CN101852630A

CN101852630A - 热式流量计

Info

Publication number: CN101852630A
Application number: CN201010117436A
Authority: CN
Inventors: 中野洋; 松本昌大; 半泽惠二
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2009-03-24
Filing date: 2010-02-20
Publication date: 2010-10-06
Anticipated expiration: 2030-02-20
Also published as: CN101852630B; JP5178598B2; US20100242591A1; EP2233896A1; EP2233896B1; US8186213B2; JP2010223747A

Abstract

本发明提供一种高灵敏度且可靠性提高了的热式流量传感器。热式流量计具备取入被测量流体的通路(21)和配置于通路内并对被测量流体的流量进行测量的传感器元件(1)，传感器元件具有半导体基板(2)、形成于半导体基板的空洞部(29)和隔着电绝缘膜(3a)形成于空洞部上的发热电阻体(5)，通过从发热电阻体向被测量流体散热而测量被测量流体的流量，在该热式流量计中，当将与被测量流体的流动方向(6)垂直的垂直方向上的发热电阻体的长度设为Lh，将从被测量流体的流动方向上的发热电阻体的上游侧端部至空洞部(29)的周缘(29a)(隔膜的外周缘(4a))的最接近距离设为Wd时，Lh与Wd的关系为Wd≥0.4Lh。

Description

热式流量计

技术领域

本发明涉及在被测量流体中设置发热电阻体来测定流量的热式流量计，尤其涉及对机动车的内燃机的吸入空气流量和废气流量的测定优选的热式流量计。

背景技术

作为检测机动车等的内燃机的吸入空气量的空气流量计，主流产品为能够直接测定质量流量的热式的空气流量计。

近年来，提出了使用微型机械技术在硅(Si)等半导体基板上制造热式流量计的传感器元件的技术。这种半导体型传感器元件形成有以矩形状除去半导体基板的一部分的空洞部，在形成于该空洞部的几微米的电绝缘膜上形成发热电阻体。发热电阻体的大小为几百微米的微细程度，形成为薄膜状，因此，能够实现热容量小且高速响应、低消耗功率。另外，在发热电阻体附近的上下游形成温度传感器(测温电阻体)，能够利用根据发热电阻体的上下游的温差来检测流量的温差方式来辨别顺流和逆流。

当在机动车等的内燃机上搭载上述的空气流量计并在严酷的环境条件下长时间使用时，确保传感器元件对于污损的可靠性尤为重要。将热式流量计长时间暴露于吸入空气流时，由于热泳动效果而在传感器元件的空洞部上的电绝缘膜堆积碳等浮游性粒子，使得测量精度受损。作为与这种污损对应的现有技术，在专利文献1中进行了叙述。

在专利文献1所述的技术中，规定电绝缘膜上的发热电阻体的加热温度和从发热电阻体的端部至空洞部上的电绝缘膜的端部的距离，使从所述发热电阻体的端部至上游侧的电绝缘膜的端部的温度分布舒缓地变化。由此，热泳动现象导致的污损物的堆积得以缓和。

【专利文献1】日本特开2006-52944号公报

但是，当利用专利文献1那样的结构作为解决方案时，需要将发热电阻体的加热温度设定为较低，并将空洞部扩宽，薄膜部扩大。若将发热电阻体的加热温度设定为较低，则由被测量流体的流动所产生的发热电阻体的上下游的温差变小，流量的检测灵敏度降低。另外，当扩宽空洞部时，也有薄膜部的面积扩大且强大降低的课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高灵敏度的热式流量计，该热式流量计搭载于机动车等的内燃机中，即使在严酷的污损环境中长时间使用时，也能够防止在形成有传感器元件的发热电阻体的薄膜部上堆积碳等浮游性粒子。

为了实现上述目的，本发明的热式流量计具备取入被测量流体的通路和配置于所述通路内并对被测量流体的流量进行测量的传感器元件，所述传感器元件具有半导体基板、形成于所述半导体基板的空洞部和隔着电绝缘膜形成于所述空洞部上的发热电阻体，在所述热式流量计中，通过从所述发热电阻体向被测量流体散热而测量被测量流体的流量，所述热式流量计的特征在于，当将与被测量流体的流动方向垂直的垂直方向上的所述发热电阻体的长度设为Lh，将被测量流体的流动方向上的从所述发热电阻体的上游侧端部至所述空洞部的周缘的最接近距离设为Wd时，Lh与Wd的关系为Wd≥0.4Lh。由此，提高发热电阻体的加热温度，从而构成进一步降低碳等浮游性微粒子的附着的结构。优选的是，将Lh与Wd的关系设为Wd≥0.5Lh。

另外，优选当将与被测量流体的流动方向垂直的垂直方向上的从所述发热电阻体的端部至所述空洞部的周缘的最接近距离设为Ld时，Lh与Ld的关系为Ld≥0.4Lh。优选的是，将Lh与Ld的关系设为Ld≥0.5Lh。由此，通过提高发热电阻体的加热温度，构成进一步降低碳等浮游性微粒子的附着的结构。

