用于确定流体质量流的设备和方法和制造该设备的方法技术领域
本发明涉及用于确定流体质量流的设备和方法以及涉及用于制造这种
设备的方法。
背景技术
在机动车中可以使用空气质量测量仪，以便遵循确定的空气-燃料-比
例。为此可以检测至内燃机的空气质量流并且作为电信号输出到调节和控
制电子器件上。因此，喷射量可以适配于瞬时的功率需求、空气压力并且
适配于不同的空气温度。
DE19730580A1例如说明了一种用于确定流动穿过机器的穿流量的
设备，其中，该设备包括信号分析处理电路，其具有呈数字组合件形式的
热调节器。
发明内容
在此背景下，利用在此本发明所建议的解决方案来介绍根据独立权利
要求所述的用于确定流体质量流的设备和方法以及用于制造这种设备的方
法。由相应的从属权利要求和以下的说明得出有利的构型。
本发明的解决方案提出一种用于确定流体质量流的设备，其中，所述
设备具有以下特征：
-传感器元件，用于检测所述流体，其中，该传感器元件布置在所述
流体的流动路径之内并且构造用于提供一传感器信号；
-集成电路，其具有运行单元和转换单元，该运行单元用于提供用于
运行所述传感器元件的运行信号，该转换单元用于将所述传感器信号转换
为经转换式信号，其中，所述集成电路实施为第一离散式电路元件，其具
有：用于接收所述传感器信号的第一接头、用于提供所述运行信号的第二
接头和用于提供所述经转换式信号的第三接头；和
-信号处理单元，该信号处理单元构造用于，在应用所述经转换式信
号的情况下确定所述流体质量流，其中，所述信号处理单元实施为第二离
散式电路元件，其具有：用于接收所述经转换式信号的第一接头和用于提
供表示所述质量流的质量流信号的第二接头。
质量流可以理解为流体每单位时间流过传感器元件的质量。传感器元
件可以理解为例如呈线材或者层电阻形式的热力学传感器元件。流体可以
理解为气体或者气体混合物(例如空气)。例如，流体可以涉及到内燃机的
吸入的空气。传感器元件可以构造用于，检测流体的至少一个物理特性和/
或传感器元件的可被流体影响的物理特性。传感器信号可以表明流体的或
者传感器元件的所检测到的物理特性。流体的物理特性可以理解为例如流
体的压力、温度或者湿度。传感器元件的物理特性可以理解为例如传感器
元件的被流体绕流的表面的温度或者导电性。例如，所述表面可以被从旁
流过的流体冷却，从而使该表面的导电性变化。这种变化可以用于确定流
体质量流。离散式电路元件可以是例如带壳体的构件。所述离散式电路元
件的接头可以涉及到外部的接头(例如涉及到引线(Pin)或者焊垫)，离
散式电路元件可以通过所述外部的接头与外部的导线(例如与用于承载该
离散式电路元件的印刷电路板上的印制导线)导电地连接。离散式电路元
件可以是呈具有预先给定的功能范围的集成电路形式的ASIC元件(应用
型专用集成电路，ASIC＝application-specificintegratedcircuit；
“anwendungsspezifischeintegrierteSchaltung”)。传感器元件的传感器信号可
以表示出流体的物理特性的测量值和/或传感器元件的物理特性的变化的
测量值。经转换式信号可以理解为传感器元件的为了进一步处理或者存储
而准备的信号。例如，传感器信号可以涉及到模拟式输入信号，所述模拟
式输入信号通过转换单元转换为数字式数据或者数据流。运行单元可以构
造用于，给传感器元件供以能量。例如，运行单元可以构造用于，根据传
感器元件的功率输出而调节所述传感器元件的功率消耗。第一离散式电路
元件的第一接头和第三接头可以是不同的(特别是相互不兼容的)信号传
递接口。
本发明的解决方案基于以下认识：可以通过单独的并且因此可灵活地
相互组合的组合件来实现空气质量测量仪的电子器件的各个功能。为此，
与常规的解决方案不同的是，仅仅一个转换器和为了运行传感器所必需的
基础组合件集成到因应用而异的集成电路(简称ASIC)中。
在常规的解决方案中，除了接口控制器之外，传感器功能(即，信号
