CN103988056A - 热式流量计 - Google Patents

Abstract

本发明提供高精度、高可靠性、且结构简单、更廉价的热式流量计，其包括：取入被测量流体的副通路；测量上述副通路内的被测量流体的流量的传感元件；检测被测量流体的温度的温度检测元件；控制上述传感元件的加热温度的驱动电路；保护上述驱动电路不受噪声影响的保护电路，在上述传感元件的基板，形成有空洞部，在上述空洞部上的薄膜部隔着电绝缘膜形成有发热电阻体，该热式流量计根据上述薄膜部的温度分布检测流量，上述传感元件和上述驱动电路安装于金属的引线框，上述传感元件、上述驱动电路和上述引线框通过将全周用热固化性树脂密封而被实施芯片封装，至少保护驱动电路的芯片部件和空气温度检测元件之任一者混装在上述芯片封装的内部。

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的空气流量计，特别涉及适用于测定汽车内燃机的吸入空气流量和排气流量的空气流量计。

背景技术

作为检测汽车等的内燃机的吸入空气量的空气流量计，主流的是能够直接测量质量流量的热式空气流量计。

近年来，提出了利用微机械(micro machine)技术在硅(Si)等半导体基板上制造热式流量计的传感元件。这种半导体类型的传感元件形成有矩形状地除去半导体基板的一部分而得到的空洞部，在形成于该空洞部即薄膜部的数微米的电绝缘膜上，形成有发热电阻体。并且，在发热电阻体附近的上下游，形成有温度传感器(感温电阻体)，通过根据发热电阻体上下游的温差检测流量的温差方式，也能够进行顺流和逆流的判别。由于发热电阻体的大小为数百微米，很细微，且形成为薄膜状，因此热容小，能够实现高速响应化和低消费电力化。

专利文献1中记载了具有这种半导体类型的传感元件的空气流量计中的传感元件和驱动电路的安装结构，即所谓芯片封装(chippackage)化。

专利文献1中公开了如下结构，其包括：检测流体流量的传感器芯片、与传感器芯片电连接的作为外部连接端子的引线、和以包覆传感器芯片和引线的连接部并露出流量检测部的方式一体地配置的密封树脂。另外，专利文献1的图2示出了驱动芯片也与传感器芯片同时安装到金属的引线框并被树脂密封的例子。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2008-175780号公报

发明内容

发明想要解决的技术问题

当前，具有半导体类型的传感元件的实用化的空气流量计的主流的结构是：在LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramics：低温共烧陶瓷)等陶瓷基板上搭载有传感元件和驱动电路，且在产品的主体内部，安装有基板。从搭载性的观点出发，驱动电路使用通过半导体集成技术单芯片化了的LSI。此外，为了保护驱动电路不受浪涌、电波干扰等外扰的噪声的影响，在陶瓷基板上，另行设置有贴片电容(chipcondenser)并进行了电连接。该用于保护驱动电路不受噪声影响的贴片电容的电容较大，往往不配置在LSI中而是外置在陶瓷基板上。

另一方面，汽车用的热式空气流量计大多为将用于检测被吸入到发动机的空气的温度的空气温度检测元件一体化的结构。该空气温度的检测与空气流量的计量无关，被取入发动机控制单元内，用于控制发动机的燃烧。尤其对于冷启动时的催化剂的早期活化、发动机暖机后发动机状态急剧变化时排出的尾气中的NO_x减少等过渡时的发动机燃烧控制而言，也是不可缺少的。从这种使用目的出发，也要求温度检测元件具有高速的响应性。

检测温度的方法存在多种，但由于这些因素而使用热敏电阻元件的情况较多，尤其地广泛使用被称为轴向引线型(axial lead type)的正极与负极在轴向的大致同一直线上排布引线(lead wire)的元件。此外，该轴向引线型的温度检测元件通过焊接被连接固定到嵌入(insert)有空气流量计的树脂壳体的引线端子。