在现有技术中，若提高发热电阻体的加热温度，则热泳动效果被促进，附着量增大，但是，通过上述的结构，能够抑制浮游性微粒子的附着，因此，容易提高发热电阻体的加热温度并提高传感器元件的流量检测灵敏度。另外，由于能够使发热电阻体小型化，因此能够减小消耗功率，能够以低功率驱动传感器元件。

另外，Wd与Ld的关系可以设为Ld≥Wd。由此，能够更有效地抑制浮游性微粒子的附着。进而，通过使浮游性微粒子附着于电绝缘膜3b，使得从发热电阻体5向半导体基板2的热传导增加，但能够降低浮游性微粒子向电绝缘膜3b的附着，因此，能够降低从发热电阻体5向半导体基板2的热传导，能够实现低消耗功率。

另外，优选热式流量计具备在所述发热电阻体的上游侧和下游侧分别形成的测温电阻体，与被测量流体的流动方向垂直的垂直方向上的所述测温电阻体的长度为与被测量流体的流动方向垂直的垂直方向上的所述发热电阻体的长度以下。由此，空洞部(隔膜)上的温度分布中，发热电阻体的中心成为峰值温度，从而缩短上游侧的测温电阻体与下游侧的测温电阻体的长度，集中在发热电阻体的中心附近，从而能够提高流量测量灵敏度。另外，能够降低测量精度相对于被测量流体的流动方向倾斜等的偏流发生所引起的浮游性微粒子的附着部位的变化等的恶化。

优选所述空洞部形成为长方形，该长方形具有沿被测量流体的流动方向形成的短边和与所述短边垂直的长边，所述发热电阻体具有沿所述长边的方向延伸设置，且在延伸设置方向的端部折回而在所述电绝缘膜上平行排列的多个电阻体部分，所述电阻体部分的延伸设置方向中的长度大于平行排列的所述多个电阻体部分的总宽度。

优选以所述发热电阻体的加热温度比被测量流体的温度高200℃以上的方式进行加热控制。由此，即使机动车等的内燃机中使用的油混入吸入空气中时，也能够使油蒸发，能够抑制油等的附着而促进碳等的附着的情况。另外，不是始终加热为200℃以上，而根据空气的温度和时间，暂时加热为200℃以上的结构也有效。

进而，优选本发明的热式流量计具备：取入被测量流体的通路；配置于所述通路内并对被测量流体的流量进行测量的传感器元件，所述传感器元件具有半导体基板、形成于所述半导体基板的空洞部、隔着电绝缘膜形成于所述空洞部上的发热电阻体、以设置于被测量流体的流动方向中的所述发热电阻体的上游侧和下游侧且位于所述空洞部上的方式形成于所述电绝缘膜上的测温电阻体，所述空洞部形成为长方形，该长方形具有沿被测量流体的流动方向形成的短边和与所述短边垂直的长边，所述发热电阻体具有沿所述长边的方向延伸设置，且在延伸设置方向的端部折回而在所述电绝缘膜上平行排列的多个电阻体部分，所述电阻体部分的延伸设置方向的长度大于平行排列的所述多个电阻体部分的总宽度，所述测温电阻体的与被测量流体的流动方向垂直的垂直方向上的长度为与被测量流体的流动方向垂直的垂直方向上的所述发热电阻体的长度以下，当将与被测量流体的流动方向垂直的垂直方向上的所述发热电阻体的长度设为Lh，将被测量流体的流动方向上的从所述发热电阻体的上游侧端部至所述空洞部的周缘的最接近距离设为Wd，将与被测量流体的流动方向垂直的垂直方向上的从所述发热电阻体的端部至所述空洞部的周缘的最接近距离设为Ld时，Lh与Wd的关系为Wd≥0.4Lh，Lh与Ld的关系为Ld≥0.4Lh。

根据本发明，能够防止热泳动效果引起的碳等浮游性微粒子的附着，从而能够提高可靠性，并且能够提供高灵敏度且低消耗功率的热式流量传感器。

附图说明

图1是表示本发明的第一实施例的热式流量传感器的传感器元件1的平面的图。

图2是表示图1的传感器元件1的X-X′截面的图。

图3是驱动图1的传感器元件1的电路。

图4是表示热式流量传感器的传感器元件1的安装构造的图。

图5是图1的传感器元件1的隔膜4部的放大图。

图6是表示隔膜部的温度分布的图。

图7是表示附着于隔膜部的浮游性微粒子等的分布的图。

图8是表示由于浮游性微粒子等的附着而产生的热式流量传感器的测量误差的实验结果的图。

图9是本发明的第二实施例的热式流量传感器的传感器元件的隔膜部4的放大图。

图10是本发明的第三实施例的热式流量传感器的传感器元件的隔膜部31的放大图。

符号说明

1传感器元件

2基板

3a、3b电绝缘膜

4、31隔膜

5、32发热电阻体

6空气流

7加热温度传感器

8a、8b上游侧温度传感器

9a、9b下游侧温度传感器

10、11、12感温电阻体

13电极焊盘部

14温度分布

15、17放大器

16晶体管

18吸气管路

19基底部件

20吸入气体

21副通路

22电路基板

23金线焊丝

24端子

25铝焊丝

26现有的发热电阻体

27现有的隔膜

28浮游性微粒子的附着部

29空洞部

30a～n配线部

具体实施方式

以下，对本发明的实施例进行说明。

(实施例1)

