專利名稱：用于確定以主流動方向流動的流體介質的至少一個流動特性的傳感器裝置的制作方法
技術領域：
由現有技術已公知許多用于確定流體介質(也就是液體和/或氣體)的至少一個流動特性的方法和裝置。流動特性在此可以是原則上任意的可物理地和/或化學地測量的特性，這些特性對流體介質的流動進行定性或定量。在此尤其可以指流動速度和/或質量流量和/或體積流量。
背景技術：
在下面參考例如在Konrad Reif (Hrsg.):機動車中的傳感器，2010年第一版，146-148頁中描述的所謂熱膜式空氣質量流量計尤其是說明本發(fā)明。此種熱膜式空氣質量流量計原則上基于具有傳感器膜片作為測量表面或傳感器區(qū)域的傳感器芯片、尤其是 硅傳感器芯片構成，測量表面或傳感器區(qū)域可由流動的流體介質從上面流過。傳感器芯片原則上包括至少一個加熱元件以及至少兩個溫度探頭，溫度探頭例如設置在傳感器芯片的測量表面之上。由溫度探頭測定的溫度剖面的不對稱性可以推出流體介質的質量流量和/或體積流量，該溫度剖面受流體介質流動的影響。熱膜式空氣質量流量計一般構造為插入式傳感器，該傳感器可以固定地或可更換地安裝在流動管中。流動管例如可以是內燃機的進氣歧管。在此，介質的分流流經至少一個設置在熱膜式空氣質量流量計內的主通道。在主通道的進口和出口之間構造有旁通通道。尤其是如此構造旁通通道，使得該旁通通道具有一個彎曲區(qū)段用來改變流過主通道進口進入的介質分流的方向，其中彎曲區(qū)段進一步通向其中設置有傳感器芯片的區(qū)段。最后提到的區(qū)段也就是真正的測量通道，其內設置有傳感器芯片。在此，在旁通通道內設置一個裝置，該裝置引導流動以及阻止介質分流從測量通道的通道壁處分開。此外，主通道的進口區(qū)域在其開口的區(qū)域內設有傾斜的或彎曲的面，該開口與主流動方向相反指向，傾斜的或彎曲的面如此構造，使得流入進口區(qū)域的介質從通向傳感器芯片的主通道部分被引開。這引起，在介質內包含的液體或固體微粒由于其質量惰性無法到達傳感器芯片并且可能污染該芯片。此種熱膜式空氣質量流量計在實踐中必須滿足許多要求和邊界條件。除全部通過適當的流體技術設計方案減小熱膜式空氣質量流量計上的壓力降這一目的外，主要挑戰(zhàn)之一在于，相對于通過油滴和水滴或炭黑、粉塵和其他固體微粒的污染進一步改善此種裝置的信號質量和堅固性。例如信號質量指的是經過通向傳感器芯片的測量通道的介質的質量流量以及有些情況下指的是信號漂移的減小和信噪比的改善。信號漂移在此指的是例如介質的質量流量在特征曲線關系變化的意義上在實際出現的質量流量和在校準的范圍中在制造時求出的要輸出的信號之間的偏差。在信噪比的求出時觀察以快速的時間順序輸出的傳感器信號，而特征曲線或信號漂移指的是平均值的變化。在上述類型的常見熱膜式空氣質量流量計中，帶有在其上安裝或安入的傳感器芯片的傳感器載體通常伸入測量通道中。例如傳感器芯片可以粘貼在傳感器載體內或傳感器載體之上。傳感器載體可以例如與由金屬制成的底板一起構成一個單兀，在該金屬底板上也可粘貼以電子裝置、印制電路板形式的控制和分析電路。傳感器載體例如可以構造為電子模塊的注射成型的塑料部件。傳感器芯片與控制和分析電路可以例如通過鍵合連接的方式相互連接。由此產生的電子模塊例如可以粘貼在傳感器殼體內，整個插入式傳感器可以通過蓋封閉。為了使熱膜式空氣質量流量計可以傳遞盡可能不受干擾的空氣質量信號，向著插入式傳感器以及通過其中的測量通道和尤其是通過傳感器芯片的測量表面的盡可能均勻的流動是重要的。在此已經證明，傳感器載體的伸入測量通道中的迎流邊緣的輪廓對于傳感器裝置的信號質量起著至關重要的作用。因此例如在DE103455084A1中建議將傳感器載體的迎流邊緣圓化地構成，以便提高傳感器載體和傳感器芯片上的流動質量并且以便避免傳感器芯片表面上的脈動的、不穩(wěn)定的脫離。DE102008042155A1公開了用于確定流經通道的流體介質的至少一個參數、尤其是內燃機的吸入空氣質量的傳感器裝置。該傳感器裝置具有至少一個設置在通道內 的、用于確定流體介質參數的傳感器芯片。該傳感器芯片容納在伸入通道中的傳感器載體中。傳感器載體具有一個與流體介質流向橫向設置的迎流邊緣，該迎流邊緣在其一側具有至少一個渦流發(fā)生器，該渦流發(fā)生器如此布置，以在傳感器載體的區(qū)域內流動的流體介質中構造出縱向渦流。該縱向渦流引起在傳感器載體的區(qū)域中在快速的、遠離壁的流體和較慢速的、有分離危險的、接近壁的流體之間的更好的混合。這種混合促進避免流體分離。所需的縱向渦流可以通過傳感器載體的迎流邊緣上的渦流發(fā)生器產生。傳感器載體區(qū)域內的流體波動由此減小，信號噪音隨之減小并且信號的可重復性由此更好。盡管現有技術中已知的減小信號噪音的方法具有很多優(yōu)勢，但這些方法在其他功能方面仍然具有進一步改善的潛力?；谏衔乃龅霓D向性，只有較輕的微粒，例如粉塵、炭黑、水和/或油滴進入旁通通道和測量通道。較重的微粒由于其慣性穿過主通道或擠壓周圍壁離開熱膜式空氣質量流量計。傳感器芯片及其所在傳感器區(qū)域由上述較輕微粒，尤其是油滴和粉塵，造成的污染導致不希望的特征曲線漂移。因為傳感器區(qū)域內的熱傳遞由傳感器載體的傳感器芯片側上的邊界層流以及在一定程度上由在邊界層的流體力學定義的意義內遠離壁的層決定性地確定，所以從拓撲學角度來看應盡可能穩(wěn)定地流過該流動區(qū)域。而微粒造成的污染長期可能造成拓撲學變化，也就是帶有標出點(例如粉塵點、渦流線、分離線等)的、定義流動的結構變化，或流動參數的數量變化。

