CN102095459A - 热膜式空气流量计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热膜式空气流量计的原理，所述的热膜式空气流量计包括发热电阻以及周围4个测温电阻构成的传感器元件，还包括调节所述发热电阻温度(Th)和待测量空气温度(Ta)之间的温差(ΔTh＝Th-Ta)的调整单元；所述调整单元，实现发热电阻温度(Th)跟随待测空气温度(Ta)变化，保持二者之间的温差恒定。使用所述的热膜式空气流量计，温度特性好，并且校准简单。

Description

热膜式空气流量计

技术领域

本发明涉及检测流量的装置，特别是涉及汽车发动机的流量传感器。

背景技术

现有技术中，作为位于汽车发动机的进气通道上、测量进气量的空气流量传感器，由于热膜式流量计能够直接检测到空气质量流量，所以逐渐成为主流。特别是近几年来，采用半导体微机械加工技术制造的空气流量传感器，由于具有响应速度快，检测精度高，所以广受关注。

现有的这种使用半导体基板的热膜式空气流量传感器的技术，采用使电流流入位于上游测温电阻和下游测温电阻之间的发热电阻后使其发热，然后根据上游测温电阻和下游测温电阻的输出信号差异，获得流量信号的结构。

为了更好的修正热膜式空气流量传感器的特性曲线的温度关联度，采用了调整发热电阻对待测空气流的温差，从而使两者间温差随着待测空气流的温度上升而变大的结构。

然而，由于没有充分考虑构成上游测温电阻和下游测温电阻的材料特性，特别是电阻的温度关联性，所以，热膜式空气流量传感器的特性曲线依然和温度相关联。

图2给出了现有技术热膜式空气流量传感器的传感器元件。

在图中，2是硅半导体基板，3是在硅半导体基板上形成的空洞上形成的绝缘膜，4是发热电阻，5是用于测量发热电阻温度的发热测温电阻，6a及6c是分别位于发热电阻上下游的上游测温电阻和下游测温电阻，8是用于测量待测空气流7的温度的空气测温电阻。

在现有技术示例中，上述电阻用铂膜构成。

现有技术中，存在如下问题，其一是铂材料不是现有CMOS工艺的常用金属，与现有代工厂的CMOS芯片工艺不兼容；其二是电桥电路中还存在位于传感器元件外的固定电阻(印刷电阻或分立电阻)，在环境温度变化时，由于固定电阻的温度特性不同于位于传感器元件上的铂电阻的温度特性，导致输出信号产生偏差。

发明内容

本发明的目的在于，解决现有技术的问题，提供温度特性良好，偏差小、成本低的热膜式空气流量计。

为此，本发明提出了权利要求书中所述的热膜式空气流量计。具有位于待测空气流中的传感器，该传感器具有1个发热电阻以及4个测温电阻，并且，所述发热电阻用于加热所述测温电阻，其中，2个所述测温电阻位于所述发热电阻的上游，另外2个所述测温电阻位于所述发热电阻的下游，而且，所述热膜式空气流量计具有评价单元和调整单元，其中，所述评价单元通过测定所述测温电阻的信号而形成传感器信号；所述调整单元，调整发热电阻温度Th和待测空气温度Ta之间的温差ΔTh＝Th-Ta，实现发热电阻温度Th跟随待测空气温度Ta变化，保持二者之间的温差ΔTh恒定。具有发热测温电阻，用于测量所述发热电阻的温度。具有空气测温电阻，用于测量待测空气流的温度。具有至少2个电路电阻，用于构成电桥电路。所述发热电阻、测温电阻、发热测温电阻、空气测温电阻以及电路电阻，由同一薄膜材料构成。所述薄膜材料的主要成份为金属钨。

采用本发明后，能够提供具有：位于待测空气流中，由发热电阻以及周围4个测温电阻构成的传感器元件，调节所述发热电阻温度(Th)和待测量空气温度(Ta)之间的温差(ΔTh＝Th-Ta)；实现发热电阻温度(Th)跟随待测空气温度(Ta)变化，保持二者之间的温差恒定，从而能够提供温度特性好，并且校准简单的热膜式空气流量计。

附图说明

在本发明专利申请的权利要求书中，具体地指出了本发明的主题，并清楚地对其提出了专利保护。然而参照说明和附图，可以更好的理解本发明的有关结构和实现方法以及其目的、特征和优势。

图1是本发明实现的热膜式空气流量计的一种实施方式中的传感器元件俯视图。

图2是采用现有技术的传感器元件的俯视图。

图3是采用本发明的热膜式空气流量计的一种实施方式中的电路图。

虽然此处说明描述了本发明的某些特征及一种实现方法，但是对于本专业的技术人员来说，将会出现许多修改、替换、变化和等效代换。因此，本发明的保护范围以所附的权利要求的范围为准。

