JP2006058078A - 熱式空気流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】 センサ素子のスクリーニングによる的確な良否選別が容易に得られるようにした熱式空気流量計を提供すること。
【解決手段】 電気絶縁膜２５からなるダイアフラム部分２３、２４を半導体基板２０に形成させ、これらに発熱抵抗体２６と吸気温度センサ用の抵抗体２８を配置した熱式空気流量計のセンサ素子１９において、矩形をしたダイアフラム部分２３の短辺Ｗ１と、同じく矩形をしたダイアフラム部分２４の短辺Ｗ２をほぼ同一の長さにし、スクリーニングによる加圧に際して、各ダイアフラム部分２３、２４に加わる応力がほほ同じになるようにしたもの。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体のセンサ素子を用いた熱式空気流量計に係り、特に内燃機関の吸入空気量を測定するのに好適な熱式空気流量計に関する。

近年、特に自動車のエンジン(内燃機関)では、その燃料供給量を吸入空気量に基いて制御するのが一般的になっており、このため吸入空気流量計が必要になっているが、このときの吸入空気流量計としては、熱式の流量計が質量空気量を直接検知できることから、特に重用されるようになってきている。

そして、この熱式空気流量計の中でも、特に半導体マイクロマシニング技術により製造されたセンサ素子(測定素子)を用いた場合は、コストの低減と低電力駆動、それに高速応答性の点で有利になるので、近年は、この半導体技術によるセンサ素子を用いた熱式空気流量計が主流になっている。

ところで、このような空気流量計には、そのセンサ素子の基板が複数のダイアフラム(薄膜部分)を備え、それらの部分に、流量検出ようのセンサとなる発熱部及び当該発熱部に隣接してそれぞれ配置された上流側測温部と下流側測温部が配設されるようにしたものが従来技術として知られてい(例えば、特許文献１参照)。

そして、この従来技術による熱式空気流量計では、複数個のダイアフラムが被計測流体の流れの方向に直交する方向に並んで設けられていて、これによりダイアフラムの強度の向上を図ると共に感度と応答性が確保されるようにしている。

一方、熱式空気流量計は、吸気温度が変化すると測定誤差を生じるという問題がある。そこで、熱式空気流量計のセンサ素子の一部に吸気温度センサを取付け、これにより吸気温度を計測し、吸気温度変化による測定誤差を低減し、より高精度で空気流量が測定できるようにした熱式空気流量計も、従来技術として知られている。

しかし、この場合、別途、吸気温度センサの取付けを要することから、熱式空気流量計の部品点数が増加し、しかも吸気温度センサの取り付けのための実装構造や配線が必要になるので、製造コストの上昇をもたらしてしまう。

そこで、この問題を解決したのが、熱式空気流量計のセンサ素子に吸気温度センサを一体化する技術であり、これにより、部品点数や吸気温度センサを電気的に接続するための配線が削減できる。

しかも、このとき、熱式空気流量計のセンサ素子を、単結晶シリコンなどの半導体基板にマイクロマシニング技術を用いて形成し、このセンサ素子上に、更にサーミスタや感温抵抗体を形成してやれば、吸気温度センサをセンサ素子上に一体化して設けることができ、この結果、更にコストを抑えることができる。

そこで、センサ素子に吸気温度センサを設けた従来技術による熱式空気流量計の一例について説明すると、ここで、図２０は、従来技術の平面図で、図２１は、図２０におけるＡ−Ａ線による断面図で、図２２は、同じくＢ−Ｂ線による断面図であり、これらの図において、まず、１はセンサ素子を表わす。

更に、２は半導体基板、３、４はダイアフラム部分、５は発熱抵抗体、６ａ、６ｂは測温抵抗体、７、８は空洞部、９は温度補償抵抗体、１０は電気絶縁膜、１１は吸気温度センサ用抵抗体、１２ａ〜１２ｊは端子電極部である。

ここで、矢印ｆは、このセンサ素子１に対して被計測流体(吸入空気)が流れる方向を表しており、従って、これらの図では、左が上流側になり、右が下流側になる。

そして、図２１と図２２に示すように、半導体基板２の一方の面から空洞部７、８を形成し、これらの空洞部７、８を塞いだ状態で他方の面に電気絶縁膜１０を設け、これによりダイアフラム部分３、４を形成し、ダイアフラム部分３には発熱抵抗体５と測温抵抗体６ａ、６ｂを配置し、ダイアフラム部分４には吸気温度センサ用の抵抗体１１を配置している。

このとき、測温抵抗体６ａは、発熱抵抗体５の上流側に隣接して配置され、下流側には、測温抵抗体６ｂが、同じく発熱抵抗体５に隣接して配置されている。

ここで、このセンサ素子１により空気流量を測定するためには発熱抵抗体５に通電し、電気的に加熱する。このとき発熱抵抗体５の温度は、温度補償抵抗体９の温度、すなわち被計測流体の温度(≒半導体基板２の温度)よりも一定温度高くなるように制御される。

そして、この状態で、発熱抵抗体５の上下流に配置された一対の測温抵抗体６ａ、６ｂの温度差変化を計測するのであるが、ここで、いま、空気が流れていないとすると、このときには、ダイアフラム部分３上の温度分布は発熱抵抗体５を中心に上流側と下流側とで対称になり、この結果、測温抵抗体６ａと測温抵抗体６ｂは同一の温度になるため、抵抗値に違いは生じない。

しかし、空気が矢印ｆ方向に流れたとすると、上流側の測温抵抗体６ａは、そのまま空気流に曝されるので多く冷却され、温度が低下するが、下流側の測温抵抗体６ｂは、発熱抵抗体５により加熱された空気に曝されるので、あまり冷却されず、温度の低下は少ない。

そこで、測温抵抗体６ａと測温抵抗体６ｂには空気流量に応じた温度差が生じ、この結果、抵抗値にも空気流量に対応した差が生じるので、この抵抗値の差を検出し、空気流量を測定するのである。

一方、吸気温度は、吸気温度センサ用の抵抗体１１により測定するようになっており、このため、抵抗体１１は予め抵抗温度係数が大きな抵抗材料で作られている。従って、この抵抗体１１の抵抗値変化から吸気温度を測定することができる。

