембраны и изготовлена, например, травлением. Чувствительный элемент крепится в гнезде основания приклеиванием. Поскольку относительно тонкую мембрану необходимо защитить от пиков избыточного давления, нельзя отказаться от вентиляции предусмотренной под мембраной полости. Однако такую полость под чувствительным элементом измерительного датчика, соответственно тыльную сторону мембраны, следует вентилировать таким образом, чтобы по возможности исключить прохождение потока текучей среды вдоль тыльной стороны мембраны и тем самым появление нежелательных составляющих в измерительном сигнале. Во избежание попадания клея в полость, примыкающую к мембране, чувствительный элемент вклеен в гнездо в основании не по всей длине, а лишь одной половиной, при этом вторая его половина, где размещена диэлектрическая мембрана, расположена в гнезде консольно. С целью предотвратить протекание текучей среды под мембраной, т. е. исключить или по меньшей мере воспрепятствовать затеканию текучей среды в полость под мембраной, предусмотрен канал, выполненный в несущем основании в виде имеющего форму желобка углубления и окружающий по периметру чувствительный элемент. Одновременно размеры гнезда, выполненного в несущем чувствительный элемент основании, необходимо согласовывать с размерами самого чувствительного элемента таким образом, чтобы между боковой стенкой чувствительного элемента и боковой стенкой гнезда в основании оставался только небольшой зазор, допускающий лишь задросселированное протекание текучей среды в полость под мембраной.

Недостаток описанного решения состоит в том, что чувствительный элемент при сборке необходимо с высокой точностью позиционировать относительно гнезда в основании, чтобы получить зазоры очень малых размеров. Однако из-за наличия определенных допусков и из-за обусловленного технологическими условиями разброса размеров деталей требование такого точного позиционирования не всегда удается соблюсти, что при поточном производстве приводит к значительному снижению выхода продукции.

Далее, из DE 4219454 А1 известно измерительное устройство, у которого чувствительный элемент с диэлектрической мембраной вставлен в гнездо, выполненное на теплоотводе. Между охлаждающими ребрами этого теплоотвода имеется отверстие для вентиляции тыльной стороны мембраны.

Преимущество предлагаемого в изобретении измерительного устройства с отличительными признаками главного пункта формулы в сравнении с известными решениями состоит в том, что при его изготовлении предъявляются менее жесткие требования к допуску на позиционирование чувствительного элемента относительно гнезда в несущем чувствительный элемент основании. Благодаря этому повышается выход продукции и снижаются производственные издержки. Кроме того, предлагаемое в изобретении решение позволяет ускорить технологический процесс. Далее, согласно изобретению обеспечивается эффективная вентиляция тыльной стороны мембраны, не взаимодействующей с потоком текучей среды, благодаря достаточно большому проходному сечению предусмотренной с этой целью щели, что исключает разрушение чувствительного элемента в результате действия пиков давления. Клеевой шов одновременно служит для компенсации допусков, обусловленных отклонением размеров чувствительного элемента и его основания от номинальных, а также для компенсации различий в коэффициентах теплового расширения.

Предпочтительные варианты выполнения измерительного устройства, заявленного в главном пункте формулы изобретения, представлены в зависимых пунктах.

Так, в частности, предпочтительно, чтобы клеевой шов проходил под зоной размещения контактных элементов, предназначенных для подсоединения соединительных проводов, или чтобы в указанной зоне размещения контактных элементов был предусмотрен второй клеевой шов для надежной фиксации чувствительного элемента в этом месте и предотвращения опасности излома последнего при присоединении соединительного провода, например, методом термокомпрессионной микросварки.

Далее, в особенно предпочтительном варианте в несущем чувствительный элемент основании предусмотрено углубление, которое сообщается с полостью чувствительного элемента и не полностью перекрыто чувствительным элементом. Это углубление можно выполнить, например, методом глубокой рельефной формовки. Наличие такого углубления в основании обеспечивает эффективную вентиляцию тыльной стороны мембраны.

