DE10035665A1 - Heizelement-Luftmassenmesser und Brennkraftmaschinensteuervorrichtung zur Verwendung desselben - Google Patents

Abstract

Ein Heizelement-Massenmesser ist so aufgebaut, dass ein Heizwiderstand (4) im wesentlichen in einer geraden Linie senkrecht zur Luftströmungsrichtung (10) angeordnet ist. Zumindest ein Paar von Temperaturwiderstandsmesselementen (6a, 6b; 6c, 6d) sind jeweils getrennt stromauf und stromab des Heizwiderstands (4) angeordnet. Die Heizwiderstände (4) und die Temperaturwiderstandsmesselemente (6a-6d) sind symmetrisch in bezug auf die Luftströmungsrichtung (10) (die x-Richtung) und die Richtung senkrecht zur Luftströmung (10) (die y-Richtung) angeordnet, d. h. in zweifacher Rotationssymmetrie. Es sind Schlitze (5a, 5b) in jeweiligen Bereichen in der Nähe der beiden Enden des Heizwiderstands (4) geformt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Heizelement-Luftmassenmesser und eine Brennkraftmaschine, die den Sensor verwendet, und insbesondere einen Heizele­ ment-Luftmassenmesser, der zum Messen der in eine Brennkraftmaschine eingelas­ senen Einlaßluftmenge geeignet ist, und eine Brennkraftmaschine, die den Sensor verwendet.

Ein Heizelement-Luftmassenmesser ist so beschaffen, daß er eine Luftmassenrate direkt messen kann, und er wurde als Hauptstromsensor zum Messen des Durchsat­ zes der in eine Brennkraftmaschine eingelassenen Einlaßluft für ein Auto verwen­ det. Vor kurzem erregte aufgrund seiner geringen Herstellungskosten und seines geringen Leistungsverbrauchs speziell ein Heizelement-Luftmassenmesser Auf­ merksamkeit, der ein mit einer Halbleitermikrobearbeitungstechnik hergestelltes Dünnschichterfassungselement verwendet, und ein Beispiel für einen derartigen Sensor ist in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Hei 10-253414 beschrieben. Dieses Dokument beschreibt einen Heizelement-Luftmassenmesser, der ein soge­ nanntes Temperaturdifferenzverfahren verwendet, bei dem der Luftmassendurchsatz am Sensor aus dem Temperaturunterschied zwischen zwei Dünnschichttemperatur­ widerstandsmesselementen derselben Größe gemessen wird, die getrennt stromauf und stromab eines Dünnschichtheizwiderstands angeordnet sind. Diese herkömmli­ che Technik wird im folgenden mit Bezug auf die Fig. 11 und 12 erläutert.

Fig. 11 zeigt eine Draufsicht auf ein Sensorelement, und Fig. 12 zeigt eine vertikale Ansicht des Sensors bei der in Fig. 11 gezeigten x-Achse. In diesen Figuren be­ zeichnen die Bezugszeichen 2, 3 und 4 jeweils ein Halbleitersubstrat, einem Dia­ phragmaabschnitt und einen Heizwiderstand. Außerdem bezeichnen die Bezugszeichen 6a und 6c sowie 9 jeweils Temperaturmesselemente und einen Hohlraumab­ schnitt. Außerdem bezeichnen jeweilige Bezugszeichen 12b, 12c und 12f sowie 24 Anschlußelektroden und als Dummy geformte Widerstände. Weiterhin zeigt die x- Achse die Richtung der Luftströmung und die y-Achse die Längsrichtung des Heizwiderstands 4 an.

Der Hohlraumabschnitt 9 ist auf einer Seite des Halbleitersubstrats 2 und der Dia­ phragmaabschnitt 3 auf der anderen Seite des Substrats 2 ausgebildet, um das Dia­ phragma 3 zu verschließen. Außerdem sind der Heizwiderstand 4 auf dem Dia­ phragmaabschnitt 3, das eine Element 6a des Temperaturwiderstandsmesselemente­ paares stromauf des Heizwiderstands 4 und das andere Element 6b stromab des Heizwiderstands 4 ausgebildet.

Hier sind die Anschlußelektroden 12b, 12c und 12f Kontaktabschnitte des jeweili­ gen Widerstands und der Messelemente, und die als Dummy geformten Widerstän­ de sind zur Verbesserung der Temperaturverteilung in Längsrichtung des Heizwi­ derstands 4 vorgesehen.

Der Heizwiderstand 4 wird während der Messung des Luftmassendurchsatzes mit­ tels Durchführung einer Rückführsteuerung für die Stromzufuhr zum Widerstand 4 mit Energie versorgt, um die Temperatur des Widerstands um eine vorgegebene Differenz höher als die der gemessenen Luft zu halten.

Unter diesen Bedingungen wird der Luftmassendurchsatz mittels Vergleichen der beiden Widerstandswerte der gepaarten Temperaturwiderstandsmesselemente 6a und 6c, die jeweils stromauf und stromab des Heizwiderstands 4 angeordnet sind, gemessen, wobei diese Art der Messung das ursprüngliche Temperaturdifferenzver­ fahren ist.

Da die Widerstandswerte der Temperaturwiderstandsmesselemente 6a und 6c tem­ peraturabhängig sind, werden diese Widerstandswerte durch die Temperatur des Diaphragmas 3 auf dem Hohlraumabschnitt 9 bestimmt. Außerdem hängt die Tem­ peraturverteilung des Diaphragmas 3 von der durch den Heizwiderstand 4 erzeugten Wärme und des am Sensor strömenden Massendurchsatzes ab.