以下说明本发明涉及的第一实施例。

利用图1、图2说明基于本实施例的热式流量计的传感器元件1的结构。图1是表示传感器元件1的俯视图。另外，图2示出了沿图1中的X-X′线的剖面图。传感器元件1的基板2由硅或陶瓷等热传导率良好的材料构成。并且，在基板2上形成电绝缘膜3a，通过从背面对基板2进行蚀刻而形成空洞部并形成隔膜4。

在隔膜4上的电绝缘膜3a的中心附近的表面形成发热电阻体5。在发热电阻体5的周围检测发热电阻体5的加热温度的加热温度传感器8以围绕发热电阻体5的方式形成。由加热温度传感器7检测发热电阻体5的温度，并以发热电阻体5的温度比空气流6的温度高一定温度的方式进行加热控制。进而，在加热温度传感器7的两侧形成上游侧温度传感器8a、8b和下游侧温度传感器9a、9b。上游侧温度传感器8a、8b配置于发热电阻体5的上游侧，下游侧温度传感器9a、9b配置于发热电阻体5的下游侧。传感器元件1的最外表面由电绝缘膜3b覆盖，电绝缘膜3b除进行电绝缘外，还作为保护膜发挥作用。在隔膜4的外部的电绝缘膜3a上配置根据空气流6的温度而电阻值变化的感温电阻体10、11、12。

这些发热电阻体5、加热温度传感器7、上游侧温度传感器8a、8b、下游侧温度传感器9a、9b、感温电阻体10、11、12由根据温度而电阻值变化的电阻温度系数比较大的材料形成。例如，可以由掺杂杂质的多晶硅和单晶硅等半导体材料、或铂、钼、钨、镍合金等金属材料等形成。另外，电绝缘膜3a、3b利用二氧化硅(SiO₂)和氮化硅(Si₃N₄)形成约2微米厚的薄膜状，成为充分获得热绝缘效果的构造。

如下所述，发热电阻体5、加热温度传感器7、上游侧温度传感器8a、8b、下游侧温度传感器9a、9b也与感温电阻体10、11、12相同地为感温电阻体。

进而，在传感器元件1的端部设有电极焊盘部13，该电极焊盘部13形成有用于将构成发热电阻体5、加热温度传感器7、上游侧温度传感器8a、8b、下游侧温度传感器9a、9b、感温电阻体10、11、12的各电阻体与驱动、检测电路连接的电极。此外，电极由铝等形成。

本发明的实施例的热式流量计如下进行动作。

与图2中所示的传感器元件1的截面结构一同示出的温度分布14是传感器元件1的表面温度的分布。温度分布14的实线表示无风时的隔膜4的温度分布。发热电阻体5以比空气流6的温度高ΔTh的方式进行加热。温度分布14的虚线是产生了空气流6时的隔膜4的温度分布。通过产生空气流6，发热电阻体5的上游侧因空气流6而被冷却，温度降低，下游侧由于流动有通过发热电阻体5而被加热的空气，因而温度上升。从而，通过上游温度传感器8a、8b和下游温度传感器9a、9b来测定发热电阻体5的上下游的温差ΔTs，从而测量流量。

以下，对传感器元件1的驱动、检测电路进行说明。

图3示出了传感器元件1的驱动、检测电路。构成并联连接由电阻值根据发热电阻体5的温度而变化的加热温度传感器7和感温电阻体10构成的串联电路与由感温电阻体11和感温电阻体12构成的串联电路的桥式电路，并向各串联电路施加基准电压Vref。取出这些串联电路的中间电压，并与放大器15连接。放大器15的输出与晶体管16的基极连接。晶体管16的集电极与电源VB连接，发射极与发热电阻体5连接，从而构成反馈电路。由此，以发热电阻体5的温度Th相对于空气流6的温度Ta高一定温度ΔTh(＝Th-Ta)的方式进行控制。

并且，构成并联连接由上游温度传感器8a和下游温度传感器9a构成的串联电路与由下游温度传感器9b和上游温度传感器8b构成的串联电路的桥式电路，并向各串联电路施加基准电压Vref。若在空气流的作用下，在上游温度传感器8a、8b和下游温度传感器9a、9b产生温差，则桥式电路的电阻平衡改变，产生差电压。通过放大器17从该差电压得到与空气流量对应的输出。

并且，在图4中示出了在机动车等的内燃机的吸气管路内安装传感器元件1以及驱动、检测电路的实施例。在图4中，以从吸气管路18的壁面突出的方式设置基底部件19。在基底部件19形成有副通路21，该副通路21取入在吸气管路18流动的吸入气体20的一部分。在形成于副通路21内的矩形状的凹部设有传感器元件1。设有传感器元件1的部分的副通路21的流路为直线状，其上游侧及下游侧的流路为弯曲的形状。另外，在基底部件19设有搭载了传感器元件1的驱动、检测电路的电路基板22，利用金线焊丝23电连接传感器元件1与电路基板22。并且，设有用于驱动电路的电源供给、输出信号的取出的端子24，利用铝焊丝25电连接电路基板22和端子24。