На опорной поверхности, расположенной напротив нижней поверхности чувствительного элемента, могут быть предусмотрены, например, выполненные методом глубокой рельефной формовки распорки, которые позволяют выдержать точно заданный размер зазора между нижней поверхностью чувствительного элемента и основанием. В другом варианте в основании предпочтительно предусмотреть по меньшей мере одну клеесборную полость, в которую при установке чувствительного элемента в гнездо основания может выдавливаться излишек клея, образующего клеевой шов. Благодаря такому решению предотвращается скапливание клея в нежелательных местах и прежде всего в имеющейся под мембраной полости чувствительного элемента. Далее, использование эластичного силиконового клея минимизирует механическое коробление чувствительного элемента даже в тех случаях, когда материал чувствительного элемента и материал основания имеют различные коэффициенты теплового расширения.

Изобретение более подробно поясняется на примере нескольких вариантов его выполнения со ссылкой на прилагаемые упрощенные чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - первый пример выполнения измерительного устройства в сечении плоскостью I-I по фиг.2;
на фиг.2 - измерительное устройство по фиг.1 в виде сверху;
на фиг. 3 - второй пример выполнения измерительного устройства в виде сверху;
на фиг.4 - сечение плоскостью IV-IV по фиг.3.

На фиг. 1 в сечении показано несущее основание 1, на котором расположен пластинчатый чувствительный элемент 2. Основание 1 и чувствительный элемент 2 являются частью не показанного устройства для измерения расхода текучей среды, в частности массового расхода воздуха, впускаемого в двигатель внутреннего сгорания.

Основание 1 служит для размещения и крепления чувствительного элемента 2, имеющего мембранную измерительную часть, выполненную, например, в форме диэлектрической мембраны 4. Чувствительный элемент 2, соответственно, мембрана 4 могут быть изготовлены травлением заготовки из полупроводникового материала, например кремниевой пластины (по технологии кремниевых эпитаксиальных структур), в так называемом микромеханическом исполнении, при этом под мембраной 4 образуется полость 5. На мембране 4 для измерения расхода текучей среды предусмотрен по меньшей мере один измерительный элемент в виде термозависимого измерительного резистора 6 и, например, по меньшей мере один не показанный нагревательный резистор, которые изготовлены, например, также травлением. Вне мембраны 4 на чувствительном элементе 2 может быть предусмотрен эталонный резистор. Измерительный резистор 6, нагревательный резистор и эталонный резистор электрически соединены с не показанной электронной схемой регулирования, например токопроводящими дорожками и соединительными проводами 10, подсоединенными к выполненным в виде штырьковых выводов контактным элементам 28. Эта электронная схема регулирования служит, как известно, для подачи тока, соответственно, напряжения к резисторам на чувствительном элементе 2 и для обработки снимаемых с резисторов электрических сигналов. Схема регулирования может быть размещена, например, в корпусе измерительного устройства либо вне его.

Диэлектрическая мембрана 4 выполнена, например, из нитрида кремния и/или оксида кремния. Нагревательный резистор может быть выполнен в виде электрорезистивной пленки, которая нагревается при прохождении тока, нагревая одновременно мембрану 4 до температуры, превышающей температуру измеряемой среды. Нагревательный резистор может быть выполнен, например, из металла или же из соответствующим образом легированного кремния. Измерительный резистор и эталонный резистор могут быть выполнены, например, из электрорезистивной пленки с изменяющейся в зависимости от температуры проводимостью. Пригодными материалами для таких резистивных пленок являются металлы или соответствующим образом легированный кремний.

Чувствительный элемент 2 имеет пластинчатую, например прямоугольную, форму, а его обращенная к потоку текучей среды поверхность 8 расположена по существу параллельно потоку этой среды, которая натекает на чувствительный элемент из-под плоскости чертежа по фиг.1 перпендикулярно к этой плоскости, при этом короткая сторона, например, прямоугольного чувствительного элемента 2 ориентирована по направлению потока 9. Направление потока 9 текучей среды показано соответствующими стрелками на фиг.2, проходящими сверху вниз. С помощью нанесенного на мембрану 4 нагревательного резистора мембрана 4 нагревается до температуры, превышающей температуру обтекающей ее текучей среды. Количество выделяемого нагревательным резистором тепла, отводимого потоком текучей среды в основном конвективным теплообменом, зависит от количества протекающей среды, что позволяет путем измерения температуры мембраны 4 измерять массовый расход этой текучей среды. Измерять температуру мембраны можно с помощью измерительного резистора 6 или путем измерения сопротивления нагревательного резистора. Назначение эталонного резистора состоит в том, чтобы компенсировать влияние температуры текучей среды.