發(fā)明內容
因此建議提供一種用于確定以主流動方向流動的流體介質的至少一個流動特性的傳感器裝置，該傳感器裝置可以至少在很大程度上避免已知方法和策略的缺點，并且在該傳感器裝置中可以尤其在傳感器載體的傳感器芯片側上建立一個時間上的、尤其是在微粒污染方面的、長期穩(wěn)定的速度場。用于確定流過通道的流體介質的至少一個參數，尤其是內燃機的吸入空氣質量的傳感器裝置具有至少一個設置在通道內的、用于確定流體介質參數的傳感器芯片，其中該傳感器芯片容納在伸入通道中的傳感器載體內，該傳感器載體具有與流體介質的主流動方向橫向設置的迎流邊緣，其中至少在迎流邊緣區(qū)域內設有至少一個渦流發(fā)生器，渦流發(fā)生器被設置用于在傳感器載體的區(qū)域內，尤其是在傳感器芯片的區(qū)域內的，優(yōu)選在傳感器區(qū)域、尤其是微機械傳感器膜片的緊鄰附近中構成次級流，尤其是渦流形式的次級流，其中，次級流在一個基本上與流體介質的主流動方向垂直的平面中延伸。在將次級流構造為渦流時，渦流軸線與主流動方向平行。傳感器載體基本上可以定義在主流動方向上的一個平面并且所述至少一個渦流發(fā)生器可以構造為至少一個突出部的形式，例如肋條或斜面的形式，其從傳感器載體的平面中伸出。所述至少一個渦流發(fā)生器可以至少部分地沿著迎流邊緣和/或沿著傳感器載體的在流體介質的主流動方向上看的后邊緣構造。所述至少一個渦流器可以設置成與主流動方向橫向。所述至少一個渦流發(fā)生器可以至少部分地從迎流邊緣延伸至傳感器載體的在流體介質的主流動方向上看的后邊緣。至少一個渦流發(fā)生器 可以構造為基本的半圓形或矩形。也可以考慮其他橫截面形狀。傳感器芯片可以具有至少一個傳感器區(qū)域，至少兩個渦流發(fā)生器可以如此設置，使得至少傳感器區(qū)域，在一個與流體介質流動垂直的平面上投影，位于渦流發(fā)生器中間。至少兩個渦流發(fā)生器可以如此構造，使得由于多個渦流的相應的渦流軸線與流體介質主流動方向平行以及旋轉方向相互反向(也就是說具有相反的渦流軸線)，至少在傳感器區(qū)域內構造出次級流。多個渦流發(fā)生器可以設置為在主流動方向上延伸及相互平行。至少一個渦流發(fā)生器可以構造為傳感器載體中的凹部，優(yōu)選地位于傳感器載體前邊緣上，該凹部在主流動方向上延伸。傳感器載體中的至少一個凹部可以在主流動方向上延伸并在與主流動方向垂直的平面上投影時位于傳感器區(qū)域側旁。在本發(fā)明的范圍中，主流動方向指的是傳感器或傳感器裝置的位置上的流體介質的局部流動方向，其中例如可以不考慮局部不規(guī)則性例如紊流。尤其是主流動方向可以理解為流動的流體介質的局部求出的輸送方向。本發(fā)明的范圍中，與主流動方向橫向指的是與局部主流動方向垂直或基本上垂直，例如局部一個定向，該定向偏離垂線不超過10°。在本發(fā)明的范圍中“基本上”可理解為一個定向，該定向與分別給出的參照方向、參照平面或參照形狀的偏差不超過20°，優(yōu)選不超過10°以及特別優(yōu)選不超過5°和/或不超過20°，特別是不超過10°以及特別優(yōu)選不超過5°。例如“基本上平行的”定向是一個定向，該定向不超過平行線的公差。在本發(fā)明的范圍中根據流動教導，次級流指的是在基本上與主流動方向橫向的平面內作為主流動的補充的、速度(也就是次級速度)小的流。在本發(fā)明的范圍中根據流動教導，渦流指的是流體的完全的或部分的圓形流或接近于圓形的流體。在本發(fā)明的范圍中渦流軸線可理解為這樣一個軸線，環(huán)形流圍繞該軸線延伸。該渦流軸線例如可與渦流的渦流矢量平行地延伸。為產生上述類型的渦流，其在下面也可稱作橫向渦流(原因在于該渦流的所述渦流軸線基本上與流體的主流動方向平行延伸并且渦流的次級流體構造為環(huán)繞渦流軸線的圓形流或接近于圓形的流)的渦流，可以通過不同的方式構造渦流發(fā)生器。因此可例如如此布置渦流發(fā)生器，使得在至少一個與主流動方向垂直的平面內存在至少兩個相鄰的、具有不同靜壓力的區(qū)域。這例如可以如此實現，即渦流發(fā)生器被設置用于產生至少兩個相鄰的、具有不同流動截面的區(qū)域，例如通過使可流過的區(qū)域不同程度地變窄，這樣根據伯努利方程，這些區(qū)域以不同速度被流過并且在這些區(qū)域內形成不同的壓力。次級流體的形成可能也是不同壓力間補償的結果。例如可以如此構造渦流發(fā)生器，使得存在至少兩個在迎流邊緣和通道壁之間的距離不同的區(qū)段，也就是具有不同流動橫截面的區(qū)段。例如可以借助于數字表示的流體力學模擬可見地表示此種橫向渦流，以便說明其存在?？勺鳛樘鎿Q的是，渦流可以例如借助于煙霧和/或所謂的煙線可視化技術可見，例如使用能夠拍攝渦流發(fā)生器上和/或后面的流中的煙霧渦流的攝像機。在煙線技術可視化中，給設有例如含油物質的金屬線加熱。在給金屬線加熱時，在從金屬絲上脫落時立即在周圍環(huán)境中冷凝的物質蒸發(fā)，并且可以看到單個的冷凝微粒。然后可以分別看到由這些微粒組成的流線，因此可以很好地觀察到流體的走向。另一種用于使流體走向可視化的方式是所謂的微粒圖像測速(PIV)。借助于PIV實現的流體可視化建立在對光切剖面(Lichtschnitt)中的微粒云的兩次時間上錯開的數字攝像的相關性的基礎上。該相關性的結果是二維的矢量場。在此基礎之上可以對流體走向和流體速度做出說明。