图5示出了传感器元件1的隔膜4的附近的放大图。

在图5中，将与作为被测量流体的空气流6的流动方向垂直的垂直方向上的发热电阻体5的长度设为Lh。另外，在空气流6的流动方向中，将从发热电阻体5的上游侧端部至隔膜4的上游侧端部(边4c)的最接近距离设为Wd。另外，将与空气流6垂直的垂直方向上的从发热电阻体5的端部至隔膜4的端部(边4b或4d)的最接近距离设为Ld。对于上述Lh、Wd、Ld的关系，在本实施例中构成为Wd≥0.5Lh且Ld≥0.5Lh。换言之，从发热电阻体5的外周至隔膜4的外周的最接近距离Xd形成为至少Xd≥0.5Lh。即，形成为缩短发热电阻体5的Lh，增大隔膜4的宽度及长度。

在此，发热电阻体5的区域为隔膜4上的发热的主要部分，不包括如图5所示的配线部30i、30j之类的宽度宽的部位，以及即使与发热电阻体5电连接，流动的电流也显著变小的电阻体等。或者，如图5示出的发热电阻体5所示，成为发热的主要部分是形状为U字形或M字形的一圈或几圈折回的区域。

另外，在本实施例中，将隔膜4形成为由边4a、4b、4c、4d构成的四边形。即，边4a、4b、4c、4d构成隔膜4的外周缘。特别是边4a、4c长于边4b、4d的长方形。以长边4a、4c沿横切空气的流动方向，且短边4b、4d沿空气的流动方向的方式形成隔膜4。此时，理想的是，边4a、4c相对于空气的流动方向垂直，边4b、4d与空气的流动方向平行。

发热电阻体5具有沿长边4a、4c的方向延伸设置，且在延伸设置方向(与空气的流动方向垂直的垂直方向)的端部折回而在电绝缘膜3a上平行排列的多个电阻体部分5a～5d。并且，电阻体部分5a～5d的延伸设置方向上的长度Lh比平行排列的多个电阻体部分5a～5d的总宽度W5大。

由此，使发热电阻体5的形状最佳化，同时不会不必要地加大隔膜4。并且，若能够使隔膜4变小，则能够防止隔膜4的强度降低。

在上述结构的情况下，以下对碳等浮游性微粒子不易附着于热式流量计的传感器元件1的效果进行说明。

图6示出了用于表示加热控制发热电阻体时的隔膜上的温度分布的形状的等温线。图6(a)是现有的结构，图6(b)是本实施例的结构。

图6(a)示出的现有的结构的隔膜27上的温度分布是以发热电阻体26的中心为峰值温度的同心圆状的温度分布。另外，形成沿发热电阻体26的长度的纵向长的椭圆形状的等温线。若碳等浮游性微粒子通过空气流在具有这种形状的传感器元件上移动，则因发热电阻体26的发热，周边的空气的热运动活跃而成为热的阻挡层，引起微粒子沿发热电阻体26的上游侧的隔膜27的端部的附着。进而，若提高发热电阻体26的加热温度，则热泳动效果变高，促进微粒子的附着。

另一方面，图6(b)示出的本实施例的结构的隔膜4上的温度分布是以发热电阻体5的中心为峰值温度的同心圆状，但其等温线的形状接近正圆。若碳等浮游性微粒子通过空气流在具有这种形状的传感器元件上移动，则浮游性微粒子与发热电阻体5的发热引起的热的阻挡层接触，然后，避开发热电阻体5，即以绕过与空气流垂直的垂直方向上的发热电阻体5的端部侧的方式流动。其原因在于，与现有结构相比，本实施例的隔膜4上的上游侧的等温线的曲率大。即使在现有结构中，在与空气流垂直的垂直方向上的发热电阻体26的端部附近，浮游性微粒子绕过而能够避开热的阻挡层，但大部分浮游性微粒子被发热电阻体26引起的热的阻挡层阻挡，因此，浮游性微粒子停滞并附着于隔膜27的上游侧的端部附近。

另外，通过设为Ld≥0.5Lh，浮游性微粒子通过与加热器5远离的部位，从而能够降低浮游性微粒子向加热器5附近的附着。

以下，对在柴油机的废气的流动中设置热式流量计，对废气中的碳和油等所导致的传感器元件的污损状态进行实验的结果加以说明。热泳动现象所引起的浮游性微粒子向上游侧的隔膜端部附着是在被测量流体的流速比较低时附着。在此，本实验中使用的柴油机为空转状态。此时的被测量流体的流速大致为1.5m/sec。另外，将热式流量计暴露于废气中的时间为1小时。通过该实验，传感器元件被污损为与热式流量计实际设置于机动车的吸气管而行驶几万km时的传感器元件的污损状态类似的状态。