このとき、この吸気温度センサ用の抵抗体１１は、図２２に示されているように、空洞部８を電気絶縁膜１０で覆って形成したダイアフラム部分４上に配設され、これにより熱容量を抑え、吸気温度変化に対する応答性の向上が図られるようにしてある。

ところで、エンジンの吸気管内は、例えばバックファイアーの発生などにより圧力が急激に上昇することがあるが、この場合、熱式空気流量計のセンサ素子には、大気圧のほとんど２倍近い圧力が加わることがあり、大きな機械的ストレスを受けることがあるが、このような状況においても、センサ素子は長期間破損しないことが要件となる。

ここで、製造工程において、センサ素子のダイアフラム部分部に損傷があるなどの不良品が存在することがあるが、このような不良品をエンジンに搭載して稼動させると、前記のような過酷な圧力条件に対しては耐久性が十分でないために、稼動後早々に故障してしまう。

従って、熱式空気流量計のダイアフラム部分不良は、このような初期故障の重大な原因のひとつであり、このため、製造過程で不良品を選別する必要があり、スクリーニングを行なって選別するのが通例であるが、こごて、熱式空気流量計のセンサ素子の場合、このスクリーニングは、ダイアフラム部分の一方の面から加圧し、所定の応力をダイアフラム部分に与えることにより得られる。

そこで、例えば、半導体マイクロマシニングプロセスにおいて、ダイシング前のウエハの段階でセンサ素子のダイアフラム部分が形成された個所の空洞部を密封し、高圧の環境試験装置に置き、ダイアフラム部分の一方の面と他方の面に圧力差を発生させ、ダイアフラム部分に応力が加わるようにし、損傷がある不良品の場合にはダイアフラム部分が破壊されてしまうようにするのである。

この方法によれば、大量のセンサ素子を一時に同時に試験し、選別できるので、効率的なスクリーニングが容易に実施でき、不良品のないセンサ素子の提供に有効である。
特開２００１−３４９７５９号公報

上記従来技術は、熱式流量計のセンサ素子上に、吸気温度を測定する温度センサを形成した際に発生する課題について配慮がされておらず、不良品のないセンサ素子の提供に問題があった。

上記した従来技術で説明したように、センサ素子１上に吸気温度センサ用の抵抗体１１を形成した場合、発熱抵抗体５と測温抵抗体６ａ、６ｂが形成されたダイアフラム部分３と、抵抗体１１が形成されたダイアフラム部分４の２枚ダイアフラム部分がセンサ素子１に存在してしまうことになる。

そうすると、従来技術ではダイアフラム部分の大きさがそれぞれ異なっているため、スクリーニングにおいてダイアフラム部分ごとに圧力を変化させなければならないが、センサ素子は大きさが数ｍｍと微小なため、ダイアフラム部分ごとに圧力を調整することは、ほとんど不可能に近く、十分なスクリーニングを得ることができない。

このとき、一方のダイアフラム部分だけに最適な条件となるような圧力を選択してスクリーニングしたとすると、他方のダイアフラム部分には過大な圧力になって寿命を縮めてしまうか、反対に圧力が不足しスクリーニングが不十分になってしまうので、いずれにしても不良品のないセンサ素子の供給は望めない。

本発明の目的は、センサ素子のスクリーニングによる的確な良否選別が容易に得られるようにした熱式空気流量計を提供することにある。

上記目的は、半導体基板の空洞部に絶縁膜で形成した複数のダイアフラム部を備え、前記ダイアフラム部の一方に流量計測用の測温抵抗体を配置し、他方に吸気温度計測用の抵抗体を配置してセンサ素子とした熱式空気流量計において、前記各ダイアフラム部の面方向の圧力差により当該各ダイアフラム部に発生する応力が、前記一方のダイアフラム部と前記他方のダイアフラム部で略同一になるようにして達成される。

また、上記目的は、半導体基板の空洞部に絶縁膜で形成した複数のダイアフラム部を備え、前記ダイアフラム部の一方に流量計測用の測温抵抗体を配置し、他方に吸気温度計測用の抵抗体を配置してセンサ素子とした熱式空気流量計において、前記各ダイアフラム部の平面形状が何れも短辺と長辺を備えた長方形に作られ、前記他方のダイアフラム部の短辺の寸法が、前記一方のダイアフラム部の短辺の寸法の０．９倍から１．１倍に選ばれているようにしても達成される。

同じく上記目的は、半導体基板の空洞部に絶縁膜で形成した複数のダイアフラム部を備え、前記ダイアフラム部の一方に流量計測用の測温抵抗体を配置し、他方に吸気温度計測用の抵抗体を配置してセンサ素子とした熱式空気流量計において、前記ダイアフラム部の一方の平面形状は短辺と長辺を備えた長方形で、他方の平面形状は多角形であり、前記多角形の向かい合う辺の最小の寸法が、前記長方形の短辺の寸法の０．９倍から１．１倍に選ばれているようにしても達成される。

更に上記目的は、半導体基板の空洞部に絶縁膜で形成した複数のダイアフラム部を備え、前記ダイアフラム部の一方に流量計測用の測温抵抗体を配置し、他方に吸気温度計測用の抵抗体を配置してセンサ素子とした熱式空気流量計において、前記ダイアフラム部の一方の平面形状は短辺と長辺を備えた長方形で、他方の平面形状は複数の長方形を組み合わせた多角形であり、
前記多角形の向かい合う辺の最小の寸法が、前記長方形の短辺の寸法の０．９倍から１．１倍に選ばれているようにしても達成される。

このとき、前記ダイアフラム部の一方において、このダイアフラム部の周縁から当該ダイアフラムに配置した前記測温抵抗体までの距離と、前記ダイアフラム部の他方において、このダイアフラム部の周縁から当該ダイアフラムに配置した前記吸気温度計測用の抵抗体までの距離が同じであるようにしても、やはり上記目的を達成することができる。