在本發(fā)明范圍中，“部分地”可理解為這樣一種裝置，它不是完全沿著或在分別給出的參考構件或方向的長度或距離上延伸，而是僅為分段地或部分地被構造。尤其是該裝置自身可以具有中斷部或凹口，這樣它就可以分段地構成。在本發(fā)明范圍內，傳感器載體可以全部或部分地構造為印制電路板或印制電路板的一部分。該印制電路板例如可以具有突起部分，其構成傳感器載體并伸入熱膜式空氣質量流量計的通道、例如測量通道內。印制電路板的余下部分可以例如安裝在電子裝置室內、傳感器裝置的殼體內或傳感器裝置的插入式傳感器內。在此，在本發(fā)明范圍內，印制電路板一般指的是基本上為板形的元件，該元件還可作為電子結構，例如印制導線、連接觸點等的載體使用并優(yōu)選地還具有一個或多個類似結構。在此，原則上還可以考慮與板形至少存在輕微偏差的情況，應抽象地考慮在一起。印制電路板可以例如由塑料材料和/或陶瓷材料制成，例如環(huán)氧樹脂，尤其是一種纖維強化的環(huán)氧樹脂。尤其是印制電路板可以例如構造為帶有印制導線、尤其是印刷的印制導線的印制電路板(PCB)?？梢酝ㄟ^這一方式大大簡化傳感器裝置的電子模塊，例如可以不使用底板和單獨的傳感器載體。底板和傳感器可以由唯一的一個印制電路板取代，其上例如可以完全地或部分地設置傳感器裝置的控制和分析電路。傳感器裝置的該控制和分析電路用于控制至少一個傳感器芯片和/或分析由傳感器芯片產生的信號。以這一方式，通過合并上述元件可以明顯降低傳感器裝置的制造成本，同時電子模塊的結構空間需求也大大減小。傳感器裝置可以特別地具有至少一個殼體，其中通道構造在殼體內。例如通道可以包括主通道和旁通通道或測量通道，其中傳感器載體和傳感器芯片可以例如設置在旁通通道或測量通道內。另外，殼體可以具有與旁通通道分離的電子裝置室，其中電子模塊或印制電路板基本上容納在電子裝置室內。傳感器載體此后可以構造為印制電路板的伸入通道內的突出部分。與現有技術公知的、花費巨大的電子模塊相比，該裝置在技術上相對容易實施。尤其在印制電路板作為傳感器載體使用的情況下，傳感器載體可以至少部分地構造為多層的傳感器載體，但在其他情況下和/或使用其他介質作為傳感器載體的情況下也是如此。這樣傳感器載體可以在所述的多層技術中構造并且可以具有兩個或多個相互連接的載體層。該載體層可以例如再次由一種金屬、一種塑料或一種陶瓷材料或復合材料制造并通過連接技術，例如粘貼相互連接。
在使用多層技術、帶有傳感器載體的多個傳感器層的情況下，迎流邊緣可以通過載體層的在與流體介質主流動方向相反的方向上的不同尺寸至少部分地分級地實施。通過這一方式，型廓至少近似分級地實現。例如以這一方式在與傳感器載體的延伸平面垂直的剖平面內構造出矩形成形的或，——近乎通過階梯形狀——，至少近似圓形地、倒圓的或楔形成形的型廓。傳感器芯片可以如此設置在傳感器載體上面或內部，這樣它能垂直于局部的主流動方向定向。傳感器芯片可以例如設計為矩形，其中矩形的一側垂直或基本上垂直于局部的主流動方向設置，例如具有偏離垂線不超過10度的定向。傳感器芯片可以通過至少一個電連接方式電接觸。例如傳感器載體，尤其是構成傳感器載體的印制電路板或該印制電路板的突出部分，可以具有一個或多個印制導線和/或焊盤，其與傳感器芯片上的相應的觸點例如通過鍵合方法連接。在這種情況下，電連接可以通過至少一個蓋板保護并使其與流體介質分開。該蓋板尤其可以構造為所謂的圓頂封裝體，例如作為塑料滴和/或粘合劑滴狀，其遮蓋電連接部分，例如鍵合金屬線。通過這一方式，尤其是電連接對流體流動的影響也可以減弱，這是因為圓頂封裝體具有一個平的表面。此外，傳感器芯片具有至少一個傳感器區(qū)域。該傳感器區(qū)域可以例如是由例如多 孔的陶瓷材料構成的傳感器表面和/或傳感器膜片。通過本發(fā)明，與傳感器的新狀態(tài)或初始狀態(tài)相比，速度場的變化減少，尤其是避免出現或縮小了傳感器區(qū)域的微粒進入區(qū)域中的低速區(qū)。此種低速區(qū)在傳感器裝置使用壽命期間可作為越來越多的微粒的聚集點。由于微粒改變污染傾向和向空氣的熱傳遞，所以通過單個措施或各個措施的組合特別地達到下面效果。由于污染引起的邊界層的增大可以由此被避免或至少被減小，這是因為由此能夠有效減小傳感器區(qū)域附近的流動脈沖。在傳感器區(qū)域周圍形成的渦流焦點、粉塵或聚集點被避免或至少被減小。傳感器載體的與傳感器芯片相對或相背的面上的分離現象可以被避免或至少被減小。此外應該避免或至少減小通過其他原因形成的低速區(qū)。此外，這些措施也適用于不穩(wěn)定的反向流動狀態(tài)(也就是進氣歧管中的脈動)。針對正向流動和反向流動時速度場的帶寬，傳感器載體前邊緣上的和/或后邊緣上的相應實施方式應理想地相互匹配。作為副效應，通過穩(wěn)定性措施能夠縮小傳感器區(qū)域內相對于瞬時測量的平均值產生較小的速度波動，由此得到較小的信號噪音和更好的可重復性。在傳感器區(qū)域(尤其是微機械傳感器膜片)上或直接附近，通過本發(fā)明為減小微粒污染傾向可以產生次級速度或將其引入主流中和/或避免低速區(qū)。此外，速度場在拓撲學中更為明確的定義可以包括傳感器區(qū)域、尤其是傳感器膜片直接附近的邊界定向流(Grenzrichtstrijmung)，也就是避免隨著質量流量或流入狀態(tài)交替變化的確定流的結構的表現，例如滯點和鞍點、分離線、渦流焦點、壁剪應力曲線等。通過本發(fā)明的措施可以避免或減小微粒累積并實現傳感器區(qū)域溢流的均勻化。


