CN101493349A - 热式流量传感器 - Google Patents

Abstract

一种在热式流量计，减小温度检测用的发热电阻体的劣化的同时，减小来自安装构件的应力影响，从而能够长时间维持测定精度。在隔膜(4)上配置电阻体(6)和发热电阻体(6)周边的发热电阻体(7)，并且在偏离隔膜(4)的位置配置感温电阻体(8、9、10)，其中由发热电阻体(7)和感温电阻体(8、9、10)形成桥电路，来进行发热电阻体(7)和发热电阻体(6)的温度控制。另外，在隔膜(4)与电极(15a～15f)之间形成背面沟(17a、17b)。

Description

热式流量传感器

本申请是申请号为“200710001728.6”，申请日为2007年1月16日，发明名称为“热式流量传感器”之申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及使用具有温度依赖性的发热电阻体(感温电阻体)来检测空气等待测定流体的流量的热式流量传感器。

背景技术

热式流量传感器，对流过发热电阻体的电流进行控制，以使被待测定流体夺取热量的发热电阻体与温度补偿电阻体之间的温度差保持恒定的温度差。为了进行该电流控制，该热式流量传感器具备：包括发热电阻体和温度补偿电阻体的桥电路；和驱动电路(工作放大电路、晶体管)，其控制该桥电路的中点电位差使之成为零。

由于热式流量传感器能够直接测定质量流量，因此例如适于成为对汽车用引擎的吸入空气流量进行计测的传感器。另外，公知利用微机械(micromachine)加工技术在硅等的半导体基板上精密加工发热电阻体、温度补偿用的电阻体等感温电阻体的基板型的热式流量传感器。由于该硅基板型的热式流量传感器是小型、低功耗、低成本而备受瞩目。

例如在日本特开2004-012358号公报或者日本特开2004-340936号公报中记载了硅基板型热式流量传感器。

在上述公报中所记载的热式流量传感器将所述桥电路的所有的电阻以同一材料的电阻体形成在同一基板内。由此，构成桥电路的电阻体为相同的特性。如果条件相同则由于这些电阻体以相同比率来发生随时间的变化，因此桥电路的平衡不变。从而能够长时间维持测定精度。

然而，热式流量传感器中构成桥电路的电阻体之中一个为在高温下发热的发热电阻体、而剩余的电阻体(感温电阻体)为在大致常温下使用的电阻体。发热电阻体随着使用而发生热劣化，并且与剩余的电阻体相比容易劣化，从而传感器的特性发生变化。因发热电阻体的劣化而桥平衡发生变化。这种现象牵连到电阻体的温度差控制的误差甚至流量测定精度的降低。

特开2004-340936号公报中所记载的传感器，使用配置在发热电阻体附近的感温电阻体来检测发热电阻体的温度，并且根据该检测值来控制发热电阻体的温度。在该情况下，上述温度检测用的感温电阻体成为比发热电阻体低的温度，因此能够减小该感温电阻体的热劣化。但是，在该结构中由于从发热电阻体向感温电阻体的热传递发生延迟，因此在响应方面发生对应与此的延迟。另外，由于对驱动电路使用基准电源，所以受到基准电源的变动的影响。

此外，作为传感器的特性变化的主要原因有安装构件的应力的影响。很多热式流量传感器由粘接剂来固定传感元件。另外，为了保护用于从传感元件取出电信号的键合引线(Wire Bonding)而利用了环氧树脂等密封剂。

这些粘接剂或者密封剂随着周围的温度变化而膨胀/收缩，并且在传感元件发生应力。如果在传感元件发生应力，则应力加到形成在传感元件上的电阻体，从而电阻值发生变化。另外，所发生的应力的程度发生随时间变化。尤其在以硅等半导体来形成的电阻体时，压电电阻系数大且电阻变化大。这种电阻变化成为测定精度下降的原因。

专利文献1：日本国特开2004-012358号公报；

专利文献2：日本国特开2004-340936号公报。

发明内容

本发明目的在于提供一种能够维持传感元件的响应性的同时减小电阻体的热劣化，并且能够长时间维持良好的测定精度的热式流量传感器，或者提供一种通过减小加到传感元件上的应力的影响，能够长时间维持测定精度的热式流量传感器。

本发明的热式流量传感器通过以下技术方案来解决上述问题。

(1)首先为了减小因发热电阻体的劣化而产生的特性变动，提出如下的热式电阻体的流量传感器。

流量传感器具备：多个发热电阻体；和对提供给这些发热电阻体的发热用的电流进行控制的驱动电路。该驱动电路对所述多个发热电阻体中温度低的发热电阻体的电阻变化进行检测，并按照该电阻变化的检测值来控制向所述多个发热电阻体的供给电流。

热式流量传感器，通过使电阻体发热来进行流量计测。对电阻体而言越高温地发热其电阻劣化越大。为了减小劣化，如果将发热电阻体的温度设定为低温度，则由于传感器的灵敏度下降而并不理想。

对此，本发明检测多个发热电阻体之中的温度低的电阻体的电阻变化来进行发热电阻体整体的电流控制。从而，发热电阻体整体的发热量保持充分，并且能够长时间内抑制进行电流控制的比较低温的发热电阻体的热劣化。