また、このとき、前記ダイアフラム部の一方の周縁部の表面と、前記ダイアフラム部の他方の周縁部の表面に有機材料からなる保護膜が形成されているようにしてもよい。

更に、このとき、前記センサ素子は、前記半導体基板上に当該センサ素子を駆動するための制御手段を備えているようにしても良く、前記センサ素子から空気流量に関する情報と空気温度に関する情報を入力し演算結果を出力する演算器を備えているようにしてもよい。

また、このとき、前記演算器が外部から書き込み可能なメモリを搭載し、前記演算器は、このメモリに記憶した情報を用いて演算するようにしてもよく、同じくここで、前記演算器が、その内部若しくはその周辺に温度センサを搭載し、前記演算器は、前記温度センサにより検出した温度情報に基いて演算するようにしてもよい。

同じく、このとき、前記制御手段と前記演算器が前記センサ素子の半導体基板に搭載されているようにしてもよく、更に前記半導体基板は、前記ダイアフラム部と前記制御手段及び前記演算器の間に凹部を備えているようにしてもよい。

長方形のダイアフラム部分に圧力が加わると特にダイアフラム部分の周縁部に最大応力が加わる。周縁部でも特に長辺側の中心部において、特に応力が大きくなる。

この応力は、ダイアフラム部分の長辺の長さを変化させた場合よりも短辺の長さを変化させたときの方が大きく変化する。これは、ダイアフラム部分に加わる最大応力は、短辺の長さに大きく依存していることを示している。

従って、長方形の形状をした第１のダイアフラム部分と第２のダイアフラム部分の短辺の長さをほぼ同じ長さにすることにより、それぞれのダイアフラム部分に加わる最大応力を同じにすることができ、センサ素子上に形成した複数のダイアフラム部分に対して最適な圧力で一度に大量のセンサ素子をスクリーニングすることができる。

また、上記の場合は、ダイアフラム部分の形状は長方形としたが、この限りではない。前記の目的を達成するためにはセンサ素子周辺の圧力が変動したときにダイアフラム部分に加わる最大応力を同じにすることが重要であり、他の形状でも上記のように最大応力に依存する長さがありこれを統一する構成とすれば、同様な効果が得られる。

また、センサ素子周辺の圧力が変動したときにダイアフラム部分に加わる最大応力が同じであれば、徐々に周囲圧力を上昇させてダイアフラム部分の応力を大きくしてゆくと、すべてのダイアフラム部分はほぼ同じタイミングで破壊するということでもある。従って、同じ周囲圧力でダイアフラム部分が破壊する形状としても、同様な効果が得られる。

本発明によれば、最適な圧力で一度に大量のセンサ素子についてスクリーニングが得られるので、量産性に富み、信頼性と測定精度に優れた熱式空気流量計を提供することができる。

以下、本発明による熱式空気流量計について、図示の実施の形態により詳細に説明する。

図１は、本発明による熱式空気流量計の第１の実施形態に係るセンサ素子の平面図で、図２は、図１のＣ−Ｃ線による断面図で、図３は同じくＤ−Ｄ線による断面図であり、ここで１９が熱式空気流量計のセンサ素子を表わす。

これらの図において、センサ素子１９は、全体が単結晶ケイ素(Ｓi)板の半導体基板２０をベースとして形成され、この半導体基板２０に空洞部２１と空洞部２２が形成されているが、このとき、これら空洞部２１と空洞部２２は、何れも平面形状が長方形の孔として形成されている。

ここで、矢印ｆは、このセンサ素子１９に対して被計測流体(吸入空気)が流れる方向を表しており、従って、これらの図では、左が上流側になり、右が下流側になる。

そして、空洞部２１の一方の面にはダイアフラム部分２３が、空洞部２２の一方の面にはダイアフラム部分２４が形成されているが、このとき、まず、ダイアフラム部分２３は、半導体基板２０の一方の面(図２では上面)に設けてある電気絶縁膜２５が空洞部２１を覆っている部分により形成されている。

この電気絶縁膜２５は二酸化ケイ素(Ｓi Ｏ₂)の薄膜で作られており、従って、ダイアフラム部分２３も二酸化ケイ素(Ｓi Ｏ₂)の薄膜で作られ、その表面に発熱抵抗体２６と測温抵抗体２７ａ、２７ｂが形成してあり、このとき、一方の測温抵抗体２７ａは、発熱抵抗体２６の上流側に隣接して配置され、下流側には、他方の測温抵抗体２７ｂが、同じく発熱抵抗体２６に隣接して配置されている。

また、ダイアフラム部分２４も、半導体基板２０の一方の面(図３では上面)に設けてある電気絶縁膜２５が空洞部２２を覆っている部分により形成され、このダイアフラム部分２４の表面に被計測流体の温度を測定するための吸気温度センサとなる抵抗体２８が形成してある。

そして、まず、発熱抵抗体２６は、不純物ドープ処理された多結晶又は単結晶のケイ素の薄膜で形成され、これにより、所定の抵抗値と抵抗温度係数をもつように作られている。

次に、測温抵抗体２７ａ、２７ｂも、同じく不純物ドープ処理された多結晶又は単結晶のケイ素の薄膜で形成され、これにより所定の抵抗値と抵抗温度係数をもつように作られている。

更に、吸気温度センサとなる抵抗体２８も、同じく不純物ドープ処理された多結晶又は単結晶のケイ素の薄膜で形成され、これにより所定の抵抗値と抵抗温度係数をもつように作られている。

次に、図１において、３０は温度補償抵抗体で、発熱抵抗体２６の温度補償用であり、この温度補償抵抗体３０も、不純物ドープ処理された多結晶又は単結晶のケイ素の薄膜により、所定の抵抗値と抵抗温度係数をもつように作られたものである。

そして、センサ素子１９の一方の端部(図１では下側の端部)には、各抵抗体の端子電極部２９ａ〜２９ｊが電気絶縁膜２５の表面に形成されている。そして、これらの端子電極部２９ａ〜２９ｊは、アルミニウム(Ａｌ)、金(Ａｕ)などの薄膜パッドで形成されている。

