CN105518420B

CN105518420B - 热式流量传感器

Info

Publication number: CN105518420B
Application number: CN201480048418.8A
Authority: CN
Inventors: 土井良介; 田代忍; 铃木和纪; 松本昌大
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2013-09-02
Filing date: 2014-02-03
Publication date: 2018-11-02
Anticipated expiration: 2034-02-03
Also published as: JP6106559B2; US10190899B2; EP3043155A1; EP3043155B1; CN105518420A; US20160209255A1; WO2015029459A1; JP2015049135A; EP3043155A4

Abstract

本发明为了提供一种提高计测精度的热式流量传感器，采用以下构成：该热式流量传感器具有：空气流量检测元件，该空气流量检测元件具有在半导体基板上具备薄膜部的隔膜；以及修正电路部，其在所述隔膜上具有至少一个发热电阻，且在所述发热电阻的上游侧和下游侧至少形成有检测一个个温度的测温电阻，该修正电路部至少根据上游侧和下游侧的两个所述测温电阻的温度差信息处理所述空气流量检测元件的输出信号，其中，所述修正电路部所处理的输出信号的波形是在波形的峰值超过某个任意的规定值时输出所述规定值从而将形成峰值的波峰或波谷的一部分切成所述规定值的波形。

Description

热式流量传感器

技术领域

本发明涉及一种根据向空气的散热量来测量空气流量的热式流量传感器，尤其涉及在测量汽车的内燃机所吸入的空气流量时适用的热式流量传感器。

背景技术

一直以来，作为这种测量空气流量的装置，各种构造及方式的装置已被投入实际使用，而因为伴随着发动机高性能化的流量测定的高精度化要求，特别是为了降低发动机脉动时的传感器误差，研究出了流量传感器的逆流检测方式。以前，专利文献1所代表的那种热线式的流量传感器是主流，而不管是顺流、逆流，特性都是在正方向上变化，因此，在产生逆流这种脉动条件下，热线式流量传感器产生浓误差(日文：リッチ誤差)(平均流量变高的误差)(参照图1)。

对此，能检测顺流和逆流的方向的热式流量传感器由于不必反转逆流波形地进行输出，因此能够抑制所述误差的产生。这种热式流量传感器的通常结构是一种如专利文献2所示那样使用半导体工艺在硅基板(晶圆)形成电阻和绝缘膜、通过背面蚀刻进行薄膜化从而抑制热容量的高速响应型流量传感器。

现有技术文献：

专利文献

专利文献1：日本特开平11-83584号公报

专利文献2：日本特开2012-32247号公报

发明内容

发明要解决的课题

但是，即使是专利文献2所示的流量传感器，在发动机脉动那种超过100Hz的高频脉动下也会产生响应延迟，会产生专利文献1明示的那种负误差(二值化现象)(以下称为“稀误差”(日文：リーン誤差))。作为应对的做法，主流的做法是设计旁通通路构造以使惯性效果发挥作用抵消稀误差。

笔者已知：在旁通设计中，发动机脉动在200％以上(＝产生逆流的脉动条件)的脉动振幅产生的区域里，为了降低200％以下的脉动振幅的区域的误差而设计的旁通构造在产生逆流时难以将逆流取入到旁通通路内，在200％以上的高脉动振幅区域里，有产生浓误差的倾向。

即，流量传感器的响应延迟引起的稀误差和旁通通路的惯性效果引起的浓误差相互抵消的脉动振幅区域是有限制的。近年来出现如下课题：在代表以提高燃料效率为目的的VTC发动机的发动机环境下，产生接近1000％的脉动振幅，以前的流量传感器中会产生浓误差变大的特定的脉动振幅条件。