(2)另外，作为本发明的热式流量计提出如下结构。

在热式流量传感器中具备：多个发热电阻体；和对提供给这些发热电阻体的发热用的电流进行控制的驱动电路。所述多个发热电阻体排列在待测定流体的流路中。所述驱动电路，检测所述多个发热电阻体中位于自排列中心偏离的位置的发热电阻体的电阻变化，并按照该电阻变化的检测值控制向所述多个发热电阻体的供给电流。

排列的多个发热电阻体具有温度分布，其中排列的中心部分成为高温、外侧(自中心偏离的位置)成为低温。从而，越靠近中心部分电阻劣化越大。根据本发明的结构，多个发热电阻体之中取出位于外侧的温度低的发热电阻体的电阻变化(按照流量的电阻变化)作为电信号。根据该信号对多个发热电阻体的供给电流进行控制，从而发热电阻体被温度控制。或者，即使采用在一个发热电阻体的多处位置形成取出电信号的电极，来取出温度低的外侧的一部分发热电阻体的电输出的结构，也得到与上述同样的效果。

(3)作为使用于上述(1)、(2)的热式流量计的优选电阻体电路提出为如下。

具备：第一串联电路，其至少包括第一电阻体和第二电阻体；第二串联电路，其至少包括第三电阻体和第四电阻体；桥电路，其通过并联连接所述第一串联电路与所述第二串联电路而构成；和第五电阻体，其与所述桥电路并联或串联连接。在这些电阻体中将第一至第四电阻体之中的任一个和第五电阻体作为发热电阻体。另外，检测所述桥电路中的发热电阻体的电阻值的变化，来控制全部发热电阻体的发热电流。

更详细而言，这些第一至第五电阻体形成在例如由硅等半导体构成的基板上。在该基板通过除去其一部分来形成薄壁部。第一至第五电阻体只要是具有电阻温度系数的材料则任何材料都可以，具体而言，例如可以使用多晶硅、单晶硅等半导体或者白金等金属。例如，将第一电阻体和第五电阻体配置在薄壁部，将第二、第三、第四电阻体配置在自薄壁部偏离的基板上。另外，第一电阻体在薄壁部上配置在第五电阻体的周边。如果以这种结构来施加电流，则第一电阻体和第五电阻体由于形成在热容量小的的薄壁部，因此与其他电阻体相比温度上升增大。从而，第一电阻体和第五电阻体主要作为发热电阻体动作。此外，由于将第一电阻体配置在第五电阻体的周边，因此存在第一电阻体的温度比第五电阻体低的倾向。即，存在发热电阻体之中位于中央的第五电阻体的区域温度最高，而由于其周边的发热电阻体区域与中央部分相比容易散发热而温度低的倾向。另外，如果按照使第一电阻体的发热量比第五电阻体小的方式设定第一电阻体的电阻值，则可以增大第一电阻体与第五电阻体之间的温度差。第二、第三、第四电阻体的电阻值随着待测定流体的温度而变化。另外，在该结构中，配置在薄壁部的电阻体并不限于第一电阻体和第五电阻体，即使将第二电阻体和第五电阻体配置在薄壁部也是同样的结构。在该情况下，第二电阻体和第五电阻体主要作为发热电阻体工作，第一、第三、第四电阻体主要检测待测定流体的温度。

或者，在所述电路中将这些第一、第四、第五电阻体配置在传感元件的薄壁部。此时，第一、第四电阻体配置在第五电阻体的周边。在该情况下，第一、第四、第五电阻体主要作为发热电阻体动作，第二、第三电阻体检测待测定流体的温度。

配置在薄壁部的电阻体不限于第一、第四、第五电阻体，即使将第二、第三、第五电阻体配置在薄壁部也是同样的结构。在该情况下，第二、第三、第五电阻体主要作为发热电阻体动作，第一和第四电阻体主要检测待测定流体的温度。

(4)进而，在上述结构中，在传感元件上将自薄壁部偏离而配置的电阻体也就是包括在桥电路中而检测待测定流体的温度的多个电阻体集中配置在传感元件上的大致相同的位置，由此实现高精度化。

(5)另外，需要传感器的高精度化时，将在桥电路内用作调整用的第六电阻体设置为如下。在传感元件上具备：第一串联电路，其包括第一电阻体和第二电阻体；和第二串联电路，其包括第三电阻体、第六电阻体和第四电阻体，并且，并联连接所述第一串联电路和所述第二串联电路而构成桥电路。另外，这些电阻体均以同一材料来形成在传感元件上，并且在传感元件上进行电连接。

(6)接下来，对于在应力加到传感元件时减少特性变动的结构进行说明。

热式流量传感器的传感元件，在半导体基板上以金属或者硅为材料形成电阻体。尤其以硅(多晶硅、单晶硅)来形成电阻体时，如果电阻体的压电电阻系数增大，并且应力加到半导体基板上，则电阻体的电阻值就会发生变化。

作为这种加上应力的方式，考虑如下的热式流量传感器。

在传感元件的基板例如以铝形成有电极焊盘。电极焊盘利用金属线等进行引线键合，来取出传感元件的电输出。由于这种电极焊盘或者金属线容易腐蚀、且强度不充分，因此用树脂等的保护剂来覆盖。于是，因保护剂的膨胀/收缩而在传感元件的基板发生应力。此外，因用于安装传感元件的构件的变形而通过保护剂在传感元件发生应力。