本發(fā)明的實施例在附圖中顯示并在下面詳細說明。其示出圖I :傳感器裝置的透視圖；圖2 :在主流動方向上看在通道內帶有傳感器芯片的傳感器載體的視圖；圖3 :在通道內帶有傳感器芯片(后面)的傳感器載體的俯視圖4 :帶有通道結構、在傳感器載體上帶有傳感器芯片的未閉合的傳感器殼體的放大俯視圖以及通道通流的示意圖；圖5 :帶有傳感器載體和已安裝的傳感器芯片的傳感器裝置的電子模塊的放大視圖；圖6A :用于在矩形通道內產生次級流的斜面對的透視圖；圖6B :矩形通道內的斜面對的俯視圖以及靜壓力分布的示意圖；圖7A :矩形通道內斜面對下游的次級流場的透視圖；
圖7B :從主流動方向觀察的、矩形通道內在斜面對下游的次級流流場的視圖；圖7C :顯不速度和流線的斜面對的另一透視圖；圖7D :斜面之間的過渡區(qū)域內的次級流場的放大部分；圖8A :兩個不同的傳感器載體的傳感器芯片的俯視圖和不帶芯片加熱裝置的、在主流動方向上的溫度分布的圖示；圖SB :兩個不同的傳感器載體的傳感器芯片的俯視圖和帶有芯片加熱裝置的、在主流動方向上兩種溫度分布的圖示；圖9A :傳感器載體的第一實施例的俯視圖；圖9B :從主流動方向上觀察的、第一實施例的傳感器載體的視圖；圖10 :傳感器載體的第二實施例的俯視圖；圖11 :傳感器載體的第三實施例的俯視圖；圖12 :傳感器載體的第四實施例的俯視圖；圖13 :傳感器載體的第五實施例的俯視圖；圖14 :從主流動方向上觀察的、傳感器載體的第六實施例的視圖；圖15 :從主流動方向上觀察的、傳感器載體的第七實施例的視圖；圖16 :傳感器載體的第八實施例的透視圖；圖17 :從主流動方向上觀察的、傳感器載體的第九實施例的視圖；圖18A :不帶依據本發(fā)明的傳感器裝置的、具有不同空氣質量流量的流動模擬的兩種結果，其中在傳感器區(qū)域內標有速度場，在傳感器載體之上標有壁剪應力以及標出渦流強度的等直面和壁流線；圖18B :從主流動方向上觀察的、圖18A的速度場的放大視圖。
具體實施例方式圖I示出用于確定流體介質參數的傳感器裝置10。傳感器裝置10在此實施例中構造為熱膜式空氣質量流量計并包括插接部件12，該插接部件12例如可以插入流動管內，尤其是插入內燃機的進氣歧管內。在插接部件12內容納有通道結構14，該通道結構14在圖I或圖4中可見，示范數量的流體介質可以通過進入開口 16流經該通道結構14，該進入開口 16在安裝狀態(tài)中與流體介質的主流動方向18相反指向。圖4示出插接部件12的在通道結構區(qū)域中的放大部分。通道結構14具有主通道20 (該主通道20通入在圖I的插接部件12視圖的下側的主流體流出口 22中)以及從主通道20分出的旁通通道或測量通道24(該旁通通道或測量通道24通入同樣設置在圖I的插接部件12視圖的下側的旁通或測量通道出口 26中)，如圖4所示。
葉片形式的傳感器載體28伸入測量通道24中，如圖I和2所示。圖2在主流動方向上示出在測量通道24內的傳感器載體28。圖3示出傳感器載體28在測量通道24內的布置的俯視圖。傳感器芯片30如此嵌入這些傳感器載體28中，使得流體介質流過構造為傳感器芯片30的傳感器區(qū)域的傳感器膜片32。尤其從圖5中可見，帶有傳感器芯片30的傳感器載體28是電子模塊34的組成部分,其被放大不出。電子模塊34具有作為傳感器載體的折彎的底板36以及在其上安裝的、例如粘貼上的、帶有控制和分析處理電路40的印制電路板38。傳感器載體28可以例如作為塑料構件注射成型在底板36上。傳感器芯片與控制和分析處理電路40通過電連接裝置42 (此處構造為金屬線鍵合)電連接，尤其從圖5中可見。由此構成的電子模塊34安裝在插接部件12的殼體46中的電子裝置室44內，例如通過粘貼的方式，如圖I所示，該插接部件12內構造有通道結構14。這一點這樣地進行，即傳感器載體28在此伸向通道結構14。隨后電子裝置室44和通道結構44通過蓋48遮蓋。 傳感器載體28，其例如可以作為注塑構件注射成型在底板36上的或者與底板36或印制電路板38構造為整體，設有迎流邊緣50，該迎流邊緣50可以設計為經倒圓的，特別是從圖2中可見。該迎流邊緣50可例如在連續(xù)輪廓時類似載體面形狀地實現。下文將進一步詳細說明傳感器載體28的依據本發(fā)明的實施方式。首先應當說明通道、例如測量通道24中的通過渦輪發(fā)生器(例如斜面、臺階或塊)引起的橫截面變化的流體力學關系，以便說明傳感器載體不同實施例的在本發(fā)明背后的思路。