本发明的目的在于提供一种提高计测精度的热式流量传感器。

用于解决课题的手段

为了解决上述课题，本发明的热式流量传感器构成为，具有：空气流量检测元件，该空气流量检测元件具有在半导体基板上具备薄膜部的隔膜；以及修正电路部，其在所述隔膜上具有至少一个发热电阻，且在所述发热电阻的上游侧和下游侧至少各形成有一个检测温度的测温电阻，该修正电路部至少根据上游侧和下游侧的两个所述测温电阻的温度差信息处理所述空气流量检测元件的输出信号，其中，所述修正电路部所处理的输出信号的波形是在波形的峰值超过某个任意的规定值时输出所述规定值从而将形成峰值的波峰或波谷的一部分切成所述规定值的波形。

发明效果

根据本发明，能够提供一种提高计测精度的热式流量传感器。

附图说明

图1是热线式空气流量计的浓误差的说明图。

图2是热式流量传感器的一实施方式的说明图。

图3(a)是热式流量传感器的输出电压的电气配线图。

图3(b)是热式流量传感器的输出电压的一实施方式的说明图。

图4是热式流量传感器的实车搭载的情况下的说明图。

图5是元件的响应延迟引起的二值化误差的说明图。

图6是本发明的脉动误差的说明图。

图7是本发明的修正方法的一实施方式的说明图。

图8是修正前的元件输出波形的说明图。

图9是本发明的修正方法的一实施方式的波形的说明图。

图10(a)是说明实车上的节气门开度和平均流量的关系性的图。

图10(b)是说明实车上的节气门开度和脉动率的关系性的图。

图11是本发明的修正方法的一实施方式的说明图。

图12是说明本发明的经过HPF修正之后的波形的图。

图13是本发明的修正方法的一实施方式的说明图。

图14是本发明的修正方法的一实施方式的说明图。

图15是本发明线性变换修正的说明图。

图16(a)是说明输入波形混入噪声前后的钳位修正值的切换的图。

图16(b)是说明输入波形混入噪声产生的钳位修正误差的图。

图17是说明输入波形混入噪声前后的流量修正值的切换的图和输入波形混入噪声所产生的加法方式修正误差的图。

附图符号说明：

10……硅基板；

11……绝缘膜和电阻的层叠膜；

12……隔膜；

13……加热器；

14……上游测温电阻；

15……下游测温电阻；

16……中间电位；

20……传感元件；

25……支承基板；

30……壳体构件；

40……吸气管道。

具体实施方式

下面，说明本发明的实施方式。

首先，对热式流量传感器进行大概说明。图2表示热式流量传感器的传感元件20。传感元件20是使用半导体技术制造的。在硅基板(晶圆)10上形成层叠氧化膜或氮化膜的绝缘膜、电阻而成的层叠膜11之后，通过蚀刻从硅基板10的背面侧去除硅形成空洞部。这时，层叠膜11形成为作为薄膜部残留。该薄膜部称为隔膜12。该隔膜12上的中心部配置有加热电阻的加热器13，该加热器13的上游侧及下游侧配置有相对于加热器13左右对称的上游测温电阻14、下游测温电阻15。通常作为检测方法，通常串联连接上游测温电阻14和下游测温电阻15，提取其中间电位(Eout)16作为流量信号(参照图3(a))。此外，图3(b)表示此时的流量和Eout的关系。

下面，图4表示搭载有上述传感元件20的热式流量传感器的概略图。

传感元件20搭载在支承基板25上，该支承基板25与壳体构件30连接，具有用来将吸气管道40的一部分空气诱导向传感元件20的旁通通路31。

在这种安装环境下，脉动的空气到达热式流量传感器。脉动的频率取决于发动机的活塞转速。脉动流的频率一般是10Hz～200Hz左右。相对于该脉动流，传感元件20的输出会产生响应延迟。笔者通过实验确认到，尤其对于用半导体技术制造的元件，大概40Hz以上的频率就会产生响应延迟。这里产生响应延迟时，由于空气流量和输出信号的非线性特性会产生负误差(稀误差)(参照图5)。