为了解决上述问题，将形成在基板上的电阻体和电极焊盘配置于在基板上彼此分离的位置。此外，在形成在传感元件上的电阻体和电极焊盘之间，形成用于缓和应力的传递的薄壁部。以下，对它们的具体方式进行说明。

在四边形的基板上，形成所述电阻体和在基板外取得的所述电阻体的电信号的电极焊盘，来计测流量的传感元件中，在将所述基板的短边设为W、将长边设为L时，所述电阻体形成在距电极焊盘W/2以上的位置。这里所讲的电阻体表示电阻为主的部分，并未规定用于配置电阻体的布线或者取出电信号的布线。此外，以电阻体来构成桥电路时，在距电极焊盘W/2以上的优选位置对电阻体进行接线。此外，在基板上形成薄壁部，并且在该薄壁部形成电阻体的结构中，距电极焊盘W/2以上的优选位置形成薄壁部。

或者，在基板上的形成有电阻体的区域与电极焊盘之间形成除去了基板的一部分的凹部(例如沟)。

(7)另外，形成在基板上的电阻体是在基板的长度方向(“L”方向流过电流的带状的电阻体R1与在宽度方向(“W”方向流过电流的带状的电阻体Rw的合成电阻，并且将R1与Rw的比率设为如下。

Rw∶R1＝πt∶π1

这里π1、πt是压电电阻系数。π1是电阻值随着在与贯通电阻体方向平行的方向所施加的应力而发生变化时的电阻变化率。πt是电阻值随着在与贯通电阻体方向垂直的方向所施加的应力而发生变化时的电阻变化率。

(发明效果)

通过采用如上所述的结构，减少因发热电阻体的劣化而产生的特性变化、和因应力的施加而产生的发热电阻体的特性变化的至少一个，从而可得到长时间保持测定精度的热式流量传感器。

附图说明

图1是第一实施方式中的传感元件的俯视图。

图2是第一实施方式中的传感元件的剖面图。

图3是第一实施方式中的传感元件的剖面图。

图4是第一实施方式中的传感元件的驱动电路。

图5是第一实施方式中的传感元件的温度分布。

图6是第一实施方式中的传感元件的驱动电路。

图7是第一实施方式中的传感元件的安装方式的俯视图。

图8是第一实施方式中的传感元件的安装方式的剖面图。

图9是表示第一实施方式中的感温电阻体的形状的俯视图。

图10是第一实施方式中的传感元件的驱动电路。

图11是第一实施方式中的传感元件的驱动电路。

图12是第三实施方式中的传感元件的俯视图。

图13是第三实施方式中的传感元件的驱动电路。

图14是第三实施方式中的传感元件的驱动电路。

图15是第三实施方式中的传感元件的驱动电路。

图16是第三实施方式中的传感元件的驱动电路。

图17是第四实施方式中的传感元件的俯视图。

图18是第四实施方式中的传感元件的驱动电路。

图19是第四实施方式中的传感元件的驱动电路。

图20是第四实施方式中的传感元件的驱动电路。

图21是第四实施方式中的传感元件的驱动电路。

图22是第五实施方式中的传感元件的俯视图。

图23是第五实施方式中的传感元件的驱动电路。

图24是第六实施方式中的传感元件的俯视图。

图25是第六实施方式中的传感元件的布局图。

图26是第二实施方式中的传感元件的驱动电路。

图中：1-传感元件；2-半导体基板；3-空洞部；4-隔膜；5-电绝缘膜；6、7-发热电阻体；8、9、10-感温电阻体；11-电绝缘膜；12a、12b-感温电阻体；13a、13b-感温电阻体；14-空气流；15a、15b、15c、15d-铝电极；16a、16b、16c、16d、16e、16f、16g、16h-铝电极；17a、17b-沟；19-差动放大电路；20-晶体管；21-驱动电路；22-安装基板；23-键合引线；24-密封剂；25-粘接剂；26-传感元件；27-隔膜；28、29、30-发热电阻体；31a、31b-感温电阻体；32a、32b-感温电阻体；33、34-感温电阻体；35-驱动电路；36-传感元件；38、39、40、41-发热电阻体；42a、42b-感温电阻体；43a、43b-感温电阻体；44-感温电阻体；45-驱动电路；46-传感元件；47-调整用电阻；48a、48b、48c、48d-铝电极；49-驱动电路；50、51-缓冲器；52-电阻；53-开关；54-开关控制电路。

具体实施方式

参照附图，说明应用本发明而成的热式流量传感器的实施例。

(第一实施例)

图1是表示本实施例中的热式流量传感器的传感元件的概略俯视图。图2是表示图1中的A-A剖面的概略图、图3是表示图1中的B-B剖面的概略图。在这些图中，传感元件1的底部(base)由如单晶硅(Si)板这种半导体基板2构成。通过对半导体基板2的一个面进行各向异性蚀刻在该半导体基板2中形成空洞部3。该空洞部3的平面形状为四边形。在空洞部3的一个面形成有隔膜(薄壁部)4。隔膜4由覆盖半导体基板2的一个面的电绝缘膜5形成。电绝缘膜5由通过热氧化或者CVD(ChemicalVapor Deposition)处理而形成的二氧化硅(SiO₂)构成。