处理)也构成在ASIC中，与常规的解决方案相比，传感器功能性以及至
控制仪的电接口可以通过电子器件的这种分区来快速且成本低廉地拓宽或
者改变，而不必在非常费时且昂贵的过程中研制新型ASIC。
根据在这里所提出的解决方案的实施方式，传感器元件可以电加热。
此外，传感器元件可以具有与流体相关的电阻，并且，传感器信号可以表
示出传感器元件的电阻。运行单元可以构造用于，提供用于控制所述传感
器元件的加热功率的运行信号。运行单元可以构造用于，控制所述传感器
元件的加热功率。转换单元可以构造用于，将表示出传感器元件的电阻的
变化的传感器信号转换为经转换式信号。例如，传感器元件可以构造为热
力学风速计。加热功率可以理解为被传感器元件所接收的、用于加热所述
传感器元件的功率。传感器元件的温度进而传感器元件的电阻可以由于流
经传感器元件的流体而变化。运行单元可以构造为例如加热调节器，以便
根据流体流的强度如此调节加热功率，使得传感器元件的温度保持恒定。
与之相应地，信号处理单元可以构造用于，根据加热功率的变化来求取到
质量流。以此方式可以非常可靠和准确地确定质量流。
转换单元可以实施为模拟-数字-转换器。模拟-数字-转换器可以理解为
用于将模拟式输入信号转化为数字式数据(或者说数据流)的电子电路。
由此能够实现由传感器元件所提供的测量值的存储和进一步处理。
信号处理单元可以实施为微控制器。微控制器可以理解为半导体结构
元件。微控制器可以具有集成式存储器和不同的接口，这些接口能够实现
微控制器的编程。通过应用微控制器可以非常简单、快速且成本低廉地通
过软件来扩充该设备的功能。
这也是有利的：根据另一种实施方式，集成电路的第一离散式电路元
件和(附加地或者替代地)信号处理单元的第二离散式电路元件实施为
SMD构件。例如，集成电路和信号处理单元可以实现成具有SMD壳体。
由此，ASIC元件和信号处理单元可以非常简单且节省空间地施加到印制电
路板上。
所述设备可以设有至少一个接口单元，所述接口单元构造用于：接收
在信号处理单元的第二接口上所提供的质量流信号，适配于可接通在接口
单元之后的控制仪的接口协议，并且，输出作为可被控制仪读入且表示出
所述质量流的信号。接口单元可以理解为这样的电子构件，所述电子构件
能够实现信号处理单元与外部的控制仪之间的数据交换。例如，接口单元
可以构造用于，将表示出质量流的信号不受功率约束地传递到控制仪上。
通过将接口单元设计成设备的与第二离散式电路元件以及集成电路相分开
的单元，由此使设备的接口功能可以非常灵活和成本低廉地与不同的应用
相匹配。
根据另一种实施方式，设置下述设备，其具有印制电路板、底板和传
感器元件承载件，以构成传感器模块。为此，ASIC元件、信号处理单元和
(可选地)接口单元可以布置在印制电路板上。所述印制电路板可以布置
在底板上。传感器元件可以布置在传感器元件承载件上，其中，传感器元
件承载件固定在底板上。印制电路板可以理解为下述电路板，其具有用于
使ASIC元件、信号处理单元和接口单元相导电地连接的印制导线。底板
可以理解为用于固定印制电路板的板。传感器元件承载件可以理解为用于
固定传感器元件的接片形式元件。通过该实施方式能够以小的制造耗费将
设备的电子结构元件组合为紧凑的模块。
此外，所述设备可以设有用于接收所述传感器模块的壳体。所述壳体
可以具有至少一个流体通道，其中，至少一个传感器元件可以布置在所述
流体通道中。流体通道可以理解为用于使流体通过壳体的通道。通过壳体
可以保护设备以免损坏。
有利的是，根据另一实施方式的设备设有至少一个另外的传感器元件，
所述另外的传感器元件可电加热并且布置在流体的流动路径之外。运行单
元还可以构造用于，控制所述另外的传感器元件的加热功率。转换单元可
以构造用于，将表示出所述另外的传感器元件的电阻的变化的信号转换为
参考信号。信号处理单元还可以构造用于，在应用该参考信号的情况下确
定质量流。流动路径可以理解为设备的被流体流过的区域。借助于所述另
外的传感器元件使测量准确性可以通过温度波动来补偿。此外，该实施方