对此，近年来，做出了改善因热式流量传感器的响应延迟造成的稀误差的努力，其结果是，如图4所示，设置使空气迂回流动的旁通通路31，在该旁通通路31配置流量传感器。此外，通过使取入的吸入空气迂回来离心分离吸入空气所含的灰尘等，由此，向传感元件20的灰尘等的到达量也一并降低。这种迂回旁通通路方式如图6的脉动时特性(误差)所示，没有旁通通路的状态(没有旁通)时，发动机脉动时会因为流量传感器的响应延迟而产生稀误差。因此，作为使稀误差回到零基准(向浓侧修正)的做法，利用在旁通通路流动的空气的惯性。

但是，虽然利用这种迂回旁通通路构造的惯性效果，在图6所示的产生逆流的脉动振幅率(200％)以下的低脉动振幅区域，有使脉动误差接近零的有效方法，但是在200％以上的高脉动振幅区域，存在如下问题：这时浓误差的趋势变强，很难全部覆盖从低区域到高区域的范围。

实施例一

图7表示本发明的修正单元的一构成例。传感元件20的输出即元件输出被取入修正LSI内部，被内部的A/D转换器A/D转换(D-in)。该输入值通过最大值检测电路及最小值检测电路，由此分别被识别为D-max、D-min。这两个输出值通过计算模块算出平均流量(D-ave)和流量振幅(D-amp)的数值。以这两个输出值为参数的修正钳位值(D-clp)通过钳位修正映射选择。通过比较计算该修正钳位值(D-clp)和原输入值(D-in)能够防止原输入值比修正钳位值大。即，比较原输入值(D-in)和修正钳位值(D-clp)时，在不超过修正钳位值(D-clp)的情况下，原输入值(D-in)作为通过波形比较来比较计算而得的数值(D-out)而输出，另一方面，在超过修正钳位值(D-clp)的情况下，修正钳位值(D-clp)作为通过波形比较来比较计算而得的数值(D-out)而输出。另外，输入值超过某个任意规定值(这里，与修正钳位值对应)时，输出该任意规定值，并且以该规定值成为波形的振幅的最大值(或者最小值)的方式进行设定，以后将以某个任意规定值切割输出波形的波峰(或波谷)的操作称为钳位，将这种修正称为钳位修正。

被比较计算的数值(D-out)被D/A转换并作为流量传感器的输出信号输出，被ECU读取。

下面，使用图8及图9说明上述修正方法的效果。首先，图8表示脉动振幅率在200％以上(脉动振幅直到逆流区域)的状态。图8的实线表示实际的吸气管道内的脉动波形，其平均值(粗点划线)是实际的数值。相对地，对流量传感器的元件输出进行A/D转换而得的数值成为图8的D-in的虚线波形。该虚线波形相对于实际的空气脉动产生响应延迟，振幅变小，并且，示出了通过旁通旁路的迂回产生的惯性效果而使整体的平均值在正误差方向上大幅偏移的波形。由此，D-in的平均值(细点划线)作为脉动误差示出浓误差。

另一方面，使用图9说明在LSI内部修正的情况。对于输入值D-in，用最大值、最小值检测电路分别识别出D-max和D-min。从这些数值算出平均流量(D-ave)和流量振幅(D-amp)的数值，根据LSI内部的钳位修正映射选择某个修正钳位值(D-clp)。然后，D-in与D-clp比较计算，导出D-out输出。这时的D-out的平均值如图9所示，因为波形的上部波形被切除，所以平均值变小并能够接近实际的空气平均流量值，能够提供误差更小的高精度热式流量传感器。此外，由上述最大值、最小值检测电路得到的数值被设定成每到某个时刻就更新或者衰减。

下面，说明本实施例中对波形进行钳位的优点。修正波形的方法大致分为两类：像钳位那样切除波形的一部分进行修正的情况、以及通过在波形自身上补足修正量自身来进行修正的方法。修正通常的脉动波形时可以认为都是有效的修正方法。但是，对于发动机脉动，不只是得到始终稳定的脉动波形，还可能是混有噪声的波形。这里，将混有噪声时的各个修正波形表示在图16、图17中。