このセンサ素子１９により空気流量を測定するには、発熱抵抗体２６に通電し、電気的に加熱して温度を上げて使用する。このとき、発熱抵抗体２６の温度は、温度補償抵抗体３０の温度、すなわち矢印ｆで表される被計測流体の温度よりも常に一定の温度だけ高くなるように制御され、この状態で、発熱抵抗体２６の上流と下流に配置された一対の測温抵抗体２７ａ、２７ｂの温度差変化を計測することにより空気流量が計測される。

詳しく説明すると、まず、被計測流体である空気が流れていないときには、ダイアフラム部分２３上の温度分布は発熱抵抗体２６を中心に上流側と下流側で対称になる。このように対称であれば、測温抵抗体２７ａと測温抵抗体２７ｂは同一の温度になるため温度差は生じない。

一方、空気が矢印ｆ方向に流れたとすると、上流側の測温抵抗体２７ａは空気流に直接曝されるので、より冷却され、下流側の測温抵抗体２７ｂは発熱抵抗体２６により加熱された空気に曝されるので、それほど冷却されない。

従って、測温抵抗体２７ａは測温抵抗体２７ｂよりも低い温度になり、空気流量に応じて温度差が生じる。

また、被計測流体が矢印ｆとは反対方向に流れた場合は、測温抵抗体２７ｂが測温抵抗体２７ａより低い温度になる。従って、測温抵抗体２７aと測温抵抗体２７ｂの温度を比較することにより、流れの方向が判別できる。

次に、センサ素子１９を駆動するための回路構成について、図４により説明すると、まず、図４(A)は、発熱抵抗体２６を温度制御するための回路で、図示のように、発熱抵抗体２６と温度補償抵抗体３０に加えて、固定抵抗３１、３２と、差動増幅器３３、トランジスタ３４、それに電源３５によって構成されている。

そして、発熱抵抗体２６と温度補償抵抗体３０、それに固定抵抗３１と固定抵抗３２によりブリッジ回路を構成し、ブリッジの差電圧を差動増幅器３３で検出し、電源３５からブリッジに供給される電流をフィードバック制御するようになっていて、このフィードバック制御により、トランジスタ３２から発熱抵抗体５に供給される電流が制御される。

このとき発熱抵抗体２６は、所定の抵抗温度係数を有しているため、トランジスタ３４から供給される電流によって発熱し温度が上昇するので、抵抗値が変化する。そこで、或る所定の温度でブリッジ回路がバランスし、下記の(1)式を満たすようになる。ここで、添え字のＲは、図４(A)の各抵抗の抵抗値を表わしている。

Ｒ２６／Ｒ３１＝Ｒ３０／Ｒ３２ ……(1)
この(1)式は、温度補償抵抗体３０の温度、すなわち被計測流体の温度が上昇し、Ｒ３０が大きくなれば発熱抵抗体２６の抵抗値Ｒ２６も大きくなることを表し、従って、発熱抵抗体２６の温度は、被計測流体の温度よりも常に一定の温度ΔＴｈだけ高くなるように制御される。そして、このときの温度ΔＴｈは、固定抵抗３１、３２の抵抗値を選ぶことにより任意に設定できる。

次に、図４(B)は、測温抵抗体２７ａと測温抵抗体２７ｂの温度差による抵抗値の差を検出し、空気流量に関する信号を出力する回路で、図示のように、測温抵抗体２７ａ、２７ｂと電源３６により構成され、測温抵抗体２７ａと測温抵抗体２７ｂの直列回路に電源３６を接続したものである。

測温抵抗体２７ａ、２７ｂは発熱抵抗体２６の近傍の上流と下流に配置されているため、センサ素子１９上を矢印ｆで示すように空気流が流れると、発熱抵抗体２６の上流にある測温抵抗体２７ａは冷却され抵抗値が下る。

一方、発熱抵抗体２６の下流にある測温抵抗体２７ｂは、発熱抵抗体２６により温められた空気に曝されるので冷却され難く、抵抗値はほとんど変化しない。従って、これらの測温抵抗体２７ａ、２７ｂを直列接続し、抵抗値の差を電圧差として取り出すことにより、空気流量に応じた信号が得られることになる。

次に、図４(C)は、抵抗体２８の抵抗値変化から被計測流体の温度に関する情報を出力する回路で、これは、抵抗体２８と固定抵抗３８、それに電源３７で構成されている。

このとき、吸気温度センサとして働く抵抗体２８は、所定の抵抗温度係数を有しているので、被計測流体の温度が変化すると抵抗値が変化する。従って、固定抵抗３８と直列に電源３７に接続し、抵抗体２８と固定抵抗３８の接続点の電圧を取り出すことにより、被計測流体の温度に関する信号を出力させることができる。

次に、このセンサ素子１９をエンジンの吸気管路に取り付け、熱式空気流量計により吸入空気流量を測定するようにした場合について、図５により説明する。ここで、この図５は、センサ素子１９を吸気管路に実装した場合の断面図である。

この図５において、吸入空気は、矢印ｆで示すように、吸気管路の主通路３９の中に流通されるようになっており、センサ素子１９は、この主通路３９内に突出した副通路４０の中に設置される。そして、この副通路４０を構成している部材４１は、ケーシング４２によって支持されている。

このとき、ケーシング４２は、取付支持部４５により吸気管路の壁面４６に取付けられているが、このケーシング４２の中には回路基板４３が設置してあり、この回路基板４３に、センサ素子１９を駆動し流量信号を取出すための駆動回路が搭載されている。

そこで、センサ素子１９は、ケーシング４２に機械的に支持され、回路基板４３の駆動回路には、ボンディングワイヤ４４などにより電気的に接続されている。

そして、このセンサ素子１９を備えた熱式空気流量計により計測した空気流量信号はコネクタ４７を介して取り出され、図示してないエンジン制御用コンピュータに供給され、燃料供給量制御などに使用さるようになっている。

ここで、このような熱式空気流量計のセンサ素子の製造過程において、そのダイアフラム部分が十分な強度を有するか否かを試験して選別するスクリーニングについて説明すると、図６は、このスクリーニングのイメージ図で、ここでは複数のセンサ素子１９を加圧試験装置４８の中に持込み、一度に大量の素子に対するスクリーニングがえられるようになっている。