Основание 1 выполнено предпочтительно из металла и может быть изготовлено путем фальцевания тонкой металлической полоски, для чего пригодны методы листовой штамповки, гибки, фальцовки, глубокой вытяжки и рельефной формовки. В окончательно сфальцованном (согнутом пополам) состоянии из металлической полоски образуются два элемента 14 и 15 примерно одинакового размера, прилегающие один к другому. В последующем незагнутый элемент 14, окружающий чувствительный элемент 2, обозначен как рамочный элемент 14, а расположенный под ним загнутый элемент 15 обозначен как опорный элемент 15. Опорный элемент 15 в окончательно загнутом приблизительно на 180^o состоянии перекрывает отверстие 16 незагнутого рамочного элемента 14, образуя вместе с последним гнездо 17 под размещение чувствительного элемента 2. В поперечном сечении рамочный элемент 14, соответственно, гнездо 17 имеют форму, приблизительно соответствующую, например, прямоугольной форме чувствительного элемента 2. При этом у вставленного в гнездо 17 чувствительного элемента 2 его поверхность 8 лежит примерно в одной плоскости с поверхностью 18 рамочного элемента 14.

Перед фальцеванием металлическую полоску на участке опорного элемента 15 с помощью инструмента, воздействующего на наружную поверхность 22 опорного элемента 15, например, с помощью штампа для рельефной формовки, можно подвергнуть пластическому деформированию таким образом, чтобы в рассматриваемом примере выполнения получить показанные на чертеже в поперечном сечении два выступа 20, 21. Каждый из этих выступов 20, 21 в показанном на фиг.1 сечении ограничен клеесборными полостями 23, 24 и 25, которые более подробно описаны ниже. Со стороны набегания потока основание 1 на обращенной навстречу потоку 9 торцовой стороне имеет лыску 49, улучшающую характеристики обтекания и препятствующую оседанию частиц грязи.

Согласно изобретению пластинчатый чувствительный элемент 2 вклеивают в гнездо 17 основания 1, нанося клей вдоль образующихся в последующем клеевых швов 26, 27 в форме клеевых валиков. Как более наглядно показано на фиг.2, где в виде сверху изображена часть предлагаемого измерительного устройства, в рассматриваемом примере выполнения предусмотрены два таких клеевых шва 26 и 27. Первый клеевой шов 26 в показанном на фиг.1 и 2 примере выполнен крестообразным и служит для приклеивания чувствительного элемента 2 к уплощенной вершине выступа 20. В зоне этого выступа 20 с уплощенной вершиной на поверхности 8, обращенной от опорного элемента 15 основания 1, предусмотрены выполненные в виде штырьковых выводов контактные элементы 28, которые служат для электрического соединения токопроводящих дорожек чувствительного элемента 2 с соединительными проводами 10. Первый клеевой шов 26 служит при этом для фиксации чувствительного элемента 2 в зоне контактных элементов 28, повышая надежность термокомпрессионного микросварного соединения.

Второй же клеевой шов 27 в примере выполнения, показанном на фиг.1 и 2, выполнен П-образным, как показано на фиг.2. Второй клеевой шов 27 служит для приклеивания чувствительного элемента 2 в зоне уплощенной вершины выступа 21. Каждый из двух клеевых швов 26 и 27 расположен между нижней (в плоскости чертежа) поверхностью 29 чувствительного элемента 2 и верхней поверхностью 31, соответственно 30 выступов 20 и 21 опорного элемента 15.