在隔膜4上形成有发热电阻体6、7和感温电阻体12a、12b、13a、13b。在偏离基板2上的隔膜4的位置形成有感温电阻体8、9、10。这些电阻体均由电阻值随着温度发生变化的材料也就是具有温度依赖性的材料来形成。其中发热电阻体6、7配置在隔膜(薄壁部)4上，因此在此所产生的热难以散发到外部。从而发热达到高温。对偏离隔膜的其他电阻体8、9、10而言，所产生的热通过基板2容易散发，从而维持比较低的温度。感温电阻体8、9、10感应到空气温度。作为上述所有的电阻体的材料(发热电阻体、感温电阻体)例如使用多晶硅。多晶硅利用CVD等在电绝缘膜5上形成。通过蚀刻该多晶硅，来形成所希望的电阻体图案。

另外，通过热扩散或者离子注入的方法将磷(P)掺杂在多晶硅中，制成n型多晶硅，以达到所希望的电阻值/电阻温度系数。另外，本实施例的电阻体以多晶硅来形成，但是只要是具有电阻温度系数的材料则任何材料都可以。例如，也可由单晶硅、白金等金属来形成。为了保护这些电阻体，在电绝缘膜5和电阻体的上面形成电绝缘膜11。电绝缘膜11利用CVD等方法形成二氧化硅(SiO₂)。形成用于将各电阻体与驱动电路连接的铝电极15a～15d、16a～16h。

发热电阻体6和7并列排列在空气流14的方向。发热电阻体6设置在该排列的中央。发热电阻体7的图案形成为包围发热电阻体6的三方。即，发热电阻体7位于偏离排列的中心的位置。在本实施例中，检测该发热电阻体7的电阻变化，并且按照该电阻变化的检测值来控制向多个发热电阻体6和7的供给电流。对于用于供给该电流的驱动电路，使用图4在后面进行描述。

感温电阻体12a、12b和13a、13b配置在发热电阻体6、7的左右两侧，该排列与图1的空气流方向14一致。空气流方向14是自引擎的吸气管(未图示)的空气取入口朝向引擎(未图示)的方向。即，感温电阻体12a、12b配置在距发热电阻体6、7很近的上游，感温电阻体13a、13b配置在距发热电阻体很近的下游。

在半导体基板2的背面形成有凹部例如沟17a、17b。这些沟并列设置在上述电阻体(6-10、12a、12、13a、13b)的形成区域与上述电极(15a-15f、16a-16h)的形成区域之间。沟17a、17b与空洞3同样通过各向异性蚀刻而形成。

在图4(a)表示用于驱动传感元件1的驱动电路21。由发热电阻体7和感温电阻体8、9、10构成桥电路。桥电路是并联连接包括发热电阻体7(第一电阻体)和感温电阻体8(第二电阻体)的桥臂(第一串联电路)、和包括感温电阻体9(第三电阻体)和感温电阻体10(第四电阻体)的桥臂(第二串联电路)而构成的。该桥电路与发热电阻体6(第五电阻体)并联连接。将发热电阻体7与感温电阻体8的中间电压、和感温电阻体9与感温电阻体10的中间电压输入到差动放大电路19。

差动放大电路19介由晶体管20对流过桥电路的电流(尤其流过发热电阻体7的发热电流)进行反馈控制，以使上述桥电路的中间电压差为零。在该情况下，发热电阻体6也按照与桥电路的电阻比来供给控制电流。从而，介由晶体管20对全部发热电阻体(发热电阻体6和发热电阻体7)供给用于得到充分的发热量的发热电流。

发热电阻体6和7由发热电流而温度上升，并且电阻值按照温度发生变化。由桥电路来检测随着空气流量发生变化的发热电阻体7的温度，并且控制为使发热电阻体7与感温电阻体8～9之间的温度差成为恒定温度ΔT。

将发热电阻体7的电阻值设为R7、感温电阻体8的电阻值设为R8、感温电阻体9的电阻值设为R9、感温电阻体10的电阻值设为R10。另外，R7、R8、R9、R10是未施加(加热)电流时的电阻值。于是，发热电阻体7的温度决定为如下。

(式1)

$\mathrm{\ΔT}=\frac{(\frac{R_8}{R_7}\frac{R_9}{R_{10}}-1)}{\mathrm{\α}}...\left(1\right)$

这里ΔT是发热电阻体7与感温电阻体8、9、10之间的温度差。感温电阻体8、9、10检测待测定流体的温度。从而，(1)式表示发热电阻体7的温度比待测定流体的温度高ΔT(℃)。(1)式的α是发热电阻体7的电阻温度系数，在本实施方式中表示多晶硅的电阻温度系数。

图5表示对发热电阻体6和发热电阻体7供给电流并使之发热后的隔膜4的温度分布。由于发热电阻体7配置在发热电阻体6的周边，因此与发热电阻体6的温度T1相比发热电阻体7的温度T2低。在本实施方式中，采用了利用桥电路检测发热电阻体7的电阻变化的结构。从而，发热电阻体7的温度比较低而电阻劣化小，进而桥电路的电阻比(R8/R7)的变动减小。发热电阻体6成为高温而电阻劣化增大，但是对桥电路的电阻比不会带来影响。从而，能够长时间保持恒定的发热温度。