具体实施方式

以下以具体实施的方式说明本发明实现的热膜式空气流量计，结合附图及说明可以得到更好的理解。

请参阅图1，是本发明热膜式空气流量计一种实施方式的传感器元件的俯视图，1是传感器元件，其整体是将半导体基板2作为基础而形成的。半导体基板2，是形成空洞部的单晶硅板，在其一个面上，形成隔膜部分3.在这里，空洞部为平面形状呈矩形的孔。

在半导体基板2的一个面上形成的绝缘膜，是采用覆盖包含空洞部分的半导体基板2的整个面的结构，在构成隔膜3的绝缘膜的表面，形成发热电阻4、发热测温电阻5、上游测温电阻6a、6b及下游测温电阻6c、6d。另外，在隔膜3周边的半导体基板2上，形成测量待测空气流7的温度的空气测温电阻8、构成电桥电路的电阻的第一电路电阻9、第二电路电阻10及与外部电路连接的端子电极11。

发热电阻4、发热测温电阻5、测温电阻6a～6d、空气测温电阻8、第一电路电阻9、第二电路电阻10，是以金属钨为主要材料的薄膜电阻。在端子电极11处，在绝缘膜上形成通孔后，再形成铝或者金等薄膜焊点。

下面讲述采用本实施方式的热膜式空气流量计的测量原理。

图3是包含图1传感器元件1的电路图。图3所示的发热测温电阻5，与在同一半导体基板2内形成的空气测温电阻8、第一电路电阻9、第二电路电阻10布线连接，形成第一个电桥电路。此外，由上游测温电阻6a、6b及下游测温电阻6c、6d形成第二个电桥电路。21表示电源，23是基准电压源，24和25是差动放大器，17表示隔膜3的区域。

空气流动使发热电阻4冷却，位于其附件的发热测温电阻5也被冷却，电桥平衡发生变化。差动放大器25、晶体管22反馈控制该变化，从而控制发热电阻4的温差(ΔTh＝Th-Ta)、即发热电阻的温度Th与待测空气流的温度Ta之差。

这里，发热电阻4、发热测温电阻5的温差ΔTh和加热温度Th及测温电阻6a、6b、6c、6d的温度T，用图1所示的隔膜3上的各电阻图案区域的平均温度定义。

这时空气流7的流量和流动方向，根据位于发热电阻4的周围的上游测温电阻6a、6b及下游测温电阻6c、6d的温度(电阻值)差来测量。

也就是说，流量为零时，由于发热电阻4发热形成的加热条件相同，所以上游测温电阻6a、6b及下游测温电阻6c、6d显示相同的温度，不产生温度差。接着，空气流量不为零时，位于发热电阻4上游的测温电阻6a、6b产生的冷却效果，比位于发热电阻4下游的测温电阻6c、6d大，所以在上游测温电阻6a、6b和下游测温电阻6c、6d之间产生温差，根据该温差对应的电压，能够计算出空气流量。

在采用本发明后，可以使用与标准CMOS工艺相兼容的材料钨来制作传感器元件，并且由于在传感器元件上集成了电路电阻，从而能够提供温度特性良好，且易于校准的热膜式空气流量计。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离不发明原理的前提下，还可以做出若干改进和修饰，这些改进和修饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种热膜式空气流量计，其特征在于：

具有位于待测空气流中的传感器，该传感器具有1个发热电阻以及4个测温电阻，并且，所述发热电阻用于加热所述测温电阻，其中，2个所述测温电阻位于所述发热电阻的上游，另外2个所述测温电阻位于所述发热电阻的下游，而且，所述热膜式空气流量计具有评价单元和调整单元，其中，所述评价单元通过测定所述测温电阻的信号而形成传感器信号；所述调整单元，调整发热电阻温度Th和待测空气温度Ta之间的温差ΔTh＝Th-Ta，实现发热电阻温度Th跟随待测空气温度Ta变化，保持二者之间的温差ΔTh恒定。

2.如权利要求1所述的热膜式空气流量计，其特征还在于：作为调整单元，具有发热测温电阻，用于测量所述发热电阻的温度。

3.如权利要求1～2所述的热膜式空气流量计，其特征还在于：作为调整单元，具有空气测温电阻，用于测量待测空气流的温度。

4.如权利要求1～3所述的热膜式空气流量计，其特征还在于：作为调整单元，具有至少2个电路电阻，用于构成电桥电路。

5.如权利要求1～4所述的热膜式空气流量计，其特征还在于：所述发热电阻、测温电阻、发热测温电阻、空气测温电阻以及电路电阻，由同一薄膜材料构成。

6.如权利要求1～5所述的热膜式空气流量计，其特征还在于：所述薄膜材料的主要成份为金属钨。

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