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U. Schmid, R. Hoffmann, G. Krötz:
"A Micromachined High Pressure Stable Mass Flow Sensor for Common-Rail Injection Systems";
TM - Technisches Messen, 68. Jahrgang (2001), Heft 5; 208 - 214.

We report for the first time about a micromachined mass flow sensor directly integrated between the double guidance and the needle seat into the body of a Common Rail (CR) injection nozzle. The thermal measurement principle was chosen because gaseous as well as liquid mass flows can be determined fast and precisely. Additionally, with glass-ceramic materials fabricated in a low cost batch process, a high temperature and especially pressure stable substrate can be used. The flow sensitive thin film is realized by an e-beam evaporated 110 nm thick molybdenum (Mo) layer. The latter is electrically characterized by the resistivity of ρ=8.2·10-7Ω·m(±2%) at room temperature as well as by the first α=4.5·10-4K-1(±5%) and second β=3.0·10-6K-2 (±12%) temperature coefficients of resistance up to 300°C. The static temperature field at and around the thin film sensor on the glass-ceramic substrate is investigated with an IR imaging system at different electrical heating powers Pelec. For optimized sensor designs a constant temperature profile is measured, being in good agreement with the prediction of an analytical model. The first mass flow measurements at 500 bar exhibit excellent sensor characteristics, measuring even pressure waves occurring during and after injection. Therefore, injection rates can precisely be measured "on board". Hence we believe that with such micromachined mass flow sensors the injection system of combustion engines can further be optimized by a closed-loop control of the magnetic or piezoactuatoric driven valve.

In diesem Beitrag wird erstmals über einen mikromechanisch gefertigten Massenflusssensor berichtet, der direkt in den Düsenkörper einer Common-Rail(CR)-Einspritzdüse zwischen doppelter Nadelführung und Nadelsitz integriert wurde. Das thermische Messprinzip wurde ausgewählt, da über die Widerstandsänderung eines elektrisch geheizten Dünnfilmwiderstandes gasförmige wie auch flüssige Massenströme sehr schnell und sehr genau bestimmt werden können. Zusätzlich ermöglichen Glaskeramiken, die in einem kostengünstigen Batch-Prozess hergestellt werden können, den Einsatz eines hochtemperatur- und vor allem hochdruckstabilen Substrates für den Sensor. Die flusssensitive Schicht besteht in vorliegendem Fall aus einem 110 nm dicken Molybdän(Mo)-Dünnfilm, der durch einen PVD(Physical Vapour Deposition)-Prozess mittels Elektronenstrahlverdampfen aufgebracht wird. Statische Strom-Spannungs(I-V)-Messungen an Teststrukturen zeigen einen spezifischen Widerstand von ρ=8.2·10-7Ω·m(±2%) bei 298 K. Zusätzlich wurde bei Drücken von p=1·10-4 mbar in einer Vakuumkammer der erste und zweite Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstandes bis 300°C zu α=4.5·10-4K-1(±5%) bzw. β=3.0·10-6K-2 (±12%) bestimmt. Das statische Temperaturfeld am und um den Dünnfilmsensor auf dem Glaskeramiksubstrat wird mit Hilfe einer Infrarotkamera bei verschiedenen Heizleistungen Pelek. experimentell untersucht. Für optimierte Sensorgeometrien wird entlang der Sensorachse ein vom Ort unabhängiges Temperaturprofil gemessen, das durch ein analytisches Model sehr genau beschrieben werden kann. Die ersten Massenflussmessungen bei einem Raildruck von 500 bar, die im dynamischen Betrieb schon deutlich auf hohe Druckschwankungen während und nach dem Einspritzvorgang hindeuten, sollen die hohe Güte des vorliegenden Sensors verdeutlichen. Deshalb glauben wir, dass mit düsenintegrierten Massenflusssensoren "on board" die Einspritzraten sehr genau bestimmt werden können, was zu einer weiteren Optimierung des Einspritzsystems von Verbrennungskraftmaschinen durch individuelles Ausregeln jedes einzelnen Injektors führen würde.

http://dx.doi.org/10.1524/teme.2001.68.5.208