Согласно изобретению второй клеевой шов 27 проходит между нижней поверхностью 29 чувствительного элемента 2 и основанием 1, окружая по периметру полость 5, и лишь на участке со стороны, дальней от стороны набегания потока 9, разомкнут, образуя щель 40. Как указано, в примере, показанном на фиг.1 и 2, клеевой шов выполнен П-образным и состоит из участка 41 на стороне, обращенной к набегающему потоку 9, и двух участков 42 и 45, ориентированных по направлению потока 9. Участки 42 и 45, проходящие в направлении потока 9, образуют два колена П-образного второго клеевого шва 27. В примере выполнения, показанном на фиг.1 и 2, щель 40 образована на участке, расположенном между обоими участками 42 и 45, ориентированными в направлении потока 9, т. е. клеевой шов 27 разомкнут по всей длине этого участка, дальнего от стороны набегания потока 9. Щель 40 служит для вентиляции полости 5 чувствительного элемента 2. Необходимость такой вентиляции обусловлена тем, что в противном случае колебания статического напора в потоке измеряемой текучей среды и прежде всего пики избыточного давления могут привести к разрушению диэлектрической мембраны 4. С другой же стороны, необходимо исключить протекание измеряемой среды вдоль тыльной стороны 44 мембраны 4, что иначе приводило бы к появлению нежелательных составляющих в измерительном сигнале и, следовательно, к получению неоднозначных и невоспроизводимых результатов измерения. Именно по этой причине клеевой шов 27 согласно изобретению предлагается выполнять таким образом, чтобы он проходил вокруг полости 5 чувствительного элемента 2 и лишь на стороне, противоположной стороне набегания потока 9, прерывался, оставляя свободной щель 40.

Щель 40 образует дроссель, дросселирующее действие которого определяется проходным сечением этой щели. Размеры этого проходного сечения, с одной стороны, следует выбирать достаточно большими, чтобы происходило достаточно быстрое, не допускающее разрушения мембраны 4 выравнивание давления между передней стороной мембраны 4, т.е. ее обращенной к текучей среде стороной, и тыльной стороной 44 мембраны 4, т.е. ее стороной, не взаимодействующей с потоком текучей среды и обращенной к полости 5. С другой стороны, размеры проходного сечения щели 40 должны быть достаточно малыми, чтобы полностью воспрепятствовать течению среды в полости 5 или по меньшей мере свести его к минимуму. Размеры проходного сечения щели 40 определяются, во-первых, показанной на фиг. 2 шириной b и, во-вторых, показанной на фиг.1 толщиной d клеевого шва 27. Толщину d клеевого шва, а тем самым и величину зазора между нижней поверхностью 29 чувствительного элемента 2 и основанием 1 можно задать, например, с помощью распорок 43a-43i. Такие распорки 43a-43i могут быть выполнены, например, методом рельефного формования с помощью, например, игольчатого чеканочного штампа, который воздействует на наружную поверхность 22 опорного элемента 15. В другом варианте распорки можно также выполнить с помощью соответствующего метода травления на чувствительном элементе 2 либо использовать в качестве таких распорок отдельные элементы, например, маленькие шарики с постоянным диаметром, диспергировав их в образующем швы 26 и 27 клее.

Для получения клеевых швов 26 и 27 клей можно наносить в виде клеевых валиков с точной дозировкой, что может быть достигнуто с помощью общепринятых методов. В качестве клея пригоден преимущественно такой клей, который после отверждения сохраняет свои упругие, соответственно эластичные свойства, в частности эластичный силиконовый клей. Благодаря этому минимизируются механические коробления между чувствительным элементом 2 и основанием 1. Такие механические коробления возникают, в частности, из-за различных коэффициентов теплового расширения основания 1, изготавливаемого преимущественно из листового металла, и чувствительного элемента 2, выполняемого преимущественно из полупроводникового материала. При применении предлагаемого измерительного устройства для измерения массового расхода воздуха, впускаемого в двигатель внутреннего сгорания, температура этого впускаемого воздуха может значительно колебаться в зависимости от температуры снаружи транспортного средства.

Упомянутые клеесборные полости 23, 24 и 25 соединены друг с другом со стороны набегания потока 9 другими клеесборными полостями 46 и 47. Далее, в показанном на фиг. 1 и 2 примере выполнения на стороне, дальней от стороны набегания потока 9, клеесборные полости 23 и 24 соединены между собой еще одной клеесборной полостью 48. При установке чувствительного элемента 2 на основание 1 избыток клея может вытесняться в эти полости 23, 24, 25, 46, 47, 48, как это схематично показано на фиг.1. Благодаря этому при сборке чувствительного элемента 2 с основанием 1 прежде всего предотвращается выдавливание клея в полость 5 или вообще его попадание на тыльную сторону 44 мембраны 4. Клеевой шов 27 следует размещать таким образом, чтобы надежно предотвращать проникновение клея в полость 5, что в противном случае могло бы отрицательно сказаться на работоспособности предлагаемого измерительного устройства.