Wenn keine Luftströmung am Sensor vorhanden ist, ist die durch den Heizwider­ stand 4 verursachte Temperaturverteilung des Diaphragmas 3 stromauf und stromab des Widerstands 4 zunächst symmetrisch in bezug auf die senkrecht zur Luftströ­ mungsrichtung liegende y-Achse. Dementsprechend wird kein Unterschied zwi­ schen der Temperatur des Messelements 6a und der des Messelements 6c erzeugt.

Wenn andererseits Luft am Sensor in Richtung der x-Achsen strömt, ist die Kühl­ wirkung am Messelement 6a, der stromauf des Widerstands 4 angeordnet ist, größer als die am Messelement 6c, das stromab des Widerstands 4 angeordnet ist. Daher entsteht aufgrund des am Sensor strömenden Luftmassendurchsatzes eine Differenz zwischen der Temperatur des Messelements 6a und der des Messelements 6c.

Diese Temperaturdifferenz wird als Differenz zwischen den Widerstandswerten der Messelemente 6a und 6c erfaßt. Außerdem wird, wenn keine Differenz zwischen den Widerstandswerten der beiden Messelemente 6ä und 6b vorliegt, der Luftma­ ssendurchsatz zu 0 gesetzt und durch Erfassen der Differenz der Widerstandswerte gemessen.

Jedoch wird in der obigen herkömmlichen Technik die Temperaturverteilung in Richtung senkrecht zur Luftströmungsmeßrichtung des Heizwiderstands nicht aus­ reichend berücksichtigt, was wiederum ein Problem bezüglich der Gewährleistung einer Meßgenauigkeit mit sich bringt.

Bei Sensoren, die das Temperaturdifferenzverfahren verwenden, beeinflußt die Temperaturverteilung in Richtung senkrecht zur Luftströmungsmeßrichtung (die Längsrichtung des Heizwiderstands) die Meßgenauigkeit stark, obwohl der Luftma­ ssendurchsatz durch Erfassend der Änderungen der Temperatur in Luftströmungs­ richtung gemessen wird.

Jedoch ist in der herkömmlichen Technik die Wirkung der obengenannten Tempera­ turverteilung in Längsrichtung des Heizwiderstands nicht ausreichend berücksich­ tigt, und es besteht das obengenannte Problem.

Obwohl der an einer Seite jedes Temperaturwiderstandsmesselements angeordnete als Dummy geformte Widerstand 24 zur einheitlichen Temperaturverteilung bei­ trägt, werden hier die Formen des Heizwiderstands 4 und die Messelemente 6a und 6c ihrerseits nicht speziell berücksichtigt.

Die Form des Heizwiderstands 4 ist in der herkömmlichen Technik symmetrisch in bezug auf die in der Figur gezeigte y-Achse. Da jedoch die Anschlußelektroden 12b, 12c und 12f auf den jeweiligen Widerständen an einer Seite der jeweiligen Wider­ stände angeordnet sind, ist das Formenmuster dieser Widerstände symmetrisch in bezug auf die x-Achse.

Daher wird, wenn dem Heizwiderstand 4 Energie zugeführt wird, Wärme an der Anschlußelektrode (dem Kontaktabschnitt) 12c erzeugt, was wiederum die Spitze der Temperaturverteilung des Wärmewiderstands 4 in Richtung des Kontaktab­ schnitts 12c der y-Achsenrichtung hin verschiebt, wie es durch die durchgezogene Linie 25 in Fig. 13 gezeigt ist.

Da, wie oben erläutert, eine Verschiebung (ΔL) der Spitze der Temperaturverteilung in bezug auf den Mittelpunkt der Länge (L1) des Heizwiderstands 4 verursacht wird, wird die Temperaturverteilung im Bereich der Länge (L2) der Temperaturwi­ derstandsmesselemente 6a und 6c verzerrt, was einen Fehler beim Messen des Luftmassendurchsatzes bewirkt (beim Messen der Temperaturdifferenz zwischen den Elementen 6a und 6c).

Wenn die x-Achsenrichtung durch die Änderung der Befestigungsposition des Luftmassenmessers zur Richtung der Luftströmung hin geneigt ist, wird dieser Fehler beim Messen des Luftmassendurchsatzes beachtlich, und die Verschiebung (Ab) der Spitze der Temperaturverteilung wird groß, was wiederum die Spitze au­ ßerhalb der Wirkbereiche der jeweiligen Messelemente 6a und 6c schieben kann.

Da außerdem die Kontaktabschnitte 12b und 12f der Messelemente 6a und 6c in der herkömmlichen Technik aus demselben Material bestehen (mit denselben Wider­ standswerten) wie das (diese Werte) der Messelemente 6a und 6c, besitzen die Wi­ derstandswerte dieser Kontaktabschnitte 12b und 12f eine Temperaturabhängigkeit. Um dem Ganzen die Krone aufzusetzen, wird, da diese Kontaktabschnitte 12b und 12f an einer Seite dieser Messelemente 6a und 6c angeordnet sind, die Temperatur­ verteilung in jedem dieser Messelemente 6a und 6c ebenso wie die des Heizwider­ stands 4 asymmetrisch in bezug auf die x-Achse, wobei diese Messelemente 6a und 6c auch den Fehler beim Messen des Luftmassendurchsatzes erhöhen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Heizelement-Luftmassen­ messer anzugeben, bei dem die Meßgenauigkeit durch geeignetes Einstellen der Temperaturverteilung im Luftmassenmesser ausreichend verbessert ist.