首先，使用图16说明进行钳位修正的方法。

图16(a)表示出元件输出(D-in)混入了噪声时的波形，对于这时用LSI检测出的最小值，在混入噪声前和混入噪声后识别的值是不同的。由此，适用钳位值不同的值(D-clp2)。但是，进行钳位修正时，只要原波形不超过钳位值就还是原波形本身，因此产生误差的部分只是一部分。其输出波形为图17(b)的D-out。

使用图17说明相对地加上修正量的方式。

图17同样表示出元件输出(D-in)混入了噪声时的波形，对于这时用LSI检测出的最小值，在混入噪声前和混入噪声后识别的值是不同的。由此，适用修正值不同的值(-x2)。补足了修正量时的输出波形如图17所示，因为始终补足修正量所以整个波形上始终会产生误差[(－x1)－(－x2)]量，修正精度可能恶化。

因此，在波形中混入噪声这种情况下，钳位修正的方式的修正误差变得更小。

此外，本实施例为了降低图6所示的那种浓误差，说明了对脉动波形的波峰进行钳位的实施例，但是对于降低稀误差，只要对脉动波形的波谷进行钳位就能够同样地降低稀误差，这是清楚明了的。

综上，提供了这样一种热式流量传感器：即便是例如代表以提高燃料效率为目的的VTC发动机的产生高脉动振幅的发动机环境下，输出信号的脉动误差也较低，而且还提高了对噪声的修正精度。

实施例二

下面，说明本发明的另一构成例。

首先，对钳位修正值由平均流量和振幅值这两个参数决定的情况进行说明。使用图10(a)、(b)说明实车发动机中的脉动动作。图10(a)示出了简易表示节气门的开度和当时流动的空气脉动的平均值的图表。节气门开度增大时，管道内流动的平均流量变大。此外，平均流量取决于当时的发动机转速。此外，发动机转速原封不动地取决于脉动波形的频率。

接着，图10(b)示出了简易表示节气门的开度和当时流动的空气脉动的脉动振幅率的图表。此外，脉动振幅率用下面的数学式(1)来计算。

(脉动振幅率)＝(脉动振幅量)/(平均流量)(1)

如图10(b)所示，节气门开度一变大，空气脉动的脉动振幅率就变大。此外，平均流量取决于当时的发动机转速。

综上，实车发动机的空气脉动是取决于“频率”、“平均流量”、以及“脉动振幅率(脉动振幅量)”的物理现象。通过这三个参数的组合来决定流量计的误差。即，在各脉动条件下，只要能在传感器内部、即在修正LSI、正确读取各参数，就可以进行对应的修正。

但是，对于持有三个参数，要具有三维的修正值，修正LSI内部的修正值映射以及计算步骤需要过大，导致成本变高。

因此，笔者通过结合HPF(Highpassfilter高通滤波器)等频率响应补偿和上述修正(图7)，来进一步提高修正精度并实现LSI的降成本。该构成表示在图11中。

与图7的不同点在于用A/D转换器进行A/D转换之后进行HPF的修正处理。通过HPF的修正处理，以使因响应延迟而衰减的输出波形(输出振幅)接近实际的空气脉动振幅的方式进行修正。由此，取决于频率的响应延迟所造成的稀误差被消除。即，三个参数中的一个即“频率”的脉动误差的依存性降低。由此，只要将与剩下的参数即“平均流量”和“脉动振幅量”相对应的修正施加到输入信号，就可以进行更高精度的脉动修正。此外，需要修正的钳位修正值从三维映射减少成二维映射，因此改善了LSI的成本上升。

此外，根据本实施例，钳位修正值通过以被检测出的平均值和脉动振幅量为参数来决定，因此在不产生脉动的DC波形中，振幅量基本为零，所以在振幅量为零那样的小数值时，只要将钳位修正值设成相当大的值，则完全不进行修正也能使对静特性的影响为零。即，本修正的特征在于，在不需要修正的静特性条件下，完全没有修正影响，且只在需要修正的动特性的条件下进行有效的修正。