На фиг. 3 и 4 показан второй пример выполнения предлагаемого в изобретении измерительного устройства, при этом на фиг.3 измерительное устройство показано в виде сверху, а на фиг.4 - в сечении плоскостью IV-IV по фиг.3. В этом примере выполнения элементы, по своей функции или исполнению соответствующие таковым из предыдущего примера выполнения, обозначены теми же позициями и не требуют более подробного повторного описания.

Отличие же от первого примера выполнения, показанного на фиг.1 и 2, состоит, во-первых, в том, что выполненный цельным клеевой шов 60 имеет G-образную форму, охватывая по периметру полость 5 чувствительного элемента 2. При этом клеевой шов 60 имеет один участок 61 со стороны набегания потока 9, два участка 62 и 63, ориентированные по направлению потока 9, и один участок 64 на стороне, дальней от стороны набегания потока 9. Участок 64, расположенный со стороны, дальней от стороны набегания потока 9, разомкнут и поэтому не полностью соединяет между собой участки 62 и 63, ориентированные по направлению потока 9, в результате чего на указанной стороне, дальней от стороны набегания потока 9, образуется щель 40. В примере по фиг.3 эта щель 40 проходит от первого участка 62, ориентированного по направлению 9 потока, до свободного конца 65 того участка 64 клеевого шва 60, который расположен на стороне, дальней от стороны набегания потока 9.

Однако щель 40 можно предусмотреть и в других местах участка 64, расположенного на стороне, дальней от стороны набегания потока 9. Кроме того, на участке 64 может быть предусмотрено и несколько подобных щелей 40. Второй участок 63, проходящий в направлении потока 9, выполнен уширенным, заходящим снизу за зону расположения выполненных в виде штырьковых выводов контактных элементов 28, образуя в этой зоне расположения контактных элементов 28 своего рода подкладку из клея под чувствительным элементом. Благодаря этому в процессе термокомпрессионной микросварки существенно повышается сопротивление чувствительного элемента 2 разрушению. Далее, такой уширенный клеевой шов 60 обеспечивает надежную фиксацию чувствительного элемента 2 в зоне контактных элементов 28, что даже при применении эластичного клея, например силиконового клея, позволяет получить высококачественное термокомпрессионное микросварное соединение.

В примере выполнения, показанном на фиг.3 и 4, клеевой шов 60 может доходить до края гнезда 17 в рамочном элементе 14. Во избежание попадания клея в полость 5 чувствительного элемента 2 и тем более его проникновения до мембраны 4 во время сборки чувствительного элемента 2 и основания 1 в опорном элементе 15 основания 1 выполнено, например, методом глубокого рельефного формования, углубление 66. Это углубление 66 служит клеесборной полостью, в которой скапливаются излишки клея. Одновременно углубление 66 служит также для вентиляции полости 5 чувствительного элемента 2. Как показано на фиг.3, углубление 66 с этой целью выполнено по существу Г-образной формы и проходит через образующий щель 40 участок разрыва клеевого шва 60, оканчиваясь удлиненным участком 67. Этот удлиненный участок 67 поэтому не перекрывается чувствительным элементом 2 и для выравнивания давления сообщается с пространством, в котором протекает измеряемая текучая среда, например, не показанными отверстиями в опорном элементе 15.

Реферат

Изобретение относится к устройствам для измерения расхода текучей среды, в частности для измерения массового расхода воздуха, впускаемого в двигатель внутреннего сгорания. Устройство имеет пластинчатый чувствительный элемент, вставленный в гнездо. Чувствительный элемент имеет мембрану с закрепленным на ней измерительным элементом, которая на дальней от основания стороне закрывает выполненную в чувствительном элементе полость. Чувствительный элемент закреплен в гнезде клеевым соединением. В клеевом соединении имеется клеевой шов, который проходит между нижней поверхностью чувствительного элемента и основанием. Клеевой шов по меньшей мере однократно разомкнут, образуя щель для вентиляции полости. Технический результат выражается в обеспечении эффективной вентиляции тыльной стороны мембраны. 9 з.п.ф-лы, 4 ил.

Формула