式提供了高的频率分辨率的优点。
一种用于确定流体质量流的方法包括以下步骤：
-在应用布置在流体的流动路径之内的传感器元件的情况下检测所述
流体并且提供一传感器信号；
-在第一离散式电路元件的第一接头上接收所述传感器信号，在所述
第一离散式电路元件的第二接头上提供用于运行所述传感器元件的运行信
号，并且，将所述传感器信号转换为经转换式信号，并且，在所述第一离
散式电路元件的第三接头上提供所述经转换式信号；和
-在第二离散式电路元件的第一接头上接收所述经转换式信号，在应
用所述经转换式信号的情况下确定所述流体质量流，并且，在所述第二离
散式电路元件的第二接头上提供表示所述质量流的质量流信号。
所述方法可以在应用所提到的设备的情况下有利地实施。
最后，在这里所介绍的解决方案提出了一种用于制造根据以上所说明
的实施方式的设备的方法，其中，所述方法包括以下步骤：
-提供所述传感器元件、所述ASIC元件和所述信号处理单元；和
-使所述ASIC元件与所述传感器元件以及所述信号处理单元相导电
地连接。
附图说明
以下参照所属附图示例性地详细解释在这里所提到的解决方案。附图
示出：
图1根据本发明的实施例的设备的示意性的图示；
图2根据本发明的实施例的设备的示意性的三维的图示；
图3用于确定流体质量流的常规的设备的示意性的图示；
图4用于制造根据本发明的实施例的设备的方法的流程图；和
图5根据本发明的实施例的用于确定流体质量流的方法的流程图。
在本发明的有利的实施例的随后的说明中，针对不同的附图中所示出
的和类似地起作用的元件应用相同或者类似的附图标记，其中，省去了对
这些元件的重复说明。
具体实施方式
图1示出根据本发明的实施例的用于确定流体质量流的设备100的示
意性的图示。设备100包括传感器元件105、实施为第一离散式电路元件的
集成电路110和实施为第二离散式电路元件的信号处理单元115。集成电路
110具有运行单元120和转换单元125，所述运行单元和所述转换单元各自
与传感器元件105电耦合。例如，集成电路110的第一离散式电路元件可
以实施为ASIC元件。
传感器元件105能够布置或者可布置在流体流中。传感器元件105构
造用于提供传感器信号126，所述传感器信号表示出流体的物理特性(例如
压力、温度或者湿度)的测量值或者表示出传感器元件105的物理特性。
根据一个实施例，传感器元件105实施为加热元件，该加热元件的温度可
以由运行单元120调节。与之相应地，传感器信号可以表示出传感器元件
的功率消耗与流体流的强度相关的变化，其中，流体流越强，则功率消耗
可能会越大。为了运行所述传感器元件105，运行单元120构造用于将运行
信号127提供到传感器元件105上。
转换单元125构造用于，接收所述传感器元件105的传感器信号126
并且传递成一种形式，该形式适合用于在信号处理单元115中进一步处理
或者存储通过传感器信号126所表示的测量值、或者适合用于将通过传感
器信号126所表示的呈经转换式信号128形式的测量值发送到信号处理单
元115上。根据本发明的实施例，转换单元125构造为模拟-数字-转换器。
信号处理单元115构造用于，在应用经转换式信号128的测量值的情
况下，求取到流体质量流并且提供了表示出所述质量流的质量流信号129。
根据本发明的实施例，信号处理单元115实现为微控制器。
在图1中，设备100具有可选的接口单元130地示出，该接口单元构
造用于，从信号处理单元115以质量流信号129的形式来接收关于所求取
到的质量流的信息。所述信息可以作为在这里未示出的外部控制仪可读入
的信号132由接口单元130输出。控制仪可以涉及到例如机动车的发动机
控制仪。
信号处理单元115可以通过标准化的传送接口与ASIC元件110以及与
接口单元130连接。
因此，设备100具有至少两个(根据该实施例为三个)单独的待制造
的结构元件，所述结构元件各自执行特定的功能。ASIC元件110使用于测
量值的检测和准备，信号处理单元115使用于基于所准备的测量值来求取