图7表示在上述实验中附着于隔膜的浮游性微粒子的分布的简要图。图7(a)为现有的隔膜部的结构中，将发热电阻体的加热温度(ΔTh)设为100℃时的浮游性微粒子的附着形状。发热电阻体26向上游侧的隔膜27的端部附着最多(图中的28(a))。另外，沿隔膜26的整个方向的端部薄薄地附着(图中的28(b))。向图中的28(a)附着由发热电阻体26的加热引起的热泳动效果所导致的附着控制，向图中的28(b)附着由隔膜27周边的浮游性微粒子的扩散产生的附着控制。

图7(b)为在本实施例的隔膜部的结构中，将发热电阻体的加热温度(ΔTh)设为100℃时的浮游性微粒子的附着形状。在本实施例的结构中，浮游性微粒子的附着由沿隔膜4的端部薄薄地附着于图中28(c)部地因扩散引起的附着所控制。能够降低现有结构中明显的因热泳动效果所引起的向发热电阻体5的上游侧的隔膜4的端部的附着。

图7(c)为在本实施例的隔膜部的结构中，将发热电阻体5的加热温度(ΔTh)设为300℃的情况。在本发明的结构中，即使提高ΔTh也不会促进热泳动效果引起的附着。另外，通过提高ΔTh，隔膜4上的空气的热运动变得活跃，从而得到降低浮游性微粒子从隔膜4周边向发热电阻体5扩散，隔膜4周边部的附着区域退向外侧的效果。另外，柴油机等的废气中含有油，油容易附着进而碳等微粒子更容易附着，但通过提高发热电阻体5的加热温度ΔTh，将油加热到200℃以上使油蒸发，从而能够进一步降低浮游性微粒子的附着。

另外，在本实施例的结构中，浮游性微粒子的扩散受到控制，因此，通过加大从发热电阻体5至隔膜4的端部的距离(加大Ld、Wd)，能够使从因扩散引起的隔膜4周边的浮游性微粒子的附着区域至发热电阻体5的距离变远，进而能够降低浮游性微粒子的附着所产生的热式流量传感器的测量误差。

图8示出了因上述实验的污损而产生的热式流量计的测量误差的比较。当因浮游性微粒子的附着而使隔膜26的温度分布变化时，尤其对低流量区域的热式流量计的测量误差带来影响。理由在于，在低流量区域，空气流引起的上游温度传感器8a、8b和下游温度传感器9a、9b的温差微小。在此，图8示出的流量测量误差是空气流的流速为1.5m/s左右的实验结果。另外，图8示出的测定点(a)、(b)、(c)与使用了图7中的传感器元件的隔膜形状(a)、(b)、(c)的实验结果对应。另外，图表的横轴为隔膜4的Xd/Lh。Xd是所述的隔膜形状中，从发热电阻体至隔膜端部为最接近距离的值。

在图8中，表示使用现有结构时的测量误差的测定点(a)产生15％的正误差。其原因在于，由于热泳动效果，空气流的上游侧的隔膜26的端部的污损大，形成于发热电阻体26的上游侧的上游侧温度传感器8a、8b的温度降低。另一方面，表示使用本实施例的结构时的测量误差的测定点(b)稍向负误差变化，与现有结构相比成为充分小的值。

另外，当观察因污损而产生的测量误差与Xd/Lh的关系时，若Xd/Lh为大约0.4以下，则污损引起的测量误差迅速增大。因此，为了使污损引起的测量误差为±5％以下，有必要将Xd/Lh设为0.4以上。

另外，在Xd/Lh为0.5以下时，测量误差为正误差，当Xd/Lh为大致0.5以上时，测量误差为负误差。其意味着在测量误差为正误差的范围内，浮游性微粒子向空气流的上游侧的隔膜端部的附着多，受热泳动效果引起的污损控制。在测量误差为负误差的范围内，浮游性微粒子的扩散或绕过导致向隔膜下游侧的附着比向上游侧相对多。但是，扩散等引起的微粒子的附着厚度比热泳动效果时薄，因此，对测量误差影响也小。

另外，当Xd/Lh为大约0.5时，附着于隔膜4的微粒子在发热电阻体5的上游侧和下游侧为相同程度。此时，微粒子的附着引起的隔膜4上的温度变化在发热电阻体5的上游侧和下游侧对称，上游温度传感器8a、8b和下游温度传感器9a、9b的温差没有变化。因此，由浮游性微粒子的附着所产生的测量误差变小。从而，在本实施例的结构中，检测发热电阻体的上游侧和下游侧的温差的至少一对测温电阻体形成于所述发热电阻体的上游侧和下游侧，通过应用于使用所述一对测温电阻体的温差测量被测量流体的流量的热式流量传感器，得到特别的效果。

图8的测定点(c)是使用本实施例的结构将发热电阻体5的加热温度(ΔTh)提高300℃时的测量误差。另外，测定点(d)是在现有结构中，将发热电阻体的加热温度(ΔTh)提高200℃时的测量误差。如测定点(d)所示，在现有结构中，若提高发热电阻体的加热温度(ΔTh)，则热泳动效果引起的浮游性微粒子的附着进一步增大，测量误差变大。另一方面，如测定点(c)所示，在本实施例的结构中，可知若提高发热电阻体的加热温度(ΔTh)，则测量误差变小。即，当Xd/Lh为0.5以下时，若提高ΔTh，则热泳动效果的影响增大，在Xd/Lh为0.5以上时，即使提高ΔTh，也不会受到热泳动效果的影响。