另外，如果按照使发热电阻体6的消耗功率(热容量)比发热电阻体7大的方式设定发热电阻体6的电阻值，则发热电阻体6与发热电阻体7之间的温度差增大，从而更有效。

此外，由于直接检测流过发热电阻体7的发热电流来进行发热电阻体的温度控制，所以缩短起动时的温度上升时间，并且比上述的特开2004-340936号公报中所记载的方式高速响应。此外，由于在驱动电路中未使用基准电源，所以可以避免因基准电源的电压变化而发生误差的问题。

感温电阻体12a、12b和13a、13b检测在空气流方向14中的发热电阻体6、7两侧(上游、下游)的温度差，并输出按照待测定流体的流量的电信号。如果流体流过，则受到发热电阻体6、7的热的影响，而下游侧的感温电阻体13a、13b的温度比发热电阻体的上游侧的感温电阻体12a、12b高，并且随着流量增大而其温度差增大。以上是顺流的情况，在逆流的情况下，感温电阻体13a、13b为上游侧、感温电阻体12a、12b处于下游侧，并且温度差与顺流的情况相比相反。在本实施例中，利用这种现象来检测流量。

图1表示感温电阻体12、12b和13a、13b的平面形状。

感温电阻体13a、13b与感温电阻体12a、12b为同一形状，并且被配置以发热电阻体6和7为中心为左右对称。

图4(b)表示上述感温电阻体12a、12b和13a、13b的驱动电路。

例如，如果待测定流体沿着箭头14方向流过传感元件1，则对感温电阻体12a、12b而言其温度下降、电阻值下降，相反对感温电阻体13a、13b而言其温度上升、电阻值上升。图4(b)所示的电路以感温电阻体12a、12b、13a、13b来构成桥电路。通过对该桥电路施加基准电压Vref，由此从按照待测定流体的电阻变化中可得到差动输出。该差动输出成为流量检测信号。

根据本实施方式，由于感温电阻体12a、12b和13a、13b感应到由发热电阻体6和7所形成的热，因此能够良好地维持传感灵敏度。而且，发热电阻体6、7的电流控制使用温度低的一方(热劣化少的一方)的发热电阻体7，因此能够进行传感器的发热控制进而能够减少测定上的性能下降。

如图6所示，本实施方式中的发热电阻体的驱动电路也可采用将桥电路的发热电阻体7和感温电阻体8的位置、以及感温电阻体9和感温电阻体10的位置设为与图1的实施例相反的电路结构。

在本实施方式中，发热电阻体7、感温电阻体8、9、10、和其他感温电阻体电阻在半导体基板2上均由多晶硅来形成。发热电阻体7与感温电阻体8它们的线宽度相同、并且弯曲角度和个数也相同。此外，感温电阻体9与感温电阻体10也是以同一材料形成，并且线宽度、弯曲角度和个数相等。由于以同一材料来形成，因此即使在材料的电阻值产生制造偏差，桥电路的电阻比也不会变动。此外，设为同一线宽度、同一弯曲个数。于是即使因过渡蚀刻而电阻体的线宽度变小，但是由于这些电阻体被大致同样地过渡蚀刻而形成为相同的线宽度，因此电阻比的变动小。

图7表示在安装用基板22上搭载传感元件1(半导体基板2)时的实施方式。在安装基板22上搭载有上述的传感元件1和驱动该传感元件1的驱动电路21。在图7中省略了对于传感元件1和驱动电路21的详细说明。为了将传感元件1与驱动电路21电连接，利用金属线等对形成在传感元件1上的铝电极15a～15d及16a～16h(参照图1)、和驱动电路21的电极制作键合引线23。此外，用密封剂24来覆盖键合引线23而对其进行保护。

图8表示图7中的C-C剖面。在安装基板22形成有用于设置传感元件1的凹部80。利用硅粘接剂等粘接剂25将传感元件1粘接在安装基板22。在传感元件1的一部分涂敷粘接剂25，传感元件1处于悬臂状态。密封剂24按照覆盖隐藏键合引线23的方式涂敷。

随着热式流量传感器的使用，铝电极15a～15d及16a～16h与键合引线23之间的接触部分劣化而接触电阻增加。在本实施方式中由发热电阻体7、感温电阻体8、9、10构成的桥电路在测定元件1的半导体基板2上接线(参照图1和图4(a)的接线部101～104)，在桥电路内不会加入键合引线的接触电阻。从而，即使键合引线劣化而接触电阻增加，也完全不会改变桥平衡。由于这种接线结构也可长时间维持良好的桥平衡状态，因此能够长时间持续进行良好的发热电阻体的恒定温度控制。

在如上所述的传感元件1的安装结构中，因粘接剂25或者密封剂24的热膨胀/热收缩而在传感元件1中发生应力。在没有顾及到这种应力的情况下，形成在传感元件1上的感温电阻体(包括发热电阻体)的电阻值发生变化。设置在传感元件1的背面的沟17a、17b完成缓和这种应力的功能。

即，如图8所示，沟17a、17b具有防止粘接剂25的流出的效果，粘接剂25不会比沟17b先流出。此外，能够将粘接剂25以稳定的形状来图符在传感元件1的背面。另外，沟17a、17b缓和从密封剂24或者粘接剂25所产生的应力，减小传递传感元件1上的电阻体。在实施方式中，例示了沟17a和17b这两个沟，但是也可将沟设为一个，或者设为两个以上。

通过形成上述沟17a、17b，尤其能够减小传感元件1的长度方向(图1的上下方向)的应力。针对传感元件1的宽度方向(图1的左右)方向的应力，通过将形成在传感元件1上的感温电阻体形成为下述形状来解决。