尤其應通過示范性地解釋說明通道中的特定區(qū)段或區(qū)域的橫截面變化的利用原理，以如愿地形成次級流，例如縱向渦流。圖6A和圖6B示范性表示了矩形通道56內不同高度的斜面對52、54，其中圖6A是從左流入的裝置的透視圖，而圖6B示出帶有靜壓力分配示意圖的相應俯視圖。根據圖6A和6B的視圖，主流動方向18從左向右平行于矩形通道56的縱軸線。根據伯努利方程，在加速至更高速度的流體流動的區(qū)域內，靜壓力減小。與較低的斜面54的區(qū)域相比，在較高的斜面52的區(qū)域內流體流動加速更強烈。與此相應的是，在較高的斜面54的區(qū)域中的靜壓力下降也更強烈。在相對觀察時，在較低的斜面52區(qū)域內的靜壓力大于在較高的斜面52區(qū)域內的靜壓力。這在圖6B中使用符號“ + ”和表示。在與主流動方向18垂直的平面內的速度分量是斜面幾何結構和不同大小的靜壓力的結果，該速度分量也可表示為次級速度分量，并且在斜面52、54的下游形成渦流55A、55B，用以補償壓力，例如圖7A和圖7B所示。尤其是渦流55A、55B的渦流軸線基本上與主流動方向18平行延伸。尤其在此布置方案中出現兩個渦流55A、55B，其中較大的渦流55A具有順時針的旋轉方向，其基本上在通道56的整個橫截面上延伸，而較小的渦流55B在較大的斜面52的下游區(qū)域內具有逆時針的旋轉方向，其按面積的分布或傳播量基本上與較大的斜面52的橫截面面積相同。圖7A示出在與主流動方向18垂直的平面內的渦流55A、55B的這種速度場的透視圖，而圖7B示出在斜面對52、54下游的渦流55A、55B的投影速度場平面的俯視圖，作為數字流動模擬的結果。每個速度場的范圍在此由細線包圍，以便更好地區(qū)分或界限。速度場矢量長度在此表示投影在平面內的速度的相應數值，其中矢量的較大長度表示較高的速度。在此可以相應地確定出更多的效果。低流動速度區(qū)直接位于這些突出部(例如臺階、斜面等)之后。主流動方向18上的分量明顯小于核心流體流動區(qū)域中的分量，由此存在速度分量很小的所謂的死水區(qū)，該死水區(qū)在某些情況下甚至與主流體相反，也就是在負的主流動方向18上的反向流，例如圖7C所示。圖7C以立體側視圖的方式在相應斜面的高度上示出速度和流線，其中流線的不同點狀區(qū)域在此表示速度的相應數值。此外在圖7C的視圖中還有一個坐標系，其中主流動方向18在用X表不的軸上表不，用Y和Z表不的軸撐開一個與主流動方向18垂直的平面。根據上述定義與主流動方向18橫向的方向因此位于Y-Z平面內。而在所述與主流動垂直的平面中，也就是在圖7C中的Y-Z平面內的次級速度小。因此微粒很可能在這些低速度區(qū)域內沉積。因此微機械傳感器膜片32的布置極有可能導致污染和特征曲線漂移增加。此外在較大的斜面52的下游或后面出現上述渦流55A、55B，其渦流軸線基本上與主流動方向平行。在向較低的斜面54的過渡部上存在較大的渦流55A的一個指向較大斜面52或上游的次級流，該次級流在這一區(qū)域內部分地與較小的渦流55A的次級流疊加或與其混合，并具有相同的方向，或在與壁部間隔更大的距離上在上游、即在斜面52、54的突起的方向上并且從較低的斜面54指離的強次級流，如圖7D所示。圖7D示意地在上述與主流動方向18垂直的平面內投影地示出從 這樣的較高的突出部向較低的突出部的過渡區(qū)域的部分和在較大的渦流55A的次級速度范圍內的微機械傳感器膜片32的可能的布置情況。在傳感器膜片32的區(qū)域內，由于在小的速度時也存在次級流，微粒不應累積，而是應通過產生的渦流55A的作用從傳感器膜片32被驅走。在整個矩形通道56中，由于相對于通道尺寸相當大的斜面52、54，在與主流動方向18垂直的平面內出現至少一個明顯的次級流。由于熱膜式空氣質量流量計的旁通通道內的比例關系，較大的渦流55A的按照圖7D的視圖順時針流向的次級流不能在傳感器載體上到處分布地構成，而只能在微機械傳感器膜片32的范圍內局部分布地構成，這是因為相應干擾體的尺寸只在傳感器載體28的尺寸范圍之內，有些情況下甚至只在傳感器芯片30或微機械傳感器膜片32的尺寸范圍之內。因此產生的次級流不能與同樣能夠與主流動方向橫向的、在整個傳感器載體上形成的紊亂的、附加的速度波動混淆，但具有與上述次級流相比基本上顯著更小的速度值。因此本發(fā)明應以對輕小微粒的軌跡影響為目的，微粒不是通過離心力的轉向作用或通過在旁通通道壁上的附著被過濾出來或通過旁通通道壁的回彈作用于具有與主流動方向18的極端偏差。這些微粒應通過幾何感應的次級速度被保持遠離傳感器膜片32。基于已說明的原理和下文將繼續(xù)描述的傳感器載體28的實施例，降低污染傾向要求一定的流動速度。在非常低的速度下，油蒸汽造成的污染，例如在汽車停止運行的情況下通過曲軸箱換氣系統(tǒng)造成的污染，即使通過下文所述的措施也只能相對有限地被避免。對于這種情況，可以設計芯片加熱裝置。圖8A分別示出兩個不同的不帶芯片加熱裝置的傳感器載體28的各個傳感器芯片30的俯視圖，其中主流動方向18用箭頭表示，并且示出通過主流動方向18的溫度分布，主流動方向18表示為坐標軸X。傳感器芯片30的俯視圖清楚地表示出了油滴的累積情況，尤其在傳感器膜片32周圍的區(qū)域內，其中與上面圖示相t匕，下面圖示中的油滴更小或者分布得更細。