根据以上的结果，如本实施例的结构那样，将从发热电阻体5的外周至隔膜4的外周的最接近距离设为Xd，将与空气流垂直的垂直方向上的发热电阻体5的长度设为Lh时，Xd/Lh为0.5以上，从而，能够抑制热泳动现象引起的浮游性微粒子的附着，提高发热电阻体5的加热温度，能够提高流量测量灵敏度。进而优选的是，考虑传感器元件的制造偏差和空气流的紊乱等偏差，将Xd/Lh设为0.6以上。

进而优选的是，在图5中，上游侧温度传感器8a、8b和下游侧温度传感器9a、9b的与被测量流体垂直的垂直方向上的最大长度Ls比发热电阻体5的长度Lh短。由此，能够使上游侧温度传感器8a、8b和下游侧温度传感器9a、9b远离附着于隔膜4的与空气流垂直的垂直方向上的端部附近的微粒子，能够进一步降低浮游性微粒子的附着所带来的影响。另外，由于隔膜4上的温度分布是以发热电阻体5的中心成为峰值温度，因此，通过缩短上游侧温度传感器8a、8b和下游侧温度传感器9a、9b的长度，向发热电阻体5的中心附近集中，由此能够提高流量测量灵敏度。另外，能够降低测量精度相对于发生被测量流体的流动方向倾斜等的偏流而引起的碳等浮游性微粒子的附着部位的变化等的恶化。

通过将隔膜4的形状形成为发热电阻体5的长度方向、即与空气的流动方向垂直的方向的边较长的长方形，从而使发热电阻体5的形状最佳化，同时不会不必要地增大隔膜4的尺寸。此时，可知若将Xd/Lh设为0.4以上，优选的是0.5以上，更优选的是0.6以上，则能够降低浮游性微粒子的附着的影响，因此，通过将Xd选定为满足上述关系的范围内的尽可能小的值，从而能够防止隔膜4的强度降低。

另外，基板2尺寸有限，若扩宽隔膜4，则在强度方面存在问题，因此，Xd/Lh的上限值不能无限大，收纳于有限值。即，Xd/Lh的上限值是根据基板2的尺寸和强度问题确定的设计事项，每个传感器元件采用适宜且适当的值。

(实施例2)

图9是本发明的第二实施例的热式流量传感器素子1的隔膜4的放大图。与图5的第一实施例不同的是，发热电阻体32的中央部形成为向空气流6的方向鼓出的形状。由此，发热电阻体32的形状为大致十字形或大致圆形，隔膜4的温度分布形成为以发热电阻体32的中心为峰值的圆形的温度分布。通过成为圆形的温度分布，能够防止碳等浮游性微粒子的附着。

(实施例3)

图10是本发明的第三实施例的热式流量传感器元件1的隔膜31的放大图。与图5的第一实施例不同的是，形成为相对于空气流的方向，隔膜31的上游侧端部与下游侧端部的中央鼓起的形状。由此，隔膜31的形状成为大致圆形，隔膜31上的温度分布形成为以发热电阻体32的中心为峰值的圆形的温度分布。通过成为圆形的温度分布，能够防止碳等浮游性微粒子的附着。

以下，对第一～第三实施例的传感器元件1的制造方法进行说明。

作为基板，使用单晶硅(Si)等半导体基板2。将作为基底的单晶硅(Si)基板2的表面利用热氧化或CVD法等形成规定厚度约1μm的构成电绝缘膜3a的二氧化硅(SiO₂)与氮化硅(Si₃N₄)。接着，作为电阻体，利用CVD法等层叠厚度约1μm的多晶硅(Si)半导体薄膜。

接着，使杂质向多晶硅(Si)半导体薄膜扩散，以成为规定的电阻率的方式进行高浓度掺杂处理。进而，利用公知的光刻法将抗蚀剂形成为规定的形状后，利用反应性离子蚀刻等方法，将多晶硅(Si)半导体薄膜构成图案，得到规定的电阻体5、7、8a、8b、9a、9b、10、11、12和配线部30a～30n。

在其后的工序中，作为保护膜将电绝缘膜3b与电绝缘膜3a相同地，利用CVD法等形成约1微米厚的二氧化硅(SiO₂)和氮化硅(Si₃N₄)。

接下来，在电极焊盘部13除去保护膜3b，由铝、金等形成作为用于与外部电路连接的端子的端子电极。另外，用于连接各电阻体与端子的配线部30a～30n也可以为多晶硅(Si)半导体薄膜和铝、金等的多层膜结构。

在最终工序中，在单晶硅(Si)半导体基板2的背面将蚀刻的掩膜材料图案形成为规定的形状，通过使用氢氧化钾(KOH)等蚀刻液进行各向异性的蚀刻，从而形成空洞29，并形成隔膜4。