到质量流，并且，接口单元130使用于传递所求取到的质量流。通过单个
的这些结构元件的更换可以非常简单且成本低廉地改变该设备100的功能
范围。
根据该实施例，传感器元件105、集成电路110、信号处理单元115和
接口单元130作为单独的电路元件相对彼此隔开间距地布置并且通过电导
线相互连接。为此，包括集成电路110的电路元件具有用于接收传感器信
号126的第一接头141、用于提供运行信号127的第二接头142和用于提供
经转换式信号128的第三接头143。相应地，包括信号处理单元115的电路
元件具有用于接收经转换式信号128的第一接头145和用于提供质量流信
号129的第二接头146。接头141，142，143可以作为电触点从包括集成电
路110的电路元件的壳体中引出。相应地，接头145，146可以作为电触点
从包括信号处理单元115的电路元件的壳体中引出。此外，接头141，142，
143，145，146可以使用于机械地固定这些电路元件，例如通过焊接连接。
传感器信号126与经转换式信号128能够在为数据传递所使用的信号标准
方面有所区别。相应地，经转换式信号128与质量流信号129以及质量流
信号129与信号132能够分别在为数据传递所使用的信号标准方面有所区
别。例如，包括集成电路110的电路元件的第一接头对应于根据第一标准
所定义的接口，并且，包括集成电路110的电路元件的第二接头对应于根
据第二标准所定义的接口。
数字式接口在发动机控制仪中的使用导致了驱动系中用于传感器的不
同的电接口的数量上升。当今标准地使用模拟和频率接口，而可能的是：
将来也使用如SENT、CAN、LIN或PSI5这样的接口。
在图1中所示出的传感器分区允许用于不同的电接口和传感器功能的
成本低廉和灵活的解决方案。根据一个实施例，传感器分区包括四个元件，
即：传感器元件105；呈ASIC110形式的集成电路110，其具有呈加热调节
器120形式的运行单元120和呈一个或多个ADC125(模拟至数字的转换
器，analog-to-digitalconverter)形式的转换单元125；呈微控制器115形式
的信号处理单元115；呈接口控制器130形式的接口单元130。ASIC110、
微控制器115和接口控制器130可以涉及到带壳体的结构元件，这些结构
元件可以通过SMD装配来安装和焊接到印制电路板上。
所有为了运行空气质量测量仪的传感器元件105和为了检测测量数据
所必需的基础组合件都处于ASIC110中。
在微控制器115自身中进行进一步的信号处理。微控制器115具有集
成的存储器并且是可编程的。由此，传感器的功能能够非常简单、快速和
成本低廉地通过软件来扩充。因此，也可能对功能进行客户个别化地适配。
微控制器115可以涉及到一种标准结构元件，所述标准结构元件以不同的
结构形式和功率等级在市场上可提供。微控制器115可以具有多个如SPI
或I2C这样的标准化的接口。通过这些接口可以非常简单地将其它传感器
卫星部(Sensorsatelliten)、例如压力传感器和湿度传感器集成到系统中。
接口控制器130能够实现所述设备100与控制仪相通信。接口控制器
130可以根据所希望至控制仪的接口来选定。例如，接口控制器130可以适
合用于通用的数字式接口。
图2示出根据本发明的实施例的设备100的示意性的三维图示。与图1
不同地，在图2中所示出的设备100具有传感器模块200地实现，传感器
模块也称作电子器件模块(Elektronikmodul)。传感器模块200包括印制电
路板205，除了其它电子结构元件之外，在所述印制电路板上焊接有ASIC
元件110、信号处理单元115和接口单元130。此外，传感器模块200包括
呈底部板片形式的底板210，印制电路板205固定在该底板上。示例性地，
底板205在图2中实施成在两个相互相对置的侧上具有直角地弯曲的边缘。
在底板210上固定有接片状传感器元件承载件215，传感器元件105布置在