圖8B示出兩個對兩個不同的帶有芯片加熱裝置的傳感器載體28的各一個傳感器芯片的俯視圖，其中主流動方向18用箭頭表示，兩個所屬的溫度分部情況受到主流動方向18上的不同加熱模式引起，主流動方向18表示為坐標軸X。在芯片加熱裝置接通時，油量減少明顯可見，如圖8B所示。在內燃機(例如汽車的燃氣發(fā)動機)正常運行過程中，首先粉塵和炭黑微粒附著在油滴上，并導致熱傳遞發(fā)生變化，由此引起特征曲線漂移。本發(fā)明的目的不是避免在停止狀態(tài)時在曲軸箱換氣系統(tǒng)中的油積聚，而是避免隨后可能發(fā)生的微粒積聚。另外應該注意到，在流動速度相當小的情況下，空氣動力已經能夠反作用于在停止狀態(tài)下的油污染機理。上述可能通過芯片加熱裝置減小油量的可能性僅僅是可供選擇的、附加的減小微粒積聚的可能性。下文應詳細描述傳感器載體28的單個實施例，在這些實施例中通過在結構上采取措施運用有目的地改變流體流動的原則?？梢钥紤]在此在流入側(正常運行時非常重要)和流出側(間歇流動時非常重要)方面應用幾何變化方案。圖9A示出傳感器載體28的第一實施例的俯視圖，圖9B是從主流動方向上觀察的側視圖。根據第一實施例，設有兩個渦流發(fā)生器58 (這兩個渦流發(fā)生器58設置用于產生或在主流動方向上引發(fā)次級流并因此被視作次級流體發(fā)生器)，這兩個渦流發(fā)生器58作為長方體形狀的和/或肋條形狀的突出部基本上垂直地從傳感器載體28所在的平面內伸出。尤其是將渦流發(fā)生器58如此設置在傳感器載體28之上的迎流邊緣50區(qū)域內，使得傳感器膜片32在投影到與主流動方向18垂直的平面內時設置在渦流發(fā)生器58之間，如圖9B所示。 因此根據圖9B的投影視圖，一個渦流發(fā)生器58位于傳感器膜片32左側，而另一個渦流發(fā)生器58位于傳感器膜片32右側。在圖9A表示的圖中，渦流發(fā)生器58具有相對小的深度，也就是說從主流動方向18來看，其尺寸與它的其他尺寸相比明顯小得多。直接地從主流動方向18上看，在該渦流發(fā)生器58后面在傳感器載體28之上形成低速度區(qū)59，其用兩個橢圓形表示。渦流發(fā)生器58基于在其慣性運動時邊界層的加厚在傳感器膜片32的左右側以及因此在比通過橢圓形表示的區(qū)域更下游產生出更高速度以及更低壓力的區(qū)域，使得傳感器膜片32前面和上方的流體流動區(qū)域具有從傳感器膜片32的中心出發(fā)向外指向的次級速度。此外，在傳感器膜片32的左右側得到反向旋轉的渦流55，其渦流軸線基本上與主流動方向平行，而渦流55將微粒從傳感器膜片32分別向外以及向上，也就是向速度更快的主流體驅趕。渦流發(fā)生器的高度、寬度、主流動方向18上的長度或其內邊緣相對于傳感器膜片32的姿態(tài)的位置可能發(fā)生變化。圖10示出第二實施例的視圖，其與圖9A的視圖相符。第二實施例是第一實施例的變型。下文僅說明其與第一實施例的區(qū)別，相同構件使用相同的附圖標記表示。與第一實施例不同，渦流發(fā)生器58在主流動方向18上具有更大的深度。第二實施例的渦流發(fā)生器58的作用于第一實施例類似。與第一實施例相比，次級流的強度應增加。圖11示出第三實施例的俯視圖。下文僅說明其與上述實施例的區(qū)別，相同構件使用相同的附圖標記表示。在第三實施例中設有大量的渦流發(fā)生器58，這些渦流發(fā)生器58在主流動方向18上彼此之間平行設置在傳感器載體28之上并且基本上垂直地從傳感器載體28的平面上伸出。例如渦流發(fā)生器58構造為長方體形狀的和/或肋條形狀的突出部。此外，這些渦流發(fā)生器58分別具有中斷部或凹口，在中斷部或凹口內部設置有傳感器芯片30，而從在傳感器載體28平面內或與其平行地看，渦流發(fā)生器58在橫向于流動方向18的方向上位于傳感器芯片30的區(qū)域內。此種具有中斷部或凹口的渦流發(fā)生器58尤其不與傳感器芯片30齊平地封合，而是在主流動方向18上或在與其相反的方向上具有與傳感器芯片30的小間隔。在傳感器載體28的余下區(qū)域內，渦流發(fā)生器58構造為從傳感器載體28的迎流邊緣50開始連續(xù)到在主流動方向18上看到的后邊緣?？上氲揭淮位蚨啻沃袛嗖?。在第三實施例中，渦流發(fā)生器58具有相對小的寬度，也就是說在傳感器載體所在平面內或與其平行的平面內，其與主流動方向18橫向的尺寸明顯小于其余下的尺寸。可供選擇或可供替換的是，也可設置溝道和/或突出來的臺階，由于其連續(xù)性，這些溝道或臺階可以引導流體流動并尤其在間歇情況下應能阻止微粒的不可控的側向進入。同時，，此種溝道在此情況下用作盡管有芯片加熱裝置但偶爾還會沉淀的油的出口。突出的臺階的高度在此可以恒定或弧形地隨著主流動方向18增大或在某些情況下尤其在傳感器膜片32附近采用其他合適的走向。圖12示出第四實施例的視圖，其與圖11所示相符。第四實施例是第三實施例的變型。下文僅描述其與第三實施例的區(qū)別，相同構件使用相同的附圖標記表示。與第三實施例相比，渦流發(fā)生器58具有更大的寬度。此外，具有一個中斷部或凹口的渦流發(fā)生器58與傳感器芯片30齊平地封合。