利用以上的工序，完成传感器元件1。

在上述各实施例中，说明了作为电阻体使用多晶硅(Si)半导体薄膜的实施例，但是，使用铂等金属材料的情况也能够得到同样的效果。

另外，作为发热电阻体5，在隔膜部4上设为大致M字形状，但设为大致U字状的形状，设为弯曲状(蜿蜒状)也能够得到相同的效果。

另外，在上述各实施例中，对配置于发热电阻体5的上下游的两对测温电阻体8a、8b、9a、9b进行了说明，但设置一对测温电阻体的结构也能够得到同样的效果。

另外，在上述各实施例中，为利用配置于发热电阻体5的周围的加热温度传感器7的电阻变化来检测发热电阻体5的温度，控制发热电阻体5的加热温度的方式，但是，直接从发热电阻体5的电阻变化检测发热电阻体5的温度，控制发热电阻体5的加热温度的方式也能够得到相同的效果。

另外，在上述各实施例中，对根据配置于发热电阻体5的上下游的温度传感器的温差测量流量及流动的方向的温差方式进行了说明，但根据发热电阻体5的加热电流和电阻变化测量流量及方向的方式，也能够得到同样的效果。

总结上述的实施例，具有以下的结构。

热式流量计具备取入被测量流体的通路21和配置于通路21内对被测量流体的流量进行测量的传感器元件1，传感器元件1具有半导体基板2、形成于半导体基板2的空洞部29和隔着电绝缘膜3a形成于空洞部29上的发热电阻体5，在所述热式流量计中，通过从发热电阻体5向被测量流体散热而测量被测量流体的流量，在该热式流量计中，当将与被测量流体的流动方向6垂直的垂直方向上的发热电阻体5的长度设为Lh，将被测量流体的流动方向上的从发热电阻体5的上游侧端部至空洞部29的周缘29a(隔膜的外周缘4a)的最接近距离设为Wd时，Lh与Wd的关系为Wd≥0.4Lh。从而，成为通过提高发热电阻体5的加热温度，进一步降低碳等浮游性微粒子的附着的结构。优选的是，Lh与Wd的关系为Wd≥0.5Lh。

另外，当将与被测量流体的流动方向6垂直的垂直方向上的从发热电阻体5的端部至空洞部29的周缘29a(4a)的最接近距离设为Ld时，Lh与Ld的关系为Ld≥0.4Lh。优选的是，Lh与Ld的关系为Ld≥0.5Lh。从而，成为通过提高发热电阻体5的加热温度，进一步降低浮游性微粒子的附着的结构。

在现有技术中，若提高发热电阻体的加热温度，则热泳动效果被促进，附着量增大，但是，通过采用上述结构，能够抑制浮游性微粒子的附着，因此，提高发热电阻体5的加热温度而提高传感器元件1的流量检测灵敏度的方法变得容易。另外，由于能够使发热电阻体5小型化，因此能够减小消耗功率，以低功率驱动传感器元件1。

另外，将Wd与Ld的关系设为Ld≥Wd。由此，能够更有效地抑制浮游性微粒子的附着。进而，由于浮游性微粒子附着于电绝缘膜3b而增加从发热电阻体5向半导体基板2的热传导，从而能够降低浮游性微粒子向电绝缘膜3b的附着，因此，能够降低从发热电阻体5向半导体基板2的热传导，能够实现低消耗功率化。

另外，热式流量计具备分别形成于发热电阻体5的上游侧和下游侧的测温电阻体8a、8b、9a、9b，与被测量流体的流动方向6垂直的垂直方向上的测温电阻体8a、8b、9a、9b的长度Ls为与被测量流体的流动方向6垂直的垂直方向上的发热电阻体5的长度Lh以下。由此，空洞部29(隔膜4)上的温度分布成为以发热电阻体5的中心为峰值温度，因此通过缩短上游侧的测温电阻体8a、8b与下游侧的测温电阻体9a、9b的长度，集中在发热电阻体5的中心附近，能够提高流量测量灵敏度。另外，能够降低测量精度相对于发生被测量流体的流动方向6倾斜等的偏流而引起的浮游性微粒子的附着部位的变化等的恶化。

空洞部29形成为长方形，该长方形具有沿被测量流体的流动方向6形成的短边4b、4d和与短边4b、4d垂直的长边4a、4c，发热电阻体5具有沿长边4a、4c的方向延伸设置，并且在延伸设置方向的端部折回而在电绝缘膜3a上平行排列的多个电阻体部分5a～5d，使电阻体部分5a～5d的延伸设置方向的长度Lh大于平行排列的多个电阻体部分5a～5d的总宽度W5。

以发热电阻体5的加热温度比被测量流体的温度高200℃以上的方式进行加热控制，由此即使用于机动车等的内燃机的油混入吸入空气中，也能够使油蒸发，能够抑制油等附着而导致的促进碳等附着的情况。