このとき、まず、センサ素子１９は、その裏面を粘着性シート４９などに密着させ、ダイアフラム部分２３の空洞部２１とダイアフラム部分２４の空洞部２２が周囲環境から密封されるようにした上で、図示のように、加圧試験装置４８内にある台の上に載置される。

次いで、この状態でポンプなどの加圧器を働かせ、加圧試験装置４８内の圧力Ｐを上昇させる。そうすると、空洞部２１、２２の内部が外部から密封されているため、ダイアフラム部分２３、２４に反りが発生する。

図７は、このスクリーニングによる加圧でダイアフラム部分に加わる応力の分布を示したもので、このとき、ダイアフラム部分２４には、潜在的な応力σ₀ と加圧によって発生した応力σ_p の和の応力σ(＝σ０＋σｐ)が加わが、このとき、ダイアフラム部分に加わる応力は、特にダイアフラム部分の端部で最大応力σ_m となることが判る。

次に、図８は、図７に示したダイアフラム部分の一次元による応力分布を平面図で二次元にして表したものであり、この二次元の平面図でみると、ダイアフラム部分の応力分布は、矩形をしたダイアフラム部分２４の長辺Ｌの中央付近のｄ点とｅ点で最大値σ_m になっており、従って、これらｄ点とｅ点の近傍が大きな応力かかる部分で、特に破壊しやすい箇所になっていることが判る。

次に、図９は、矩形のダイアフラム部分(図８)において、短辺寸法Ｗを固定し、長辺寸法Ｌを変化させたときにｄ点とｅ点に加わる応力を示したもので、横軸は、長辺寸法Ｌと短辺寸法Ｗの比となり、従って、Ｌ／Ｗ＝１はダイアフラム部分の形状が正方形のときで、Ｌ／Ｗ＞１では、ダイアフラム部分は長方形となり、その短辺の寸法はＷの一定値であり、Ｌ／Ｗ＜１では、短辺の寸法がＬとなり、短辺の長さが変化することになる。

そこで、この図９において、短辺の長さに注目して応力の関係を見ると、Ｌ／Ｗ＜１(短辺の長さが変化)ではｄ点とｅ点の応力σ_m が大きく変化しているが、Ｌ／Ｗ＝１を境にして、Ｌ／Ｗ＞１(短辺長さ固定)ではほとんど変化しないことが判る。

本発明は、このＬ／Ｗに対する応力変化に注目したもので、このため、図１に示したセンサ素子１９において、発熱抵抗体２６が配置されているダイアフラム部分２３の寸法Ｗ１としたとき、吸気温度センサ用の抵抗体２８が配置されているダイアフラム部分２４の寸法Ｗ２を寸法Ｗ１とほぼ同じ(Ｗ１≒Ｗ２)になるようにしたものである。

つまり、この場合、ダイアフラム部分２３とダイアフラム部分２４の短辺の長さを統一したことになり、これによって、スクリーニングによる加圧に際して、ダイアフラム部分２３、２４のそれぞれに加わる最大応力が同じになるようにしたものである。

また、このとき、図２において、空洞部２１を覆うように形成した電気絶縁膜２５の端から抵抗パターンまでの距離ｄ１と、図３に示した空洞部２１を覆うように形成した電気絶縁膜２５の端から抵抗パターンまでの距離ｄ２を同じにすることによって、更に、それぞれのダイアフラム部分２３、２４の電気絶縁膜２５に加わる応力を同じにすることができる。

従って、この実施形態によれば、スクリーニングによる加圧に際して、ダイアフラム部分ごとに圧力を調整する必要はなく、各ダイアフラム部分についての不良品の有無を１回のスクリーニングにより同時に確認することができる。

ここで、各ダイアフラム部分２３、２４に加わる応力は、電気絶縁膜２５の厚みによっても大きく変わる。従って、電気絶縁膜２５の厚みや抵抗パターンは、できるだけ同じような構造になるようにするのが望ましい。

なお、このとき、センサ素子１９に形成されたダイアフラム部分２３、２４に加わる応力を同じにするためには、それぞれのダイアフラム部分の形状と寸法を全く同じにするという方法も考えられ、この方法でも十分に目的が達成できるが、しかし、この場合は、ダイアフラム部分の形状に自由度がなくなってしまう。

しかるに、この実施形態では、長方形の短辺の長さだけを統一すればよいので、ダイアフラム部分の形状に自由度をもたせることができ、しかも、上記したように、一回のスクリーニングにより各ダイアフラム部分についての不良品の有無を確認することができる。

ここで、上記実施形態では、複数のダイアフラム部分について、その形状を長方形とし、短辺の長さをほぼ同じ(Ｗ１≒Ｗ２)にしているが、このとき短辺の長さが多少違っても許容範囲内なら十分であり、例えば、短辺の長さの差が±１０％以内、つまり短辺の長さの比が０．９倍から１．１倍であれば、十分に目的が達成できる。

次に、図１０は本発明の第２の実施形態で、これも熱式空気流量計のセンサ素子１９の概略平面図であり、図１１は、図１０におけるＥ−Ｅ線による断面図で、図１２は、同じくＦ−Ｆ線による断面図である。

そして、この第２の実施形態では、上記した第１の実施形態と同一の部分には同じ符号を付し、それらについての説明は省略し、第１の実施形態と相違する構成と特徴などについてだけ説明する。

この第２の実施形態に係るセンサ素子１９は、図１０と図１１、それに図１２から明らかなように、半導体基板２０の空洞部２１と空洞部２２を覆うようにして設けてある電気絶縁膜２５の表面に、更に有機材料からなる保護膜５０を設けたものであり、その他の点は、第１の実施形態と同じである。

ここで、この保護膜５０は、吸入空気中に砂などの粒子が塵埃として入り込み、ダイアフラム部分２４、２５に粒子が衝突してしまったとき、その衝突エネルギーを緩衝し、電気絶縁膜２５が破壊されるのを防ぐ働きをする。

従って、この第２の実施形態によれば、吸入空気中に塵埃が混入した場合でもセンサ素子１９が損傷を受ける虞れが少なく抑えられるので、更に信頼性の高い熱式空気流量計を提供することができる。