如上所述，由于构成用于保护驱动电路的保护电路的贴片电容和检测吸入空气的温度的元件分别被独立安装，因此结构变得复杂。

本发明的目的在于提供高精度、高可靠性、且结构简单、更廉价的热式流量计。

用于解决问题的技术方案

为了达成上述目的，本发明的热式流量计包括：取入被测量流体的副通路；测量上述副通路内的被测量流体的流量的传感元件；检测被测量流体的温度的温度检测元件；控制上述传感元件的加热温度的驱动电路；保护上述驱动电路不受噪声影响的保护电路，其中，在上述传感元件的基板，形成有空洞部，在上述空洞部上的薄膜部，隔着电绝缘膜形成有发热电阻体，上述热式流量计根据上述薄膜部的温度分布来检测流量，上述传感元件和上述驱动电路被安装于金属的引线框，上述传感元件、上述驱动电路和上述引线框通过将全周用热固化性树脂密封而被实施芯片封装，至少用于保护驱动电路的芯片部件和空气温度检测元件之任一者被混装在上述芯片封装的内部。

发明效果

根据本发明，能够提供高精度、高可靠性、且结构简单、更廉价的热式流量计。

附图说明

图1是表示本发明的第一实施方式的芯片封装的平面结构图。

图2是表示本发明的第一实施方式的芯片封装的截面图。

图3是表示本发明的第二实施方式的芯片封装的截面图。

图4是安装有本发明第二实施方式的芯片封装的热式流量计的结构图。

图5是表示本发明的第二实施方式的芯片封装的平面结构图。

图6是表示本发明的第三实施方式的芯片封装的平面结构图。

图7是安装有本发明第三实施方式的芯片封装的热式流量计的结构图。

图8是与本发明的第三实施方式类似的芯片封装的平面结构图。

图9是安装有与本发明的第三实施方式类似的芯片封装的热式流量计的结构图。

图10是以本发明第二实施方式为基础的优选的芯片封装的截面图。

具体实施方式

以下，针对本发明的实施方式进行说明。

图1和图2表示本发明第一实施方式的芯片封装的结构。在图1中，芯片封装1中，传感元件2、驱动电路3、贴片电容4和贴片热敏电阻(chip thermistor)5直接安装于作为金属基板的引线框(lead frame)6，传感元件2与驱动电路3之间以及驱动电路3与引线框6之间分别通过金线8a和8b彼此电连接。构成结构为：安装有传感元件2、驱动电路3、贴片电容4、贴片热敏电阻5这些芯片部件的引线框6通过模塑(mold)成形将其全周用热固化性树脂9密封。

如图2的截面图所示，以传感元件2为代表的芯片部件经由粘接剂7a和7b被粘接固定到引线框6。尤其，贴片电容4和图1中标记的贴片热敏电阻5的导电性粘接剂7b为了确保这些芯片部件的电极部与引线框6的导通而需要使用导电性粘接剂。对被测量流量进行测量的传感元件2具有形成于半导体基板的空洞部10，并形成有数微米厚的薄膜部11。在该薄膜部11，隔着电绝缘膜，在发热电阻体及其附近，形成有感温电阻体，薄膜部由发热电阻体来加热，通过利用形成在周围的感温电阻体来检测依赖于流过薄膜部表面的流体的流量变化而产生的薄膜部的温度分布的变化，由此计量出质量流量。基于该测量原理，传感元件2的薄膜部11从覆盖周围的热固化性树脂9部分地露出，被树脂密封。

此外，在传感元件2和驱动电路3的外周形成有铝电极，传感元件2和驱动电路3中上述铝电极之间通过金线8a直接连接，而且与驱动电路3的上述铝电极不同的驱动电路的电源、GND或输出用的铝电极通过金线8b与引线框6连接。驱动电路3中，对形成于传感元件2的发热电阻体的温度进行控制，或者从传感元件2检测出的信号转换成换算为流量后的信号。这些流量信号从驱动电路3经由金线8b，由从热固化性树脂9突出的输入输出端子12进行信号的取入或取出。