进而，本发明涉及的热式流量计具备：取入被测量流体的通路21；配置于通路21内对被测量流体的流量进行测量的传感器元件1，传感器元件1具有半导体基板2、形成于半导体基板2的空洞部29、隔着电绝缘膜3a形成于空洞部29上的发热电阻体5、以设于被测量流体的流动方向6的发热电阻体5的上游侧和下游侧且位于空洞部29上的方式形成于电绝缘膜3a上的测温电阻体8a、8b、9a、9b，空洞部29形成为长方形，该长方形具有沿被测量流体的流动方向6形成的短边4b、4d和与短边4b、4d垂直的长边4a、4c，发热电阻体5具有沿长边4a、4c的方向延伸设置，并在延伸设置方向的端部折回而在电绝缘膜3a上平行排列的多个电阻体部分5a～5d，并且，电阻体部分5a～5d的延伸设置方向的长度Lh大于平行排列的多个电阻体部分5a～5d的总宽度W5，测温电阻体8a、8b、9a、9b形成为与被测量流体的流动方向6垂直的垂直方向上的长度为与被测量流体的流动方向垂直的垂直方向上的发热电阻体5的长度以下，当将与被测量流体的流动方向6垂直的垂直方向上的发热电阻体5的长度设为Lh，将被测量流体的流动方向6的从发热电阻体5的上游侧端部至空洞部29的周缘29a(4a)的最接近距离设为Wd，将与被测量流体的流动方向6垂直的垂直方向上的从发热电阻体5的端部至空洞部29的周缘29a(4a)的最接近距离设为Ld时，Lh与Wd的关系为Wd≥0.4Lh，Lh与Ld的关系为Ld≥0.4Lh。

Claims

1.一种热式流量计，其具备取入被测量流体的通路和配置于所述通路内并对被测量流体的流量进行测量的传感器元件，所述传感器元件具有半导体基板、形成于所述半导体基板的空洞部和隔着电绝缘膜形成于所述空洞部上的发热电阻体，在所述热式流量计中，通过从所述发热电阻体向被测量流体散热而测量被测量流体的流量，

所述热式流量计的特征在于，

当将与被测量流体的流动方向垂直的垂直方向上的所述发热电阻体的长度设为Lh，将被测量流体的流动方向上的从所述发热电阻体的上游侧端部至所述空洞部的周缘的最接近距离设为Wd时，Lh与Wd的关系为Wd≥0.4Lh。

2.根据权利要求1所述的热式流量计，其特征在于，

Lh与Wd的关系为Wd≥0.5Lh。

3.根据权利要求1所述的热式流量计，其特征在于，

当将与被测量流体的流动方向垂直的垂直方向上的从所述发热电阻体的端部至所述空洞部的周缘的最接近距离设为Ld时，Lh与Ld的关系为Ld≥0.4Lh。

4.根据权利要求3所述的热式流量计，其特征在于，

Lh与Wd及Ld的关系为Wd≥0.5Lh且Ld≥0.5Lh。

5.根据权利要求1所述的热式流量计，其特征在于，

Wd与Ld的关系为Ld≥Wd。

6.根据权利要求1所述的热式流量计，其特征在于，

具备在所述发热电阻体的上游侧和下游侧分别形成的测温电阻体，与被测量流体的流动方向垂直的垂直方向上的所述测温电阻体的长度为与被测量流体的流动方向垂直的垂直方向上的所述发热电阻体的长度以下。

7.根据权利要求1所述的热式流量计，其特征在于，

所述空洞部形成为长方形，该长方形具有沿被测量流体的流动方向形成的短边和与所述短边垂直的长边，所述发热电阻体具有沿所述长边的方向延伸设置，且在延伸设置方向的端部折回而在所述电绝缘膜上平行排列的多个电阻体部分，所述电阻体部分的延伸设置方向上的长度大于平行排列的所述多个电阻体部分的总宽度。

8.根据权利要求1所述的热式流量计，其特征在于，

以所述发热电阻体的加热温度比被测量流体的温度高200℃以上的方式进行加热控制。

9.一种热式流量计，其特征在于，具备：

取入被测量流体的通路；

配置于所述通路内并对被测量流体的流量进行测量的传感器元件，

所述传感器元件具有半导体基板、形成于所述半导体基板的空洞部、隔着电绝缘膜形成于所述空洞部上的发热电阻体、以设置于被测量流体的流动方向上的所述发热电阻体的上游侧和下游侧且位于所述空洞部上的方式形成于所述电绝缘膜上的测温电阻体，

所述空洞部形成为长方形，该长方形具有沿被测量流体的流动方向形成的短边和与所述短边垂直的长边，

所述发热电阻体具有沿所述长边的方向延伸设置，且在延伸设置方向的端部折回而在所述电绝缘膜上平行排列的多个电阻体部分，所述电阻体部分的延伸设置方向上的长度大于平行排列的所述多个电阻体部分的总宽度，

所述测温电阻体的与被测量流体的流动方向垂直的垂直方向上的长度形成为所述发热电阻体的与被测量流体的流动方向垂直的垂直方向上的长度以下，

当将与被测量流体的流动方向垂直的垂直方向上的所述发热电阻体的长度设为Lh，将被测量流体的流动方向上的从所述发热电阻体的上游侧端部至所述空洞部的周缘的最接近距离设为Wd，将与被测量流体的流动方向垂直的垂直方向上的从所述发热电阻体的端部至所述空洞部的周缘的最接近距离设为Ld时，Lh与Wd的关系为Wd≥0.4Lh，Lh与Ld的关系为Ld≥0.4Lh。