このとき、電気絶縁膜２５の表面でも、ダイアフラム部分２３の表面には発熱抵抗体２６と測温抵抗体２７ａ、１７ｂが形成されていて、ここでは吸入空気からの熱伝導が充分に得られるようにしておく必要があり、このため、ダイアフラム部分２３の表面には、図１１に示されているように、保護膜５０を設けないようにしてある。

ここで、この保護膜５０を形成する有機材料には、例えばポリイミドなどを用いているが、この場合、ポリイミドの耐熱性を考慮すると、連続使用温度は２５０℃以下に抑えておくことが望ましく、従って、この点でも、ポリイミドで保護膜５０を形成した場合には、上記したように、発熱抵抗体２６の表面は避けて保護膜５０を形成するのが望ましい。

また、この保護膜５０は、電気絶縁膜２５がダイアフラム部分２３を形成している部分では、図１１に示すように、空洞部２１の周辺部から若干、内側に入り込んだ形に形成してあるが、これは、ダイアフラム部分２３の周辺部が半導体基板２０に支持されているため、この部分では粒子の衝突エネルギーを吸収する能力が小さくなっていて、破壊されやすくなっているためであり、特に電気絶縁膜２５の破壊しやすいダイアフラム部分２３の周辺が保護膜５０によって保護されるようにしているのである。

一方、図１２のように、電気絶縁膜２５の表面で吸気温度センサ用の抵抗体２８が形成されている部分、つまりダイアフラム部分２４の表面には保護膜５０がそのまま抵抗体２８も含めてダイアフラム部分部の全面を覆うようにして形成してあるが、これは、吸気温度センサ用の抵抗体２８の場合、発熱はほとんどないからで、ダイアフラム部分の熱絶縁や保護膜５０を形成する有機材料の耐熱性を考慮しなくても良いためである。

このように、保護膜５０を形成した場合であっても、長方形の形状をした二つのダイアフラム部分２１、２２の短編の長さＷ１、Ｗ２をほぼ同じ長さにすることによって、各ダイアフラム部分に加わる応力を同じにすることができ、従って、上記したように、一回のスクリーニングにより各ダイアフラム部分についての不良品の有無を確認することができる。

ところで、以上の実施形態では、ダイアフラム部分の形状を長方形とし、その短辺の長さがほぼ同じになるようにしているが、他の形状にしても同じく目的を達成することができる。そして、この場合も、長方形における短辺のように、あるダイアフラム部分形状において電気絶縁膜に加わる応力がもっとも変化しやすい代表寸法が存在する。そこで、このことから、以下、他の形状による実施形態について説明する。

まず、第３の実施形態について、図１３を参照して説明する。ここで、この図１３も、熱式空気流量計のセンサ素子の概略平面図であり、ここでも、第１の実施形態と同一の部分には同じ符号を付して説明は省略し、第１の実施形態と相違する構成と特徴などについて説明する。

そして、この図１３に示す第３の実施形態に係るセンサ素子１９は、吸気温度センサ用の抵抗体２８が配置されたダイアフラム部分２４の形状を多角形にしたものであり、その他の点は、図１〜図３で説明した第１の実施形態の場合と同じである。

ここで、この第３の実施形態のように、ダイアフラム部分２４を多角形にした場合も、対抗する２辺の距離が最小となる寸法Ｗ２の大きさによって、電気絶縁膜のダイアフラム部分部分に加わる最大応力が変化する。

そこで、この対抗する２辺の距離が最小となる寸法Ｗ２を、長方形形状をしたダイアフラム部分２３の短辺寸法Ｗ１とほぼ同じにすることにより、各々ダイアフラム部分２３、２４に加わる応力を同じにすることができる。

従って、この第３の実施形態によっても、一回のスクリーニングにより各ダイアフラム部分２３、２４についての不良品の有無を同時に確認することができ、しかも、この場合ダイアフラム部分２４を多角形にしたことによって、ダイアフラム部分２４の機械的強度を増すことができる。

ところで、この第３の実施形態においても、第２の実施形態のように、電気絶縁膜２５び表面に有機材料からなる保護膜５０を形成してもよく、このような構成とすれば、保護膜によって、ダイアフラム部分２３、２４に衝突する粒子の衝突エネルギーを緩衝し、電気絶縁膜２５の破壊を防ぐことができるので、信頼性の向上を得ることができる。

次に、第４の実施形態について、図１４を参照して説明する。ここで、この図１４も、熱式空気流量計のセンサ素子の概略平面図であり、ここでも、第1の実施形態と同一の部分には同じ符号を付して説明は省略し、第１の実施形態と相違する構成及び特徴などについて説明する。

そして、この図１４に示す第４の実施形態に係るセンサ素子１９は、吸気温度センサ用の抵抗体２８が配置されたダイアフラム部分２４の形状を複数の長方形の組合わせからなる十字型多角形にしたものであり、その他の点は、図１〜図３で説明した第１の実施形態の場合と同じである。

ここで、この第４の実施形態のように、ダイアフラム部分２４の形状を十字型多角形にした場合も、図示のように、対抗する２つの頂点の距離が最小となる寸法Ｗ２の大きさによって、電気絶縁膜に加わる最大応力が変化する。

そこで、この対抗する２つの頂点の距離が最小となる寸法Ｗ２を、長方形形状をしたダイアフラム部分２３の短辺寸法Ｗ１とほぼ同じにすることにより、各々ダイアフラム部分２３、２４に加わる応力を同じにすることができる。

従って、この第４の実施形態によっても、一回のスクリーニングにより各ダイアフラム部分２３、２４についての不良品の有無を同時に確認することができ、しかも、この場合も、ダイアフラム部分２４を十字型多角形にしたことによって、ダイアフラム部分２４の機械的強度を増すことができる。

また、この第４の実施形態においても、第２の実施形態のように、電気絶縁膜２５び表面に有機材料からなる保護膜５０を形成してもよく、このような構成とすれば、保護膜によって、ダイアフラム部分２３、２４に衝突する粒子の衝突エネルギーを緩衝し、電気絶縁膜２５の破壊を防ぐことができるので、信頼性の向上を得ることができる。