图1和图2中示出了同时对保护驱动电路3的贴片电容4和空气温度检测元件的贴片热敏电阻5进行树脂密封的结构，但也可以为仅将其中一者混装到芯片封装1内部的结构。在其中一者的情况下，热式流量计的结构也变简单，能够简化后续的生产工序，因此也能够获得本发明的效果。

在此，针对如本发明所示的对半导体类型的传感元件进行树脂密封的结构中的技术问题进行描述。如用图2说明的那样，传感元件2形成有空洞部10，具有数微米数量级的薄膜部11。该薄膜部11的薄度对作为使用半导体类型的元件的热式流量计的特征的高速响应起很大作用。反之，由于薄膜部11的厚度较薄，因此对机械应力或者因热导致的膨胀收缩产生的应力敏感，尤其在生产过程中需要加以注意。由于具有这样的特征，因此在热固化性树脂9的模塑成形时，成形模具直接接触薄膜部11而有可能使薄膜部11产生损伤或破裂。此外，在用热固化性树脂9密封了上述传感元件2的空洞部10时，被密封在内部的空气依赖于周围的温度变化等而反复膨胀收缩、对薄膜部11施加应力，有可能对流量的检测精度产生坏影响等。

为了避免这些技术问题，在对本发明的芯片封装进行模塑成形的情况下，例如可在成形模具的与薄膜部11接触的部位设置余隙(凹部形状)，以不与薄膜部11直接接触的方式进行模塑成形，并使传感元件2的薄膜部11从成形后的热固化性树脂9部分地露出。此外，对于传感元件2的空洞部10密封时的问题，如图3所示的本发明第二实施方式的芯片封装的截面所示，例如可事先使安装芯片部件的引线框6具有作为通路13的功能，并且在模塑成形时利用成形模具部分地控制上述通路13的出口部14，使出口部14与芯片封装1的外部相连。由此，传感元件2的空洞部10由于始终与热固化性树脂9的外部相连通，因此，因周围温度变化而产生的空洞部10内的空气的膨胀收缩通过释放到热固化性树脂9的外部或者从外部吸入而被吸收，不会对薄膜部11施加应力。

接着，利用图3～图5针对安装于芯片封装内部的芯片部件的优选的配置进行说明。

利用图4针对将芯片封装安装到热式流量计的要点进行说明。图4是将图3中示出截面的芯片封装安装到热式流量计后的结构。芯片封装1被固定到热式流量计的壳体15。对于该固定方法，可使用历来经常使用的热固化型的粘接剂来粘接。作为其它方法，使用常温固化型的粘接剂或机械的固定方法也无多大问题。在壳体15的前端，形成有用于取入在吸气管道16内流过的空气的副通路17。副通路17通过以夹着壳体15的方式配置的罩(cover)构成通路。从芯片封装1的热固化性树脂9露出的传感元件2的薄膜部11与检测空气温度的贴片热敏电阻5以配置在副通路17中的方式配置到壳体15。此外，对于副通路17的形状，图4中以直管型的通路形状为例示出，但也可采用旁路形状等使取入副通路内的空气回旋的通路形状。密封于芯片封装1的树脂的其它芯片部件的驱动电路3和贴片电容4配置在电路室18内，副通路17与电路室18的分界部19利用能够保证副通路17与电路室18之间的气密的方法来分隔。从芯片封装1突出的输入输出端子12通过焊接等在电路室18内与连接端子21连接，从连接器20输出信号。

图5表示图3所示的芯片封装的平面结构图。如上所述，检测流量的传感元件2和驱动电路3安装于引线框6，通过金线8a电连接。通过金线进行键合(bonding)连接的情况下，由于金线的线弧(loop)高度和长度上的制约，优选传感元件2与驱动电路3接近至2～4mm左右。搭载传感元件2和驱动电路3的部位的引线框6的宽度和长度被上述传感元件2和驱动电路3的大小和输入输出端子12的布线所限制。鉴于这些情况，可认为芯片封装1的外形优选为基本上与搭载的芯片部件的大小和配置匹配的最小尺寸的长方形。