Zur Lösung der obigen Aufgabe gibt die vorliegende Erfindung einen Heizelement- Luftmassenmesser zum Messen eines Luftdurchsatzes unter Verwendung zumindest eines Heizwiderstands an, der auf einer Seitenfläche einer auf einem Halbleitersub­ strat ausgebildeten elektrischen Isolierschicht angeordnet ist, die einen im Halblei­ tersubstrat geformten Hohlraumabschnitt bedeckt, wobei der Heizwiderstand im wesentlichen in einer im wesentlichen geraden Linie senkrecht zur Richtung einer zu messenden Luftströmung angeordnet ist. Es sind Schlitze im Heizwiderstand ge­ formt, und es fließt ein Strom durch den Heizwiderstand, um diesen zu erwärmen.

Außerdem hat der Heizwiderstand in dem obigen Heizelement-Luftmassenmesser z. B. eine derartige Struktur, daß die Stromdichte, die in den jeweiligen Bereichen fließt, in denen die Schlitze geformt sind, größer ist als die Stromdichte, die in ande­ ren Bereichen des Heizwiderstands fließt.

Außerdem gibt die vorliegende Erfindung einen Heizelement-Luftmassenmesser zum Messen eines Luftdurchsatzes unter Verwendung zumindest eines Heizwider­ stands an, der auf einer Seitenfläche einer auf einem Halbleitersubstrat ausgebilde­ ten elektrischen Isolierschicht angeordnet ist, die einen im Halbleitersubstrat ge­ formten Hohlraumabschnitt bedeckt, wobei ein Bereich in der elektrischen Isolier­ dünnschicht, der gerade den Hohlraumabschnitt im Halbleitersubstrat bedeckt, im wesentlichen rechtwinklig ist, mit der Größe w in Richtung der Luftströmung und der Größe D in Richtung senkrecht zur Luftströmung, und wobei diese Größen der Ungleichung: D < 4W genügen sollten.

Außerdem gibt die vorliegende Erfindung einen Heizelement-Luftmassenmesser zum Messen eines Luftdurchsatzes unter Verwendung zumindest eines Heizwider­ stands an, der an einer Seitenfläche einer auf einem Halbleitersubstrat gebildeten elektrischen Isolierschicht angeordnet ist, die einen im Halbleitersubstrat geformten Hohlraumabschnitt bedeckt, und unter Verwendung von zumindest einem Paar Temperaturwiderstandsmesselementen, die jeweils getrennt stromauf und stromab des Heizwiderstands auf der elektrischen Isolierdünnschicht angeordnet sind, wobei ein Bereich der elektrischen Isolierdünnschicht, der gerade den Hohlraumabschnitt im Halbleitersubstrat bedeckt, im wesentlichen rechtwinklig ist, mit der Größe w in Richtung der Luftströmung und der Größe D in Richtung senkrecht zur Luftströ­ mung, und diese Größen der Ungleichung: D < 4W genügen sollten, wobei der Heizwiderstand die Länge L1 hat und die Länge L1 und die Größe D der Unglei­ chung: D < 1,1 . L1 genügen sollten, und wobei jedes Temperaturwiderstandsmeß­ element die Länge L2 hat und die Längen L2 und L1 der Ungleichung: L1 < 1,05 . L2 genügen sollten.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Sensorelement eines Heizelement-Luftmassenmessers einer erfindungsgemäßen Ausführungsform,

Fig. 2 einen vertikalen Querschnitt des in Fig. 1 gezeigten Sensorelements,

Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht eines Hauptabschnitts des in Fig. 1 gezeigten Senso­ relements,

Fig. 4 eine Darstellung eines Beispiels für einen Einbau des erfindungsgemäßen Heizelement-Luftmassenmessers,

Fig. 5 eine Darstellung eines Einbaubeispiels des Sensorelements und einer Meß­ schaltung des erfindungsgemäßen Heizelement-Luftmassenmessers,

Fig. 6 eine genauere Darstellung der Meßschaltung des erfindungsgemäßen Heize­ lement-Luftmassenmessers,

Fig. 7 einen Graphen, der die Änderung der Temperaturverteilung in einem Dia­ phragmaabschnitt eines herkömmlichen Luftmassenmessers zeigt,

Fig. 8 einen Graphen, der den Vergleich der Temperaturverteilung in einem Dia­ phragmaabschnitt eines Luftmassenmessers mit Schlitzen im Heizwiderstand gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform und der eines Luftmassenmessers ohne Schlitze im Heizwiderstand zeigt,

Fig. 9 einen Graphen, der die Änderung der Temperaturverteilung in einem Dia­ phragmaabschnitt eines Luftmassenmessers einer erfindungsgemäßen Ausführungs­ form zeigt, die mit der Änderung der Länge des Diaphragmaabschnitts korrespon­ diert,

Fig. 10 eine vergrößerte Ansicht eines Hauptabschnitts eines Sensorelements eines Luftmassenmessers einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform,

Fig. 11 eine Draufsicht auf ein Sensorelement eines herkömmlichen Luftmassen­ messers,

Fig. 12 einen vertikalen Querschnitt des in Fig. 11 gezeigten Sensorelements und

Fig. 13 einen Graphen, der die Temperaturverteilung in einem Diaphragmaabschnitt eines herkömmlichen Luftmassenmessers zeigt.