次に、図１５は、第１〜第４のいずれかのセンサ素子１９を用いた熱式空気流量計において、一実施形態として、測定精度を向上させるための演算器５１を示したもので、この演算器５１は、図４(B)と図４(C)に示した回路から、空気流量信号と吸気温度信号を入力する入力部５１Ａと、これらの信号から高精度の空気流量及び吸気温度を計算する演算部５１Ｂ、演算結果を出力する出力部５１Ｃ、演算器５１の内部と近傍の温度を計測する温度センサ５１Ｄ、それに演算に必要な定数などが記憶され、且つ外部からデータの書き込みが可能なメモリ５１Ｅで構成されている。

そして、この演算器５１は、例えば、図５で示した熱式空気流量計の回路基板４３上など、熱式空気流量計の内部に設置されるが、このとき、図１６に示すように、センサ素子１９の半導体基板２０上に半導体プロセス加工により形成し、センサ素子１９と演算器５１を同一半導体基板による１チップ構造としてもよく、更には、図４(A)に記載の駆動回路も、同一の半導体基板に形成してもよい。

ここで、図１７は、図１６のＤ−Ｄ線による断面図で、このとき、図１６にも表されいるが、５３は、半導体基板２０の他方の面(図１６では下面)に形成さられている凹部(窪み)で、半導体基板２０のセンサ素子１９と演算器５１の間に横に並んで配置され、この部分で半導体基板２０の断面積を縮小させ、熱伝導を抑える働きをし、従って、これにより、演算器５１からセンサ素子１９に流入する熱を最小現に抑えることができる。

このような演算器５１を備えた構成とすることにより、空気流量、空気温度を計測する抵抗体と、これらの抵抗体を駆動する駆動回路、それに補正演算を行う回路などを同一の半導体基板上に形成することができ、量産性と測定精度に優れたセンサ素子となる。

ところで、このような熱式空気流量計を自動車のエンジン制御に適用した場合は、被計測流体である吸気の温度が−３０℃から８０℃程度にも変化する過酷な条件下でも計測精度が確保されるようにしなければならないが、ここで、図１８は、吸気温度が変化したとき熱式空気流量計に発生する計測誤差を示したもので、横軸に吸気温度を示し、縦軸には吸気温度２０℃を基準として各温度での計測誤差を示している。

このように、吸気温度が変化したときに発生する計測誤差は、空気流量に依存性があり、特に低流量域で計測誤差が大きくなり、従って、計測誤差は、吸気温度と流量の双方に依存性を持つ。このとき演算器５１は、このような被計測流体の流量と温度によって発生する計測誤差を補正し高精度な値を出力するものである。

まず、吸気温度が変化したとき発生する計測誤差は、予め計測しておくことができる。そこで、予め計測しておいた空気流量信号と吸気温度信号による測定誤差の関係を演算器５１内のメモリに記憶させておけば、条件に応じて空気流量信号を補正演算することができる。

このとき、図１６の実施形態で説明したように、センサ素子１９と演算器５１を同一の半導体基板２０に形成した場合、演算器５１の発熱が、吸気温度センサ用抵抗体２８に伝わり吸気温度の計測に影響を与える。そこで、これを改善するため、図１５の実施形態では、演算器５１の内部もしくは近傍に温度センサ５１Ｄを設置し、演算器５９の発熱がどの程度あるか計測して補正することができる。

従って、この場合は、吸気温度センサ用抵抗体２８に熱が伝わり誤差が生じたとしても、温度センサ５１Ｄからの情報に基いて演算部５１Ｂで補正することができるので、常に高精度の吸気温度信号を出力することができる。

このとき、上記した図１６と図１７で説明した凹部５３を備えた実施形態のばあいは、演算器５１からセンサ素子１９に流入する熱を最小現にすることができるので有利である。

ところで、図１８の吸気温度と測定誤差の空気流量をパラメータとした関係は、流量や温度が安定している定常状態での特性であり、従って、吸気温度が急激に変化した場合は、以後、しばらくは過渡状態が続く。

そして、この場合は、演算器５１での補正に問題が生じる場合があり、このことは、吸気温度センサ用抵抗体２８と、発熱抵抗体２６などが形成された流量測定部の熱容量に差がある場合、特に顕著である。

ここで、上記実施形態が、図１９は、吸気温度センサ用抵抗体２８と流量測定部の熱容量が異なるセンサ素子において、吸気温度が急激に変化したときの温度変化状態を示したもので、図１９の(A)は吸気温度、(B)は抵抗体２８の温度、そして(C)は発熱抵抗体２６の温度を表している。

既に説明したように、発熱抵抗値体２６の温度は、吸気温度よりも一定温度高くなるように制御されている。ここでは、図１９(C)に示すように、吸気温度よりも１５０℃、高い温度になるようにしてある。

そうすると、吸気温度が０℃から５０℃に変化した後、或る一定の時間ｔ１経過したときの温度は、図示のように、吸気温度は５０℃、吸気温度センサ温度は３０℃、発熱抵抗体の温度は１６５℃となるが、このような温度状態は、図１８に示した空気流量と吸気温度による測定誤差の関係には存在せず、従って、この場合、正しい補正演算を演算器５１により得ることができなくなってしまう虞れがある。

そこで、このような問題が起きないように、上記実施形態では、吸気温度センサ用の抵抗体２８は、発熱抵抗体２６が形成される部分と同様に、ダイアフラム部分構造としている。ダイアフラム部分構造とすることにより、熱容量を最小限にし吸気温度変化に高速に応答し追従するようにしている。