接着，利用图3和图5，针对将形成于传感元件的空洞部与热固化性树脂的外部相连的通路及其出口部的结构和配置进行说明。就图3所示的通路13的形成而言，根据搭载上述传感元件2和驱动电路3的部位的引线框6的形状，与这些芯片部件的配置并排地形成是最有效的。即，优选形成在传感元件2或驱动电路3的正下方。如上所述，在将通路13的出口部14设置在传感元件2与驱动电路3之间的情况下，与金线8a交错，因此在现实中无法实现成形。因此，如图5所示，出口部14优选设置在以驱动电路3为中心与传感元件2的配置正相反的位置。根据这些理由，如果将传感元件2、驱动电路3和传感元件2的空洞部10与热固化性树脂9的外部连通的出口部14配置在同一直线方向上并且将驱动电路3配置在传感元件2与出口部14之间，就能够高效地配置芯片部件，能够缩小芯片封装1的尺寸。

如图1或图5的本发明的实施方式的芯片封装的平面结构所示，从正面观察芯片封装1时，覆盖安装有芯片部件的引线框6整体的热固化性树脂9的形状为左右对称的长方形的芯片封装1。在这种结构的情况下，检测空气温度的贴片热敏电阻5与其它芯片部件同样地，全周被热固化性树脂9密封，因此热容小的贴片热敏电阻5假性地增大，因此有可能对空气温度变化的追随性即响应性变差。此外，经由密封全周的热固化性树脂9或引线框6，通过吸气管道或流量计的壳体的传热，有可能导致被测量流体的温度检测精度降低。该问题能够通过下述对策加以改善。

接着，利用图6和图7针对检测被测量流体的温度的贴片热敏电阻的优选配置和芯片封装构造进行说明。图6示出表示本发明第三实施方式的芯片封装的平面结构图。为了克服上述问题，可将搭载贴片热敏电阻5的引线框6延长而安装，密封树脂9的形状也可为仅使贴片热敏电阻5的搭载部突出的异形状。通过这样做，能够抑制假性的热容的增加以及来自热固化性树脂9或引线框6的传热所致的对温度检测的坏影响。

图7表示将本发明第三实施方式的芯片封装安装到热式流量计的例子，作为芯片封装1安装到壳体15的安装方法，优选的方式为：就贴片热敏电阻5的配置而言，在安装到热式流量计的壳体15的情况下优选配置在吸入空气流上游，即空气直接碰撞的位置。通过配置在空气直接碰撞的位置，能够更快速、更高精度地检测空气的温度变化。图4中，传感元件2的流量检测部11和贴片热敏电阻5配置在同一副通路17内。副通路17可考虑旁路形状等各种形状，在将图6中说明的芯片封装应用于这种旁路形状的副通路17的情况下，可采用传感元件2配置到副通路17而贴片热敏电阻5直接配置在吸气管道16内的结构。通过这样做，贴片热敏电阻5的空气温度检测不依赖于副通路17的形状，能够高精度地进行检测。

接着，利用图8和图9针对第三实施方式的其它方案进行说明。图8表示上述其它方案的芯片封装的平面结构图。其特征是，贴片热敏电阻5的配置为配置在与从芯片封装1的热固化性树脂9突出的输入输出端子12的突出方向正相反的位置，即芯片封装1的前端侧。在该结构中，搭载贴片热敏电阻5的引线框6被延长，密封树脂9的形状也为只有贴片热敏电阻5的搭载部突出的形状，因此同样地能够获得图7说明的结构所产生的效果。此外，图9示出了在热式流量计中安装有该其它方案的芯片封装时的结构的例子，但在副通路17为直管形状的情况下，将传感元件2配置到副通路17，向前端侧突出的贴片热敏电阻5的安装部配置到进气管道16内即可。

通过图3与图10的比较，针对本发明的芯片封装的厚度的优选的方式进行说明。首先图3中标记的T1为第二实施方式的芯片封装厚度。如果设想安装在热式流量计，则在本发明中提出的所有芯片封装中，芯片封装的厚度的上限根据壳体的宽度和安装的自由度来决定。如果过薄，显然会产生强度不足等反影响，故也存在下限值，但基本上从布局的自由度的观点出发，需要尽可能抑制芯片封装的厚度。