所述传感器元件承载件上。
传感器元件承载件215例如由塑料制造。
设备100还包括壳体220，该壳体具有流体通道225和用于接收所述传
感器模块200的模块空隙230。模块空隙230也可以称作电子器件室。通过
流体通道225可以将流体流传导至传感器元件105。例如，具有壳体220
的设备100构造为插接式感测器。
模块空隙230的底面具有冷却开口235。模块空隙230通过旁路通道
236与流体通道225在流体方面连接，从而流体可以在流体通道225与冷却
开口235之间流动。以此方式，传感器模块200可以通过流体流来冷却。
传感器模块200可以如此布置在模块空隙230中，使得传感器元件承
载件215通过旁路通道236伸入到流体通道225中。因此，流体可以绕流
于传感器元件105。
流体通道225U形地延伸通过壳体220，其中，流体通道225的开口构
造在壳体220的不同的侧上。
壳体220在模块空隙230的区域中具有接头触点237，所述接头触点用
于电接通所述印制电路板205。
此外，壳体220实施成具有：用于盖住流体通道225和旁路通道236
的测量通道顶盖240；以及用于盖住模块空隙230的电子器件室顶盖245。
根据一个实施例，在图2中所示出的具有传感器芯片(CMF)105的
空气质量传感器100实施为下述传感器元件，所述传感器元件粘入到传感
器承载件215中。传感器承载件215与由金属制成的底板210共同构成一
单元。除了传感器105之外，电子器件200在其印制电路板205上粘到底
板210上。实现为ASIC的分析处理集成电路(IC)110位于印制电路板205
上，在所述分析处理集成电路中进行传感器元件105的测量值的检测和准
备。测量参量的输出通过至控制仪的电接口130进行。接口130可以涉及
到模拟式接口或者FAS接口。传感器105可以通过键合连接
(Bondverbindung)与印制电路板205的电子器件相连接。如此产生的电子
器件模块200可以粘入到传感器壳体220中。整个插接式感测器100可以
通过顶盖240，245封闭。
如其在图2中所示出的传感器分区允许了针对不同的电接口和传感器
功能的成本低廉和灵活的解决方案。
图3示出用于确定流体质量流的常规的设备300的示意性的图示。与
在图1和2中所示出的设备100不同地，在图3中所示出的设备300实现
成具有因应用而异的集成式转换回路305，所述转换回路除了传感器功能之
外还包括接口控制器。
图4示出用于制造根据本发明的一个实施例的设备的方法400的流程
图。在步骤405中，提供了传感器元件、ASIC元件和信号处理单元。接着，
在另一步骤410中，ASIC元件与传感器元件以及信号处理单元相导电地连
接。
图5示出根据本发明的实施例的用于确定流体质量流的方法的流程图。
例如可以在应用根据图1所示出的设备的装置的情况下实施该方法的步骤。
在步骤505中，在应用布置在流体的流动路径之内的传感器元件的情
况下检测到流体并且提供一传感器信号，例如表明为流体的检测。在步骤
510中，在第一离散式电路元件的第一接头上接收有传感器信号，在第一离
散式电路元件的第二接头上提供有用于运行所述传感器元件的运行信号，
并且，该传感器信号被转换为经转换式信号并且在第一离散式电路元件的
第三接头上被提供。在步骤515中，在第二离散式电路元件的第一接头上
接收有经转换式信号，流体质量流在应用该经转换式信号的情况下确定，
并且，在第二离散式电路元件的第二接头上提供有表示出所述质量流的质
量流信号。
所说明的和在附图中所示出的实施例仅仅示例性地选定。不同的实施
例可以完全地或者关于各个特征方面相互组合。一个实施例也可以通过另
一个实施例的特征来补充。此外，可以重复地以及以不同于所说明的顺序
来实施在这里所介绍的方法步骤。
如果一个实施例包括第一特征与第二特征之间的“和/或”关系，则这可
以解读为：该实施例根据一种实施方式不仅具有第一特征而且具有第二特
征，并且，根据另一种实施方式或是仅仅具有第一特征或是仅仅具有第二
特征。