图9表示本实施方式中的感温电阻体12a、12b的平面形状。另外，感温电阻体13a、13b的平面形状也与感温电阻体12a、12b同一形状，从而在图9中省略图示。以发热电阻体6和7为中心左右对称。

感温电阻体13a、13b的形状是在图L方向电流流动的带状电阻体(R1)和在图中W方向电流流动的带状电阻体(Rw)的合成电阻。将R1和Rw的电阻值设为如下。

Rw∶R1＝|πt|∶|π1|

这里π1、πt是压电电阻系数。电阻值随着在与流过电阻体π1的电流方向平行的方向所施加的应力而发生变化时的电阻变化率。πt是电阻值随着在与电阻体流动方向垂直的方向所施加的应力而发生变化时的电阻变化率。例如，以n型多晶硅来形成电阻体时，π1与πt之间的关系为

π1∶πt＝-3∶1。

从而，将形状设为满足

Rw∶R1＝1∶3。

在W方向的应力σw加到上述形状的电阻体时，R1的电阻变化ΔR1和Rw的电阻变化ΔRw如下式所示。

(式2)

ΔR_l＝π_lR_lσ_w

$\mathrm{\Δ}{R}_w={\mathrm{\π}}_l{R}_w{\mathrm{\σ}}_w=-3{\mathrm{\π}}_t\frac{1}{3}{R}_l{\mathrm{\σ}}_w=-{\mathrm{\π}}_t{R}_l{\mathrm{\σ}}_w...\left(2\right)$

感温电阻体12a的电阻变化成为ΔRw+ΔR1＝0，从而不会因应力σw而发生电阻变化。

如上所述，能够利用传感元件的背面的沟来减小传感元件1的长度方向的应力，并且能够通过电阻体或者其他形状来减小传感元件1的宽度方向的应力影响。

本实施方式中，通过对传感元件1上的铝电极进行引线键合，来电连接传感元件1上的电阻体与驱动电路。

在本实施方式中，如图4、图6所示，将发热电阻体6与桥电路并联连接，但是如图10所示那样也可采用将发热电阻体6串联连接在桥电路与晶体管20之间的电路结构。此外，如图11所示那样也可采用将发热电阻体6连接在桥电路与地(Ground)之间的电路结构。

换而言之，图10和图11的实施例的发热电阻体驱动电路具备包括第一电阻体7和第二电阻体8的第一串联电路、包括第三电阻体9和第四电阻体10的第二串联电路；和并联连接上述第一串联电路与上述第二串联电路而成的桥电路，并且将第五电阻体6与桥电路串联连接。

(第二实施例)

在上述实施例中，通过用感温电阻体12a、12b和13a、13b来检测由发热电阻体6、7而形成的上游、下游的温度差，由此检测出流量，但是代替这种方式，也可将流过发热电阻体的电流变化变换为电信号来检测流量。例如，如图26所示，在发热电阻体6、7的上游对发热电流进行电压变换后从输出100中取出，从而可实现流量检测。此外，图26的电路除了输出100之外其他结构与图4(a)的驱动电路相同，因此对输出100以外的说明将省略。

(第三实施例)

图12表示本实施例中的传感元件26的俯视图。传感元件26的制造方法与第一实施例相同。此外，与第一实施方式同样在传感元件26形成隔膜(薄壁部)27。在隔膜27的区域形成发热电阻体28、29、30和感温电阻体31a、31b、32a、32b。在偏离隔膜27的位置形成感温电阻体33、34。如下所述，发热电阻体29相当于第一电阻体、发热电阻体30相当于第四电阻体、发热电阻体28相当于第五电阻体。

图13表示传感元件26的驱动电路35。通过由发热电阻体29(第一电阻体)和感温电阻体33(第二电阻体)构成的第一串联电路、和由感温电阻体34(第三电阻体)和发热电阻体30(第四电阻体)构成的第二串联电路来构成桥电路。此外，将发热电阻体28(第五电阻体)与上述桥电路并联连接。桥电路的差电压被输入到差动放大器19。差动放大器19的输出与上述的实施方式同样地成为晶体管20的基极电压，并且对流过桥电路的发热电流进行反馈控制。

在本实施例中，发热电阻体29(第一电阻体)和发热电阻体30(第四电阻体)被列入到桥电路，而温度大致相同。按照使发热电阻体28(第五电阻体)的消耗功率(发热量)比发热电阻体29、30大的方式设定发热电阻体28的电阻值。由此，能够使发热电阻体29、30的发热温度比较低，因此能够减小发热电阻体29、30的电阻劣化。从而，与第一实施例相同，由于检测电阻劣化小的发热电阻体29、30的电信号来进行发热电阻体的温度控制，从而能够长时间保持恒定的发热温度。

另外，本实施例由于通过发热电阻体29和发热电阻体30这两个温度信息来控制发热电阻体，因此能够进行检测灵敏度高且高精度的恒温度控制。此外，如图14所示那样也可采用：在桥电路的感温电阻体33与发热电阻体30之间连接晶体管20的发射极，并且在发热电阻体29与感温电阻体34之间连接地(GND)的电路结构。