GENAUE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Im folgenden werden erfindungsgemäße Ausführungsformen eines Heizelement- Luftmassenmessers genauer mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf ein Sensorelement eines Heizelement-Luftmassen­ messers einer erfindungsgemäßen Ausführungsform, und Fig. 2 zeigt einen vertika­ len Querschnitt des in Fig. 1 gezeigten Sensorelements. Außerdem zeigt Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht eines Hauptabschnitts des obigen Sensorelements. Bezugszei­ chen 1 bezeichnet das Sensorelement 1, das auf einem Halbleitersubstrat 2 ausgebil­ det ist.

Das Halbleitersubstrat 2 ist eine Platte aus einem Siliziumeinkristall (Si), auf dessen einer Seite ein Hohlraumabschnitt 9 geformt ist und auf dessen anderer Seite (eine in Fig. 2 gezeigte Oberseite) ein Diaphragmaabschnitt 3 ausgebildet ist. Hier ist die Gestalt des Hohlraumabschnitts 9 in der Draufsicht im wesentlichen rechtwinklig.

Der Diaphragmaabschnitt 3 entspricht einem den Hohlraumabschnitt 9 bedeckenden Bereich in einer auf einer Oberfläche des Halbleitersubstrats 2 ausgebildeten elektri­ schen Isolierschicht 8a. Außerdem sind ein Heizwiderstand 4, zwei stromauf des Widerstands 4 angeordnete Temperaturwiderstandsmesselemente 6a und 6b sowie ein weiteres stromab des Drahtes 4 angeordnetes Paar von Temperaturwiderstands­ messelementen 6c und 6d auf der Oberfläche der elektrischen Isolierschicht 8a aus­ gebildet. Hier besteht die Oberfläche der elektrischen Isolierschicht 8a aus einer Siliziumdioxiddünnschicht (SiO₂).

Der Heizwiderstand 4 besteht aus einer polykristallinen oder einkristallinen Silizi­ umdünnschicht, in die eine Unreinheit dotiert ist, so daß die Schicht eine vorgege­ bene elektrische Leitfähigkeit (Widerstand) besitzt. Außerdem ist er als dünnes Band geformt, in das Schlitze 5a und 5b geformt sind, und der Heizwiderstand 4 ist in seitlicher Richtung im jeweiligen Abschnitt in der Nähe der Endseiten des Wi­ derstands 4 unterteilt. Somit fließt ein Wärmestrom in y-Achsenrichtung in den Heizwiderstand 4, der an jedem der Schlitze 5a und 5b aufgeteilt wird.

Außerdem bestehen auch die Temperaturwiderstandsmesselemente 6a-6d aus ei­ ner polykristallinen oder einkristallinen Siliziumdünnschicht, in die eine Unreinheit dotiert ist, so daß die Schicht eine vorgegebene elektrische Leitfähigkeit (Widerstand) besitzt, und sie sind als dünnes Band geformt.

Außerdem sind ein Lufttemperaturmesswiderstand 7, Kontaktstreifen 11 (11a, 11b, 11c, 11d, 11e, 11f, 11g, 11h, 11i, 11j, 11k und 11l) für die jeweiligen Widerstände und Anschlußelektroden 12 (12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f, 12g und 12h) in einem Bereich außerhalb des Diaphragmaabschnitts 3 auf der elektrischen Isolierschicht 8a geformt.

Der Lufttemperaturmesswiderstand 7 besteht auch aus einer polykristallinen oder einkristallinen Siliziumdünnschicht, in die eine Unreinheit dotiert ist, so daß die Schicht eine vorgegebene elektrische Leitfähigkeit besitzt.

Andererseits wird die Konzentration der Unreinheit in den Streifen 11 erhöht, so daß die Leitfähigkeit etwas größer wird, obwohl die Kontaktstreifen 11 auch aus einer polykristallinen oder einkristallinen Siliziumdünnschicht bestehen, in die eine Unreinheit dotiert ist.

Die Anschlußelektroden 12 sind Dünnschichtanschlußflächen aus Aluminium (Al), Gold (Au), etc.

Außerdem ist die Oberfläche der elektrischen Isolierschicht 8a mit einer elektri­ schen Isolierschicht 8b bedeckt, so daß die Widerstände usw. geschützt sind, wie es in Fig. 2 gezeigt ist.

Hier ist der Heizwiderstand auf einer Linie senkrecht (die y-Achsenrichtung) zur durch den Pfeil 10 gezeigten Luftströmungsrichtung (die x-Achsenrichtung) ange­ ordnet. Außerdem sind, wie oben beschrieben, die Schlitze 5a und 5b im Heizwi­ derstand 4 geformt, und dieser Widerstand ist in seitlicher Richtung in einem jewei­ ligen Bereich in der Nähe der Endseitenabschnitte des Widerstands 4 geteilt. Außer­ dem sind die Paare der Temperaturwiderstandsmesselemente (6a und 6b) und (6c und 6d) jeweils getrennt voneinander und symmetrisch stromauf und stromab des Heizwiderstands 4 in Luftströmungsrichtung angeordnet.