本発明による熱式空気流量計の第１の実施形態におけるセンサ素子の平面図である。 本発明による熱式空気流量計の第１の実施形態におけるセンサ素子の断面図である。 本発明による熱式空気流量計の第１の実施形態におけるセンサ素子の断面図である。 本発明による熱式空気流量計の第１の実施形態における回路図である。 本発明による熱式空気流量計の第１の実施形態におけるセンサ素子の実装構造を示す説明図である。 熱式空気流量計のセンサ素子のダイアフラム部分を加圧試験する装置の説明図である。 熱式空気流量計用センサ素子においてダイアフラム部分に加わる一次元応力分布の説明図である。 熱式空気流量計用センサ素子においてダイアフラム部分に加わる二次元応力分布の説明図である。 熱式空気流量計用センサ素子においてダイアフラム部分に加わる応力の寸法依存を示す説明図である。 本発明による熱式空気流量計の第２の実施形態におけるセンサ素子の平面図である。 本発明による熱式空気流量計の第２の実施形態におけるセンサ素子の断面図である。 本発明による熱式空気流量計の第２の実施形態におけるセンサ素子の断面図である。 本発明による熱式空気流量計の第３の実施形態におけるセンサ素子の平面図である。 本発明による熱式空気流量計の第４の実施形態におけるセンサ素子の平面図である。 本発明による熱式空気流量計の温度補正用演算器の一実施形態を示す構成図である。 本発明による熱式空気流量計の第５の実施形態におけるセンサ素子の平面図である。 本発明による熱式空気流量計の第５の実施形態におけるセンサ素子の断面図である。 熱式空気流量計の吸気温度変化による流量測定誤差特性の一例を示す特性図である。 熱式空気流量計のセンサ素子による過渡温度変化を説明するための特性図である。 従来技術の熱式空気流量計におけるセンサ素子の一例を示す平面図である。 従来技術の熱式空気流量計におけるセンサ素子の一例を示す断面図である。 従来技術の熱式空気流量計におけるセンサ素子の一例を示す断面図である。

符号の説明

１９：センサ素子
２０：半導体基板
２１、２２：空洞部
２３、２４：ダイアフラム部分
２５：電気絶縁膜
２６：発熱抵抗体
２７ａ、２７ｂ：測温抵抗体
２８：抵抗体(吸気温度センサ用の抵抗体)
２９ａ〜２９ｊ：端子電極部
３０：温度補償抵抗

Claims (12)

1. 半導体基板の空洞部に絶縁膜で形成した複数のダイアフラム部を備え、前記ダイアフラム部の一方に流量計測用の測温抵抗体を配置し、他方に吸気温度計測用の抵抗体を配置してセンサ素子とした熱式空気流量計において、
   前記各ダイアフラム部の面方向の圧力差により当該各ダイアフラム部に発生する応力が、前記一方のダイアフラム部と前記他方のダイアフラム部で略同一になるように構成されていることを特徴とする熱式空気流量計。
2. 半導体基板の空洞部に絶縁膜で形成した複数のダイアフラム部を備え、前記ダイアフラム部の一方に流量計測用の測温抵抗体を配置し、他方に吸気温度計測用の抵抗体を配置してセンサ素子とした熱式空気流量計において、
   前記各ダイアフラム部の平面形状が何れも短辺と長辺を備えた長方形に作られ、
   前記他方のダイアフラム部の短辺の寸法が、前記一方のダイアフラム部の短辺の寸法の０．９倍から１．１倍に選ばれていることを特徴とする熱式空気流量計。
3. 半導体基板の空洞部に絶縁膜で形成した複数のダイアフラム部を備え、前記ダイアフラム部の一方に流量計測用の測温抵抗体を配置し、他方に吸気温度計測用の抵抗体を配置してセンサ素子とした熱式空気流量計において、
   前記ダイアフラム部の一方の平面形状は短辺と長辺を備えた長方形で、他方の平面形状は多角形であり、
   前記多角形の向かい合う辺の最小の寸法が、前記長方形の短辺の寸法の０．９倍から１．１倍に選ばれていることを特徴とする熱式空気流量計。
4. 半導体基板の空洞部に絶縁膜で形成した複数のダイアフラム部を備え、前記ダイアフラム部の一方に流量計測用の測温抵抗体を配置し、他方に吸気温度計測用の抵抗体を配置してセンサ素子とした熱式空気流量計において、
   前記ダイアフラム部の一方の平面形状は短辺と長辺を備えた長方形で、他方の平面形状は複数の長方形を組み合わせた多角形であり、
   前記多角形の向かい合う辺の最小の寸法が、前記長方形の短辺の寸法の０．９倍から１．１倍に選ばれていることを特徴とする熱式空気流量計。
5. 請求項１から請求項４に記載の何れかの熱式空気流量計において、
   前記ダイアフラム部の一方において、このダイアフラム部の周縁から当該ダイアフラムに配置した前記測温抵抗体までの距離と、前記ダイアフラム部の他方において、このダイアフラム部の周縁から当該ダイアフラムに配置した前記吸気温度計測用の抵抗体までの距離が同じであることを特徴とする熱式空気流量計。
6. 請求項１から請求項４に記載の何れかの熱式空気流量計において、
   前記ダイアフラム部の一方の周縁部の表面と、前記ダイアフラム部の他方の周縁部の表面に有機材料からなる保護膜が形成されていることを特徴とする熱式空気流量計。
7. 請求項１から請求項４に記載の何れかの熱式空気流量計において、
   前記センサ素子は、前記半導体基板上に当該センサ素子を駆動するための制御手段を備えていることを特徴とする熱式空気流量計。
8. 請求項１から請求項４に記載の何れかの熱式空気流量計において、
   前記センサ素子から空気流量に関する情報と空気温度に関する情報を入力し演算結果を出力する演算器を備えていることを特徴とする熱式空気流量計。
9. 請求項８に記載の熱式空気流量計において、
   前記演算器が外部から書き込み可能なメモリを搭載し、前記演算器は、このメモリに記憶した情報を用いて演算することを特徴とする熱式空気流量計。
10. 請求項８に記載の熱式空気流量計において、
    前記演算器が、その内部若しくはその周辺に温度センサを搭載し、
    前記演算器は、前記温度センサにより検出した温度情報に基いて演算することを特徴とする熱式空気流量計。
11. 請求項７又は請求項８に記載の熱式空気流量計において、
    前記制御手段と前記演算器が前記センサ素子の半導体基板に搭載されていることを特徴とする熱式空気流量計。
12. 請求項１１に記載の熱式空気流量計において、
    前記半導体基板は、前記ダイアフラム部と前記制御手段及び前記演算器の間に凹部を備えていることを特徴とする熱式空気流量計。

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