在第一实施例中发热电流除了流入发热电阻体之外还流入三个感应电阻体，从而产生电力损失。在本实施例中由于感温电阻体为两个，因此可以将电力损失减少到2/3。

在本实施方式中，如图13、图14所示，将发热电阻体28(第五电阻体)与桥电路并联连接，但是如图15所示那样也可采用将发热电阻体28串联连接在桥电路与晶体管20之间的电路结构。此外，如图16所示那样也可采用将发热电阻体28连接在桥电路与地之间的电路结构。

(第四实施例)

图17表示本实施例的传感元件36的俯视图。传感元件36的制造方法与第一实施例相同。此外，与第一实施例同样在传感元件36形成隔膜37。在隔膜37的区域形成发热电阻体38、39、40、41和感温电阻体42a、42b、43a、43b。在偏离隔膜37的位置形成感温电阻体44。

图18表示传感元件36的驱动电路45。通过由发热电阻体(第一电阻体)39和感温电阻体(第二电阻体)44构成的第一串联电路、和由发热电阻体41(第二电阻体)和发热电阻体40(第二电阻体)构成的第二串联电路来构成桥电路。此外，将发热电阻体38(第五电阻体)与桥电路并联连接。桥电路的差电压被输入到差动放大器19。差动放大器19的输出成为晶体管20的基极电压，并且对流过桥电路的发热电流进行反馈控制。

在本实施例中发热电阻体40与发热电阻体41的温度大致相同。从而，是基于桥电路的发热电阻体39的电阻变化来控制发热电阻体的温度的结构。按照使发热电阻体38的消耗功率比发热电阻体39、40、41大的方式设定发热电阻体38的电阻值。由此，能够使发热电阻体39、40、41的发热温度比较低，因此能够较小发热电阻体39、40、41的电阻劣化。从而，与第一实施例同样，检测电阻劣化小的发热电阻体39、40、41的电信号来控制发热温度，因此能够长时间保持恒定的加热温度。

此外，如图19所示那样也可采用：在感温电阻体44与发热电阻体40之间连接晶体管20的发射极，在发热电阻体39与发热电阻体41之间接地的电路结构。

在第一实施例中，发热电流流过三个感温电阻体而产生电力损失。在本实施例中，由于感温电阻为一个，因此将电力损失减少到1/3，从而消耗功率比第二实施方式低。

在本实施方式中，如图18、图19所示，将发热电阻体28与桥电路并联连接，但是如图20所示那样也可采用将发热电阻体38串联连接在桥电路与晶体管20之间的电路结构。此外，如图21所示那样也可采用将发热电阻体38连接在桥电路与地之间的电路结构。

(第五实施例)

图22表示本实施例的传感元件46的俯视图。本实施例将调整用电阻47形成在与第一实施例同样的测定元件1。调整用电阻47形成在桥电路的感温电阻体9与感温电阻体10之间。此外，调整用电阻47由与发热电阻体6、7和感温电阻体8、9、10相同的多晶硅来形成。在基板上形成有用于取出调整用电阻46两端的电信号的铝电极48c、48d。其他结构与第一实施例的传感元件1相同。

图23表示传感元件46的驱动电路49。并联连接由发热电阻体7和感温电阻体8构成的串联电路、与由感温电阻体9、调整用电阻47和感温电阻体10构成的串联电路而形成桥电路。将发热电阻体6与桥电路并联连接。

驱动电路49包括缓冲器50、51、多级串联电阻52、开关53、差动放大电路19、晶体管20和开关控制电路54。

缓冲器50、51消除布线电阻的影响而检测调整用电阻体47的两端电压。开关53用于可变调整多级串联电阻52的分压比，并且由多个开关元件构成。开关元件例如通过使用MOS晶体管来能够进行电接通/断开。开关控制电路54对开关53发送电信号而接通/断开控制，从而选择任意的开关元件。

通过选择开关53的开关元件，将调整用电阻体47的两端电压由多级串联电阻52的分压比来调整。由此，能够任意调整输入到差动放大电路19的感温电阻体9与感温电阻体10的中间电压。根据本实施例，即使构成桥电路的电阻体的电阻值有偏差，也能够调整平衡。

此外，在从调整用电阻47的两端输入到缓冲器50、51的布线部上几乎不流过电流。从而，不会因键合引线等的接触电阻而破坏桥电路的平衡。此外，与第一实施方式同样，由于构成桥电路的电阻体在传感元件内部中被接线，因此在桥电路内不会加入引线键合的接触电阻。从而，不受引线键合的接触电阻的变化的影响，能够通过反馈控制使发热电阻体长时间保持的恒定温度。

(第六实施方式)

图24表示本实施例的传感元件55的俯视图。传感元件55搭载在形成有驱动电路的安装基板。此时为了将传感元件55与驱动电路电连接，使用金属键合引线。为了保护金属键合引线而涂敷环氧树脂等密封剂24。传感元件55的结构与第一实施例相同。

在本实施例中，在将传感元件55的横宽度设为W时，传感元件55上的隔膜3和发热电阻体7、8、9、10形成在距所涂敷的密封剂24W/2以上的位置，以覆盖传感元件55的电极部15a～15d、16a～166h。