此外，在本实施例中，说明了为了降低频率的依存性而加上以HPF等为代表的频率响应补偿，但是，在上述的通过降低以惯性效果等为代表的旁通构造所引起的脉动误差的做法、可以不修正响应延迟造成的稀误差的情况下，可以通过图7所示的修正做法进行脉动修正。

实施例3：

但是，虽然误差本身被旁通构造减小了，但元件输出自身照旧是高频脉动的波形因为响应延迟而相对于实际的脉动振幅量衰减而成的波形。在这种情况下，不能正确识别波形的最大值和最小值，有时不能进行与其脉动条件相适应的修正。使用图13说明用来解决这个问题的修正方法的一例的构成。

输入信号不通过HPF修正，从而防止脉动误差的浓化，并且对于波形的最大值、最小值，需要对接近实际的脉动振幅量的数值进行检测，因此仅使最大值、最小值检测的输入通过HPF，由此来改善波形的衰减，能够更高精度地识别上述峰值。由此，通过正确识别脉动条件，可以进行高精度的修正。

因此，能够提供图6所示的即使在高脉动区域也会降低浓误差的高精度的热式流量传感器。

实施例4：

此外，对于上述修正方法，图14示出更高精度地识别用最大值、最小值检测电路检测出的数值的一构成例。

图14以实施例2的修正方法为基准，但是其他实施方式也一样。如图14所示，本实施例是用线性变换电路对进行了HPF的响应延迟补偿之后的信号进行修正的构成。使用图15详细说明该修正。

传感元件20的输出如图15所示相对于空气流量是非线性曲线的关系。因此，没有弯曲修正时的输出值(D-in)成为图示的那种具有弯曲的特性。这种情况下，即脉动波形的振幅量(Qa)相同而平均流量不同的情况下，若平均流量不同，则在LSI中振幅量(Va)被检测为分别不同的数值，因此修正的精度下降。

相对地，一旦加入线性变换修正，则即使是脉动波形的平均值发生变化的情况下，也能够正确检测振幅量。由此，可以进行高精度的修正。

Claims

1.一种热式流量传感器，具有：

空气流量检测元件，该空气流量检测元件具有在半导体基板上具备薄膜部的隔膜；以及修正电路部，其在所述隔膜上具有至少一个发热电阻，且在所述发热电阻的上游侧和下游侧至少各形成有一个检测温度的测温电阻，该修正电路部至少根据上游侧和下游侧的两个所述测温电阻的温度差信息处理所述空气流量检测元件的输出信号，

所述热式流量传感器的特征在于，

所述修正电路部所处理的输出信号的波形是在波形的峰值超过某个由平均流量和振幅值这两个参数决定的规定值时输出所述规定值从而将形成峰值的波峰或波谷的一部分切成所述规定值的波形。

2.根据权利要求1所述的热式流量传感器，其特征在于，

所述平均流量和所述振幅根据以所述空气流量检测元件的输出信号为基础的信号求得。

3.根据权利要求2所述的热式流量传感器，其特征在于，

所述平均流量和所述振幅值是根据以所述空气流量检测元件的输出信号为基础的信号，使用检测最大值的电路和检测最小值的电路所检测出的各个数值求得的。

4.根据权利要求3所述的热式流量传感器，其特征在于，

以所述空气流量检测元件的输出信号为基础的信号是由对所述空气流量检测元件的输出信号补偿响应延迟的电路进行了修正的信号。

5.根据权利要求3或4所述的热式流量传感器，其特征在于，

所述输出信号由频率响应电路进行修正处理。

6.根据权利要求3或4所述的热式流量传感器，其特征在于，

输入到所述检测最大值的电路及检测最小值的电路的信号是用流量与输出的关系在线性方向上对所述输出信号进行了修正而成的信号。