Daher sind der Heizwiderstand 4 und die Temperaturwiderstandsmesselemente 6a, 6b, 6c und 6d sowohl symmetrisch in bezug auf die Luftströmungsrichtung (die x- Achsenrichtung) und als auch auf die Richtung senkrecht zur Luftströmungsrich­ tung (die y-Achsenrichtung) ausgebildet, d. h., sie sind auf zweifach rotationssym­ metrisch ausgebildet.

Im folgenden wir der Meßbetrieb des Heizelement-Luftmassenmessers dieser Aus­ führungsform erläutert.

Zunächst wird Strom in den Heizwiderstand 4, der durch die elektrische Isolier­ schicht 8a und den Hohlraumabschnitt 9 thermisch isoliert ist, eingespeist und der eingespeiste Strom gesteuert, so daß die Temperatur des Widerstands 4 um einen vorgegebenen Betrag höher als die der Luftströmung 10 gehalten wird.

Hier wird die Temperatur der Luftströmung 10 durch Messen des Widerstandswer­ tes des Lufttemperaturmesswiderstands 7, wie später erläutert wird, erfaßt.

Somit werden der Luftmassendurchsatz und die Luftströmungsrichtung durch Ver­ gleichen der Temperatur (des Widerstands) der stromauf angeordneten Tempera­ turwiderstandsmesselemente 6a und 6b mit derjenigen der stromab angeordneten Temperaturwiderstandsmesselemente 6c und 6d gemessen.

Wenn die Luftmassendurchsatz 0 beträgt, da die Wärmebedingungen für das strom­ auf angeordnete Paar von Temperaturwiderstandsmesselementen 6a und 6b gleich denen für das stromab angeordnete Paar von Temperaturwiderstandsmesselementen 6c und 6d sind, zeigen beide Temperaturwerte der beiden Paare aufgrund der durch den Heizwiderstand 4 erzeugten Wärme denselben Wert, d. h. es ergibt sich keine Temperaturdifferenz zwischen den beiden Paaren.

Wenn andererseits Luft in der durch den Pfeil 10 angezeigten Richtung strömt (Vor­ wärtsströmung genannt), wird eine Temperaturdifferenz zwischen den beiden Paa­ ren erzeugt, da der Kühleffekt der Luftströmung 10 auf das Paar der stromauf ange­ ordneten Temperaturwiderstandsmesselemente 6a und 6b stärker ist als der auf das Paar der stromab angeordneten Temperaturwiderstandsmesselemente 6c und 6d, und der Durchsatz der Luftströmung 10 wird in Abhängigkeit von der erfaßten Temperaturdifferenz gemessen.

Wenn im Gegensatz dazu Luft in umgekehrter Richtung zu der des Pfeils 10 strömt (Umkehrströmung genannt), dreht sich das Vorzeichen der Temperaturdifferenz zwischen den beiden Paaren um, da die Temperatur der Luftströmung 10 des Paares der stromauf angeordneten Temperaturwiderstandsmesselemente 6a und 6b geringer ist als die des Paares der stromab angeordneten Temperaturwiderstandsmesselemen­ te 6c und 6d.

Daher wird der Massendurchsatz der Luftströmung 10 anhand der Größe der Tem­ peraturdifferenz gemessen, und die Richtung der Luftströmung 10 aus dem Vorzei­ chen der Temperaturdifferenz bestimmt.

Fig. 4 zeigt ein Einbaubeispiel des erfindungsgemäßen Heizelement-Luftmassen­ messers, wobei in diesem Beispiel der Heizelement-Luftmassenmesser dieser Aus­ führungsform in einem Lufteinlaßpfad 25 in einer Brennkraftmaschine eines Fahr­ zeugs angeordnet ist, dessen Querschnitt in Fig. 4 gezeigt ist. In dieser Figur ist das Sensorelement 1, das von einem mit einer äußeren Schaltung 28 verbundenem Hal­ teelement 27 gehalten wird, in einem Sekundärlufteinlaßpfad 26 angeordnet, der sich im Lufteinlaßpfad 25 befindet. Dementsprechend sind die in Fig. 1 gezeigten Anschlußelektroden 12 mit der äußeren Schaltung 28 über das Halteelement 28 ver­ bunden.

Hier strömt die in die Brennkraftmaschine eingelassene Luft gewöhnlicherweise in der durch den Pfeil 10 angezeigten Richtung (der Vorwärtsströmung). Jedoch strömt die Einlaßluft manchmal in umgekehrter Richtung zu der des Pfeils 10 (der Um­ kehrströmung). Gemäß dem Luftmassenmesser dieser Ausführungsform können sowohl die Vorwärts- als auch die Rückwärtsströmung richtig gemessen werden und auch die Strömungsrichtung des Einlasses ebenfalls bestimmt werden.

Im folgenden zeigt Fig. 5 eine vergrößerte Darstellung eines Hauptbereiches des Luftmassenmessers, bei dem das Halteelement 27 entlang des Sensorelements 1 vorgesehen ist. Das Sensorelement 1 ist in dieser Figur am aus einem Isoliermaterial bestehenden Halteelement 27 befestigt, und die äußere Schaltung, bei der eine Si­ gnalverarbeitungsschaltung und Anschlußelektroden 29 auf einem elektrischen Iso­ liersubstrat ausgebildet sind, ist ebenfalls an dem Halteelement 27 befestigt.