图25表示测定元件55的布局(layout)。涂敷密封剂24后，尤其在传感元件的宽度方向的两端a和b点施加很大应力。a点和b点所产生的应力扩散到测定基板55。特别是，在图中的区域d施加比较大的应力。这个区域d是将a-b点间设为底边、且将a点、b点的角度设为45度的等腰三角形区域。因此，在传感元件55的基板上应当形成的电阻体则优选形成在距密封剂24W/2以上的区域c。此外，在由电阻体形成桥电路的情况下，在区域c内进行接线。在本实施方式下，发热电阻体7、感温电阻体8、9、10是桥电路，并且在区域c内进行接线。此外，隔膜3也同样形成在距密封剂24W/2以上的位置。

Claims (11)

1、一种热式流量传感器，包括：

传感器元件单元，包含桥电路，该桥电路内包含平衡调整用电阻，并且在半导体基板上连线；

驱动电路单元，将所述平衡调整用电阻的两端电压取出到所述半导体基板的外部，在所述两端电压的范围内进行所述桥电路的平衡调整。

2、根据权利要求1所述的热式流量传感器，其特征在于，

所述驱动电路单元包含由电信号进行开闭动作的开关元件，由所述开关元件对从所述平衡调整用电阻的两端电压取出中间电压进行切换。

3、根据权利要求1所述的热式流量传感器，其特征在于，

所述桥电路，通过将两个电阻串联连接的第一串联电路和在两个电阻之间夹着平衡调整用电阻的串联连接的第二串联电路并联连接，在半导体基板形成为图案；

在所述半导体基板的外部具有分压电路，该分压电路通过在所述平衡调整用电阻的两端电压的范围内进行分压调整，作为所述第二串联电路的中间电压进行输出；

热式流量传感器还包括驱动电路，根据由所述分压电路取出的所述第二串联电路的中间电压和在所述第一串联电路产生的中间电压之间的差，对所述发热电阻体中流过的电流进行控制。

4、一种热式流量传感器，使用具有温度依赖性的电阻体测定待测定流体的流量，

在形成了薄壁部的基板上至少配置构成桥电路的第一电阻体、第二电阻体、第三电阻体和第四电阻体，

这些电阻体通过所述基板上形成的图案被线连接，仅在所述基板上形成有桥电路，

所述第一电阻体配置在所述薄壁部上，所述第二至第四电阻体在所述基板上自所述薄壁部偏离的区域彼此靠近而配置。

5、一种热式流量传感器，使用形成在基板上的具有温度依赖性的电阻体测定待测定流体的流量，

在所述基板具备：

第一串联电路，其至少包括第一电阻体和第二电阻体；

第二串联电路，其包括第三电阻体、第四电阻体和第五电阻体；和

桥电路，其通过并联连接所述第一串联电路与所述第二串联电路而构成，

所述第一至第五电阻体通过所述基板上形成的图案被线连接，只在所述基板上形成有桥电路，

此外，所述流量传感器具有运算电路，该运算电路输入所述第一电阻体与第二电阻体之间的电位、和所述第四电阻体的两端电位并输出电信号。

6、一种热式流量传感器，使用形成在基板上的具有温度依赖性的电阻体测定待测定流体的流量，

在所述热式流量传感器中，在所述基板的面上形成有所述电阻体和基在板外取得的所述电阻体的电信号的电极焊盘，在将所述基板的短边设为W、将长边设为L时，所述电阻体形成在距电极焊盘W/2以上的位置且被线连接。

7、一种热式流量传感器，具备形成了薄壁部的基板、形成在所述薄壁部的空气流量测定用的电阻体和用于在基板外取得所述电阻体的电信号的电极焊盘，

在将所述基板的短边设为W、将长边设为L时，所述薄壁部形成在距电极焊盘W/2以上的位置。

8、一种热式流量传感器，在基板上具备具有温度依赖性的多个电阻体、和在基板外取得所述电阻体中发热电阻体的电信号的电极焊盘，

在所述基板的形成有所述电阻体和电极焊盘的面相反侧的面，在所述电阻体的区域与所述电极焊盘之间形成有除去了基板的一部分的区域。

9、一种热式流量传感器，具备形成了薄壁部的基板、形成在所述薄壁部上的发热电阻体、在基板外取得所述发热电阻体的电信号的电极焊盘，

在所述基板的形成有所述电阻体和电极焊盘的面相反侧的面，在所述电阻体的区域与所述电极焊盘之间形成有除去了基板的一部分的凹部。

10、一种热式流量传感器，具备：流量测定用的传感元件，其由在第一基板上形成的具有温度依赖性的多个电阻体而构成；和用于搭载所述传感元件的第二基板，并且所述传感元件在其一部分涂敷粘接剂与所述第二基板粘接，

在将连结所述电阻体与所述粘接剂的方向设为纵方向时，所述电阻体的图案由在纵方向通过电流的纵方向电阻部和在横方向通过电流的横方向电阻部构成，

所述电阻体的电阻值是纵方向电阻部的电阻R1与横方向电阻部的电阻Rt的合成电阻，

所述电阻体形成为：所述R1与Rt之间的电阻比，相对所述纵方向电阻部的压电电阻系数π1和所述横方向电阻部的压电电阻系数πt，大致相等于Rt∶R1＝πt∶π1，

并且，在所述基板中的所述电阻体的区域与所述粘接剂之间，形成有除去了基板的一部分的凹部。

11、一种热式流量传感器，具备具有薄壁部的基板和为了测定流量而形成在所述薄壁部的发热电阻体，

除去所述基板的一部分，按照包围所述薄壁部的方式，形成コ字形状、U字形状或者L字形状的沟。

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