第四實施例的渦流發(fā)生器58所起的作用與第三實施例類似。圖13示出第五實施例的俯視圖。下文僅說明其與上述實施例的區(qū)別，相同構件使用相同的附圖標記表示。在第五實施例中，在迎流邊緣50區(qū)域內有兩個相互間隔的渦流發(fā)生器58，在此俯視圖中例如構造為傳感器載體28中的矩形、半圓形或正方 形的銑切部(Frasungen )或凹槽。尤其是如此將渦流發(fā)生器58在迎流邊緣50的區(qū)域內設置在傳感器載體28上，使得傳感器膜片32，在與主流動方向18垂直的平面內投影地，設置在渦流發(fā)生器58之間ο與迎流邊緣50上的銑切部58 (其與支撐面輪廓類似地被倒圓)外部的流體流動導向相比，由于銑切部58內的滯流點作用，第五實施例在迎流邊緣50上的銑切部58下游在銑切部58的后面流中產生較厚的邊界層并由此起到如按照上述實施例的實際存在的臺階幾何形狀那樣作用。如上文所述，同樣形成次級速度以及分別具有與主流動方向18平行的渦流軸線的相反方向旋轉的渦流55。圖14示出在主流動方向上觀察到的第六實施例的視圖。下文僅說明其與上述實施例的區(qū)別，相同構件使用相同的附圖標記表示。在第六實施例中與第四實施例類似地設有兩個渦流發(fā)生器58，這兩個渦流發(fā)生器58在主流動方向18上相互平行地設置在傳感器載體18上面并基本上垂直地從傳感器載體28的平面上伸出。例如渦流發(fā)生器58構造為長方體形狀和/或肋條狀。尤其是如此將渦流發(fā)生器58設置在傳感器載體28的上面，以使得傳感器膜片32，在與主流動方向18垂直的平面內投影地，設置在渦流發(fā)生器58之間。在第六實施例中，渦流發(fā)生器58構造得相對高且寬。在圖14所示的第六實施例中，不僅可以考慮位置和數量上的變化，而且可以考慮根據流入而不對稱的布置，其涉及到高度或高度變化。同樣可以在與主流動方向18橫向的造型內想到其他造型。例如顯示作為突出部的渦流發(fā)生器58可以設計為半圓形或在其兩邊緣上設有半徑。圖15示出第七實施例的視圖，其與圖14相符。第七實施例是第六實施例的變型。下文僅說明其與第六實施例的區(qū)別，相同構件使用相同的附圖標記表示。與第六實施例相t匕，渦流發(fā)生器58具有相對更小的寬度和高度。第七實施例的渦流發(fā)生器58起到與第六實施例類似的作用并且同樣可以具有該處已描述的構件技術方面的變型。圖16示出第八實施例的透視俯視圖。第八實施例是第六或第七實施例的變型。下文僅說明其與第六或第七實施例的區(qū)別，相同構件使用相同的附圖標記表示。與第六或第七實施例相比，兩個渦流發(fā)生器58在主流動方向18上構造為弧形，也就是從主流動方向18上觀察，其高度從迎流邊緣50至傳感器芯片30增大，并且在傳感器芯片30的下游，其高度在主流動方向18上向著后邊緣減小。尤其是一個渦流發(fā)生器58可以構造為連續(xù)的，并且另一個渦流發(fā)生器58具有其內部設置有傳感器芯片30的中斷部或凹口，其中這個渦流發(fā)生器58在傳感器載體28平面內或與其平行地觀察在橫向于主流動方向18的方向上位于傳感器芯片30的區(qū)域內。第八實施例的渦流發(fā)生器58起到與第七實施例類似的作用并且同樣可以具有該處已描述的構件技術方面的變型。圖17示出從主流動方向18上觀察到的第九實施例的側視圖。第九實施例是第六或第七實施例的變型。下文僅說明其與第六或第七實施例的區(qū)別，相同構件使用相同的附圖標記表示。在第九實施例中，除了兩個渦流發(fā)生器58，還設計有兩個溝道60，它們在渦流發(fā)生器58之間的傳感器載體內從迎流邊緣50延伸至傳感器載體28的在主流動方向18上看的后邊緣，從而傳感器膜片32位于溝道60之間。這考慮到下述情況，即在傳感器膜片32的上游和下游的油聚積改變傳感器膜片32直接周圍的邊界層。因此從傳感器膜片32向空氣的熱傳遞可能發(fā)生變化。在正確的設計中，溝道60在沒有污染的情況下對于邊界層沒有影響，這是因為它僅含有低脈沖的流體。在污染情況下，溝道60應接收油滴并避免在傳感器膜片32的前面或上游的有效流動輪廓的實際的局部加厚。 傳感器載體28的依據本發(fā)明的結構方案可以具有相應的其他變型方案或構件技術的變型。尤其是明確強調，渦流發(fā)生器58的上述幾何形狀的組合也是可能的。圖18A示出帶有不同空氣質量流的流動模擬的兩種結果，其中沒有使用依據本發(fā)明的結構方案。幾何形狀配置也表示出不帶依據本發(fā)明感應的次級流的流動模擬。尤其在模擬結果中，在傳感器區(qū)域32內標明相應的速度場，在傳感器載體28上標出壁剪應力以及渦流強度64的等直面和壁流線66。尤其是圖18A左側的視圖表示傳感器載體28，90kg/h的空氣質量流流過該傳感器載體，而右側的視圖表示的是200kg/h的空氣質量流流過的傳感器載體28。在此,主流動方向18在所不Z軸的負方向的方向上延伸，而傳感器載體28的表面在由Y軸和Z軸撐開的平面中。此外，在與主流動方向18垂直的平面內示出直接靠近傳感器區(qū)域、例如傳感器膜片32的相應的速度場。圖18B放大顯示了相應的速度場。不同的點畫區(qū)域在此表明不同的速度，其中更為密集的點畫圖相當于更高的速度。流體流動清楚地表現出傳感器膜片32高度上的不同速度場、清楚地示出傳感器載體上的不同的壁剪應力62、渦流強度64的等直面中的區(qū)別和壁流線66走向中的偏差作為90kg/h和200kg/h兩種情況的數字流動模擬的結果。例如壁剪應力62在以90kg/h流過的例子中在傳感器區(qū)域32上游在X軸的正向上相對直地延伸并且可作為亮條紋識別，與此相反的是，壁剪應力62在以200kg/h流過的例子中在所述方向上具有接近于正弦的走向。依據本發(fā)明的結構方案應考慮減小在不同的空氣質量流的情況下的流動區(qū)別。例如應減小在具有90kg/h的流動例子和具有200kg/h的情況之間在壁剪應力62的構造和圖18B所示的速度剖面方面的偏差。