Das Sensorelement 1 ist mit der äußeren Schaltung 28 mittels Drahtverbindung der Anschlußelektroden 12 und der Anschlußelektroden 20 mit Golddrähten elektrisch verbunden. Außerdem sind das Sensorelement 1, die äußere Schaltung 28, die An­ schlußelektroden 12, die Anschlußelektroden 20 und die Golddrähte zum Schutz mit einem anderen in dieser Figur nicht gezeigten Halteelement bedeckt.

Im folgenden wird die Schaltungsaufbau des Heizelement-Luftmassenmessers die­ ser Ausführungsform mit Bezug auf Fig. 6 erläutert.

Die in Fig. 6 gezeigte Schaltung enthält die jeweiligen Widerstände 4, 6a, 6b, 6c, 6d und 7 und eine Schaltung zu Ansteuern und Steuern dieser Widerstände. Außerdem bezeichnen in dieser Figur die Bezugszeichen 13, 14, 15a und 15b, 16 und 17 je­ weils eine Leistungsquelle, einen Transistor, Widerstände, eine Steuereinheit und einen Speicher. Außerdem besteht die Steuereinheit 16 aus einer Eingangsschaltung mit einem A/D-Wandler, einer Ausgangsschaltung mit einem D/A-Wandler, einer CPU zum Ausführen von Rechenabläufen, etc.

Zunächst bilden der Heizwiderstand 4 und der Lufttemperaturmesswiderstand 7 zu­ sammen mit den Widerständen 15a und 15b eine Brückenschaltung, und die Span­ nung an den Anschlüssen 12a und 12c dieser Widerstände wird in die Steuerschal­ tung 16 eingegeben. Außerdem sind die Widerstandswerte der jeweiligen Wider­ stände 15a und 15b auf solche Werte eingestellt, daß die Temperatur (Th) des Heiz­ widerstands 4 um einen vorgegebenen Wert (ΔTh = Th - Ta = 150°C) höher als die des Lufttemperaturmesswiderstands 7 gehalten wird, wobei diese Brückenschaltung durch die Steuerschaltung 16 gesteuert wird.

Das heißt, daß die Steuerschaltung 16 die Temperaturdifferenz ΔTh durch Senden eines Steuersignals zum Anschalten des Transistors 14 steuert, wenn die Tempera­ turdifferenz ΔTh kleiner als eine vorgegebene Temperatur ist, und andererseits durch Senden eines Steuersignals zum Ausschalten des Transistors 14, so daß der Wärmestrom im Heizwiderstand 4 gleich 0 ist, um den vorgegebenen Wert zu hal­ ten.

Die Temperaturdifferenz zwischen dem stromauf angeordneten Paar von Tempera­ turwiderstandsmesselementen 6a und 6b und dem stromab angeordneten Paar von Temperaturwiderstandsmesselementen 6c und 6d wird in Abhängigkeit von der Spannungsdifferenz zwischen den Anschlüssen 12g und 12e der Brückenschaltung erfaßt, die aus den stromauf angeordneten Temperaturwiderstandsmesselementen 6a und 6b und den stromab angeordneten Temperaturwiderstandsmesselementen 6c und 6d besteht.

Wenn der Luftmassendurchsatz 0 ist, wird der Widerstandswert eines Einstellwider­ stands (in dieser Figur nicht gezeigt) eingestellt, um zu bewirken, daß die Spannung des Anschlusses 12g mit der des Anschlusses 12e in der Brückenschaltung überein­ stimmt, oder es wird die Spannungsdifferenz zwischen den Anschlüssen 12g und 12e bei dem Luftmassendurchsatz von Null im Speicher 17 gespeichert.

Die Beziehung zwischen dem Durchsatz (Q) und der Spannungsdifferenz zwischen den Anschlüssen 12g und 12e wird im voraus als Tabelle im Speicher 17 gespei­ chert. Der Wert (Q) des gemessenen Luftmassendurchsatzes wird durch Durchsu­ chen der gespeicherten Tabelle im Hinblick auf die erfaßte Spannungsdifferenz zwi­ schen den Anschlüssen 12g und 12e erhalten, und die Richtung der Luftströmung wird durch Vergleichen der Spannungswerte der beiden Anschlüsse 12g und 12e bestimmt.

Da der Heizwiderstand 4 und der Lufttemperaturmesswiderstand 7 aus einem ein­ kristallinen oder polykristallinen Dünnschichtsiliziumhalbleiter mit derselben Un­ reinheitskonzentration gebildet sind, um denselben Temperaturkoeffizienten (α) des Widerstands zu erhalten, ist hier in dieser Ausführungsform das Verhältnis des Wi­ derstandswertes des Widerstands 15a zu dem des Widerstands 15b einfach proportional zum Verhältnis des Temperaturwertes (Widerstand) des Heizwiderstands 4 zu dem des Lufttemperaturmesswiderstands 7, so daß das letztere Verhältnis die vor­ gegebene Temperaturdifferenz ΔTh (z. B. 150°C) verwirklicht, was wiederum er­ möglicht, daß die Widerstandswerte der Widerstände 15a und 15b leicht eingestellt werden können.

Außerdem sind das stromauf angeordnete Paar von Elementen 6a und 6b und das stromab angeordnete Paar von Elementen 6c und 6d in der aus den Temperaturwi­ derstandsmesselementen 6a, 6b, 6c und 6d bestehenden Brückenschaltung wie in Fig. 6 gezeigt so angeordnet, daß sie sich jeweils kreuzen. Dementsprechend ist die Spannungsdifferenz zwischen den Anschlüssen 12g und 12e in dem obigen Brüc­ kenschaltungsaufbau um etwa zweimal größer als die in einer Brückenschaltung, die aus nur einem Paar von Temperaturwiderstandsmesselementen besteht, und dieses verbessert die Empfindlichkeit und Genauigkeit der Luftmassendurchsatzmessung.