利用图3的例子进行说明，作为决定芯片封装的厚度的一个因素可以列举金线8a、8b的线弧高度。该金线8a和8b的线弧高度依赖于作为连接对象的传感元件2和驱动电路3的芯片高度和引线框6的阶差(从芯片部件的表面到引线框的芯片部件安装面的距离)。换而言之，在减少芯片封装1厚度的观点下，可以说传感元件2与驱动电路3采用不同芯片高度是有利的。

图10表示驱动电路3的高度比传感元件2的高度低的情况的例子，采用这种组合后，由于能够将驱动电路3的高度降低的部分分配作为金线8a、8b的线弧高度，结果是能够降低金线8a、8b的最高点，能够使芯片封装1的厚度变薄(T1＞T2)。此外，关于传感元件2与驱动电路3的芯片高度的关系，由于传感元件2的芯片高度比驱动电路的芯片高度低的组合也能够获得同样的效果，因此采用这种组合的芯片部件也不会产生问题。

附图标记说明

1……芯片封装

2……传感元件

3……驱动电路

4……贴片电容(保护电路)

5……贴片热敏电阻(空气温度检测元件)

6……引线框

7a……粘接剂

7b……导电性粘接剂

8a、8b……金线

9……热固化性树脂(密封树脂)

10……空洞部

11……薄膜部(流量检测部)

12……输入输出端子

13……通路

14……出口部

15……壳体

16……吸气管道

17……副通路

18……电路室

19……分界部

20……连接器

21……连接端子

Claims (10)

1.一种热式流量计，包括：

取入被测量流体的副通路；

测量所述副通路内的被测量流体的流量的传感元件；

检测被测量流体的温度的温度检测元件；

控制所述传感元件的加热温度的驱动电路；和

保护所述驱动电路不受噪声影响的保护电路，其中，

在所述传感元件的基板，形成有空洞部，在所述空洞部上的薄膜部，隔着电绝缘膜形成有发热电阻体，所述热式流量计根据所述薄膜部的温度分布来检测流量，所述热式流量计的特征在于：

所述传感元件和所述驱动电路被安装于金属的引线框，

所述传感元件、所述驱动电路和所述引线框通过将全周用热固化性树脂密封而被实施芯片封装，

至少用于保护驱动电路的芯片部件和空气温度检测元件之任一者被混装在所述芯片封装的内部。

2.如权利要求1所述的热式流量计，其特征在于：

所述薄膜部从所述热固化性树脂部分地露出。

3.如权利要求1或2所述的热式流量计，其特征在于：

在所述芯片封装，设置有将所述空洞部与所述热固化性树脂的外部连通的连通机构。

4.如权利要求1～3中任一项所述的热式流量计，其特征在于：

所述传感元件、所述驱动电路、以及所述空洞部与外部连通的孔配置在同一直线方向上。

5.如权利要求1～4中任一项所述的热式流量计，其特征在于：

在所述传感元件与所述空洞部与外部连通的孔之间，配置有所述驱动电路。

6.如权利要求1～3中任一项所述的热式流量计，其特征在于：

所述空气温度检测元件被混装在所述芯片封装的内部，所述传感元件与所述空气温度检测元件配置在不同的流路。

7.如权利要求6所述的热式流量计，其特征在于：

所述芯片封装的形状为只有配置有所述温度检测元件的部分突出的形状，且在所述被测量流体的流动上游方向，配置有所述温度检测元件。

8.如权利要求6所述的热式流量计，其特征在于：

所述引线框的一部分从所述芯片封装突出，在与所述突出方向相反的位置，配置有所述温度检测元件。

9.如权利要求5所述的热式流量计，其特征在于：

所述传感元件与所述驱动电路的芯片高度不同。

10.如权利要求9所述的热式流量计，其特征在于：

所述驱动电路的芯片高度比所述传感元件的芯片高度低。