權利要求
1.用于確定流經通道(14、20、24)的流體介質的至少一個參數、尤其是內燃機的吸入空氣質量的傳感器裝置(10)，其中，所述傳感器裝置(10)具有至少一個設置在通道(14、20,24)中的傳感器芯片(30)以確 定流體介質的參數，其中，所述傳感器芯片(30)被容納在一個伸入通道(14、20、24)內的傳感器載體(28)中，所述傳感器載體(28)具有與流體介質的流動橫向地設置的迎流邊緣(50)，其中，至少在迎流邊緣(50)的區(qū)域內設有至少一個渦流發(fā)生器(58)，所述渦流發(fā)生器(58)被設置用于在傳感器載體(28)的區(qū)域中、尤其是在傳感器芯片(30)的區(qū)域中、優(yōu)選在傳感器區(qū)域(32)直接附近、尤其是微機械傳感器膜片的直接附近在流動的流體介質中構成次級流、尤其渦流(55)形式的次級流，其特征在于，所述次級流在一個基本上與流體介質的主流動方向(18)垂直的平面中延伸。
2.根據權利要求I所述的傳感器裝置(10)，其特征在于，所述傳感器載體(28)基本上限定了一個在主流動方向(18)上的平面并且所述至少一個渦流發(fā)生器(58)以至少一個突出部的形式構成，該突出部從傳感器載體(28)的平面中突出。
3.根據權利要求I或2所述的傳感器裝置(10)，其特征在于，所述至少一個渦流發(fā)生器(58)至少部分地沿著迎流邊緣(50)和/或沿著傳感器載體(28)的在流體介質的主流動方向(18)上看的后邊緣構成。
4.根據以上權利要求中任一項所述的傳感器裝置(10)，其特征在于，所述至少一個渦流發(fā)生器(58)與主流動方向(18)橫向地設置。
5.根據權利要求I至3中任一項所述的傳感器裝置(10)，其特征在于，所述至少一個渦流發(fā)生器(58)至少部分地從迎流邊緣(50)延伸至傳感器載體(28)的在流體介質的主流動方向(18)上看的后邊緣。
6.根據以上權利要求中任一項所述的傳感器裝置(10)，其特征在于，所述至少一個渦流發(fā)生器(58)基本上構造為半圓形。
7.根據以上權利要求中任一項所述的傳感器裝置(10)，其特征在于，所述傳感器芯片(30)具有至少一個傳感器區(qū)域(32)，并且至少兩個渦流發(fā)生器(58)被這樣地設置，使得至少所述傳感器區(qū)域(32)在一個與流體介質流垂直的平面中投影地位于這些渦流發(fā)生器(58)之間。
8.根據權利要求7所述的傳感器裝置(10)，其特征在于，所述至少兩個渦流發(fā)生器(58)被這樣地構成，使得由于多個具有各自的與流體介質的主流動方向(18)平行的渦流軸線且在彼此相反的旋轉方向上的渦流(55)至少在傳感器區(qū)域(32)的范圍中產生次級流。
9.根據以上權利要求中任一項所述的傳感器裝置(10)，其特征在于，多個渦流發(fā)生器(58)在主流動方向(18)上延伸地且相互平行地設置。
10.根據以上權利要求中任一項所述的傳感器裝置(10)，其特征在于，至少一個渦流發(fā)生器(58)被構造為在傳感器載體(28)中的、優(yōu)選在傳感器載體(28)的前邊緣上的凹部，該凹部在主流動方向(18)上延伸。
全文摘要
本發(fā)明建議提供一種用于確定流經通道(14、20、24)的流體介質的至少一個參數、尤其是內燃機的吸入空氣質量的傳感器裝置(10)。所述傳感器裝置(10)具有至少一個設置在通道(14、20、24)中的傳感器芯片(30)以確定流體介質的參數，其中，所述傳感器芯片(30)被容納在一個伸入通道(14、20、24)內的傳感器載體(28)中。所述傳感器載體(28)具有與流體介質的流動橫向地設置的迎流邊緣(50)，其中，至少在迎流邊緣(50)的區(qū)域內設有至少一個渦流發(fā)生器(58)，所述渦流發(fā)生器(58)被設置用于在傳感器載體(28)的區(qū)域中、尤其是在傳感器芯片(30)的區(qū)域中、優(yōu)選在傳感器區(qū)域(32)直接附近、尤其是微機械傳感器膜片的直接附近在流動的流體介質中構成次級流、尤其渦流(55)形式的次級流，其特征在于，所述次級流在一個基本上與流體介質的主流動方向(18)垂直的平面中優(yōu)選從傳感器區(qū)域(32)指離地延伸。
文檔編號F15D1/00GK102879047SQ20121031952
公開日2013年1月16日 申請日期2012年6月21日 優(yōu)先權日2011年6月22日
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