Im folgenden wird die Temperaturverteilung im Diaphragmaabschnitt 3 im Sensore­ lement 1 des Heizelement-Luftmassenmessers dieser Ausführungsform mit Bezug auf die Fig. 7, 8 und 9 erläutert.

Fig. 7 zeigt die Temperaturverteilung in Richtung der x-Achse in dem in Fig. 3 ge­ zeigten Diaphragmaabschnitt 3. In dieser Figur bezeichnet x = 0 die Position des Heizwiderstands 4 und das Symbol W die Breite des Diaphragmaabschnitts 3, wie in Fig. 3 gezeigt. Dementsprechend bezeichnen x = ±W/2 jeweils die Endseitenpo­ sitionen des Diaphragmaabschnitts 3. Somit sind das Paar der Temperaturwider­ standsmesselemente 6c und 6d und das Paar der Temperaturwiderstandsmessele­ mente 6a und 6b jeweils zwischen der Position (x = 0) und den jeweiligen Positio­ nen (x = ±W/2) angeordnet.

Wie oben erläutert wird die Temperatur (Th) des Heizwiderstands 4 so gesteuert, daß sie um einen vorgegebenen Wert höher ist als diejenige (Ta) des Lufttempera­ turmesswiderstands 7, d. h. die Temperatur der Luftströmung ist.

Außerdem wird die durch den an der Position (x = 0) angeordneten Heizwiderstand 4 erzeugte Wärme über den Diaphragmaabschnitt 3 in der elektrischen Isolierschicht 8a zum Halbleitersubstrat 2 an jeweilige Positionen (x = ±W/2) übertragen, an de­ nen die Temperatur der Lufttemperatur (Ta) entspricht.

Folglich verringert sich in der Temperaturverteilung im Diaphragmaabschnitt 3, wie durch die durchgezogene Linie 18 in Fig. 7 gezeigt, die Temperatur kontinuierlich von dem Wert (Th) bei der Position (x = 0) auf den Wert (Ta) bei den Endseiten­ positionen (x = ±W/2).

Wenn hier der Luftmassendurchsatz gleich 0 ist, zeigen das stromauf angeordnete Paar von Temperaturwiderstandsmesselementen 6a und 6b und das stromab ange­ ordnete Paar von Temperaturwiderstandsmesselementen 6c und 6d dieselbe Tempe­ ratur an, da die Temperaturverteilung wie die durch die durchgezogene Linie 18 gezeigte ist.

Wenn andererseits Luft in Richtung der x-Achse strömt, ändert sich die Tempera­ turverteilung entsprechend der gezeigten gepunkteten Linie 19, da die Kühlwirkung der Luftströmung auf das stromauf angeordnete Paar von Temperaturwiderstands­ messelementen 6a und 6b größer ist als der auf das stromab angeordnete Paar von Temperaturwiderstandsmesselementen 6c und 6d, und es wird eine Temperaturdif­ ferenz zwischen den Paaren erzeugt. Somit wird der Luftmassendurchsatz (Q) in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz () gemessen und die Richtung der Luft­ strömung gemäß dem Vorzeichen der Differenz bestimmt.

Im folgenden zeigt Fig. 8 die Temperaturverteilung in Richtung der y-Achse im in Fig. 3 gezeigten Diaphragmaabschnitt 3. In dieser Figur bezeichnet y = 0 die Mit­ tenposition des Heizwiderstands 4 und des Diaphragmaabschnitts 3, und y = ±D/2 bezeichnet die jeweilige Endseitenposition des Diaphragmaabschnitts 3 in Richtung der y-Achse. Außerdem bezeichnet das Symbol L2 die Länge in Richtung der y- Achse des stromauf angeordneten Paares von Temperaturwiderstandsmesselemen­ ten 6a und 6b und des stromab angeordneten Paares von Temperaturwiderstands­ messelementen 6c und 6d.

Außerdem zeigt die durchgezogene Linie 20 in Fig. 8 die Temperaturverteilung für den Fall, daß die Schlitze 5a und 5b im Heizwiderstand 4 wie in Fig. 3 gezeigt ge­ formt sind, d. h. die Temperaturverteilung in Richtung der y-Achse im Diaphragma­ abschnitt 3 in dem Luftmassenmesser dieser Ausführungsform. Andererseits zeigt die gepunktete Linie 21 zum Vergleich mit dem obigen Fall die Temperaturvertei­ lung in Richtung der y-Achse im Diaphragmaabschnitt 3 für den Fall, daß die Schlitze 5a und 5b nicht im Heizwiderstand 4 geformt sind.

Aus Fig. 8 ist zu sehen, daß beide Temperaturverteilungen im Diaphragmaabschnitt 3, angezeigt durch die durchgezogenen Linie 20 und die gepunktete Linie 21, sym­ metrisch in bezug auf die Mittenposition (x = 0) sind. Damit ist erwiesen, daß das Problem der asymmetrischen Temperaturverteilung in Richtung der y-Achse, das mit Bezug auf Fig. 3 in der herkömmlichen Technik diskutiert wurde, durch den Luftmassenmesser dieser Ausführungsform gelöst wird.

Dieses kommt daher, daß der Heizwiderstand 4 und die Temperaturwiderstandsmes­ selemente 6a, 6b, 6c und 6d im Bereich des Diaphragmaabschnitts 3 symmetrisch in bezug auf die Luftströmungsrichtung (die Richtung der y-Achse) und der Richtung senkrecht zur vorherigen Richtung (die Richtung der y-Achse) angeordnet sind, d. h. in einer zweifachen Rotationssymmetrie.

Wenn im folgenden die durchgezogene Linie 20 mit der gepunkteten Linie 21 ver­ glichen wird, ist die maximale Temperaturdifferenz im Bereich der Länge L1 des Heizwiderstands 4 ΔT1 in der durchgezogenen Linie 20 und ΔT2 in der gepunkteten Linie 21. Somit ist gezeigt, daß die durch die durchgezogenen Linie 20 angezeigte Temperaturverteilung flacher ist als die durch die gepunktete Linie 21 gezeigte, da ΔT1 < ΔT2.

Dieses kommt daher, daß der Querschnitt der jeweiligen Bereiche in der Nähe der Endabschnitte des Heizwiderstands 4, in denen jeweils die Schlitze 5a bzw. 5b ge­ formt sind, verkleinert ist und die Stromdichte des fließenden Stroms, d. h. die Wär­ meerzeugungsdichte in diesen Bereichen erhöht ist. Somit ist es nicht besonders notwendig, daß die Breite dieser Bereiche des Heizwiderstands 4 breiter wird, um eine flache Temperaturverteilung zu verwirklichen, was wiederum wirksam zur Verringerung der Größe des Heizwiderstands 4 beiträgt.

Außerdem können durch ein Einstellen der Länge L1 des Heizwiderstands 4 und der Länge L2 der Temperaturwiderstandsmesselementepaare (6a und 6b) und (6c und 6d) so, daß sie der Ungleichung L1 < (1,05 . L2) genügen, die Temperaturwider­ standsmesselementepaare (6a und 6b) und (6c und 6d) in dem Bereich angeordnet werden, in dem die Temperaturverteilung flach ist, was bewirkt, daß die gemesse­ nen Temperaturwerte stabiler sind, was wiederum die Meßgenauigkeit verbessern kann.

Im folgenden zeigt Fig. 9 die Änderung der Temperaturverteilung des Diaphragma­ abschnitts 3 in Richtung der y-Achse, wenn die Länge D des Diaphragmaabschnitts 3 in Richtung der y-Achse von D 1 zu D2 (D1 < D2) geändert wird. Hier bezeichnet die durchgezogene Linie 22 die Temperaturverteilung für den Fall, daß die Länge D des Diaphragmaabschnitts 3 in Richtung der y-Achse D1 ist (eine lange Länge), und die gepunktete Linie 23 bezeichnet die Verteilung für den Fall, daß die Länge D des Diaphragmaabschnitts 3 in Richtung der y-Achse D1 ist (eine kurze Länge).

In Fig. 19 ist zu sehen, daß die maximale Temperaturdifferenz ΔT1 im Bereich der langen Länge D (D1) des Diaphragmaabschnitts 3 kleiner als ΔT2 im Bereich des langen Länge D (D2) ist. Somit ist erwiesen, daß die Temperaturverteilung im Dia­ phragmaabschnitt 3 mit einer längeren Länge flacher ist.

Dieses kommt daher, daß, wenn die Länge D des Diaphragmaabschnitts 3 in Rich­ tung der y-Achse kürzer wird, da der Abstand zwischen den jeweiligen Enden des Heizwiderstands 4 und den jeweiligen Enden des Diaphragmaabschnitts 3 verkürzt wird, der thermische Widerstand zwischen dem Heizwiderstand 4 und dem Halblei­ tersubstrat 2 verringert wird. Dementsprechend wird die durch den Heizwiderstand 4 erzeugte Wärme leicht zum Halbleitersubstrat 2 geleitet, was eine steilere Tempe­ raturverteilung im Diaphragmaabschnitt 3 und eine Verschiebung der Temperatur­ verteilung gegenüber dem Flachen bewirkt.

Hier ist es günstiger, daß der Aufbau des Luftmassenmessers der Ungleichung: D < 4W genügt, mit der Länge D in der Richtung der y-Achse und der Breite W in Richtung der y-Achse des Diaphragmaabschnitts 3, und außerdem der Ungleichung: D < (1,1 L1) mit der Länge D in Richtung der y-Achse des Diaphragmaabschnitts 3 und der Länge L 1 des Heizwiderstands 4.

Wenn D ≦ 4W ist, da die Breite W in Richtung der y-Achse des Diaphragmaab­ schnitts 3 größer als die Länge D in Richtung der y-Achse des Diaphragmaab­ schnitts 3 ist, erhöht sich die Spannung auf den Diaphragmaabschnitt 3 stark, und die mechanische Stärke verringert sich beachtlich.

Wenn D ≦ 4W ist, erhöht sich außerdem die benötigte Aufheizzeit des Heizwider­ stands 4, da sich das Volumen in Richtung des Luftströmung (die Richtung der x- Achse) des Diaphragmaabschnitts 3 erhöht, was wiederum das Zeitverhalten des Sensor­ elements 1 verschlechtert.

Außerdem erhöht sich die Zeit der thermischen Leitung vom Heizwiderstand 4 und den jeweiligen Temperaturwiderstandsmesselementepaaren (6a und 6b) und (6c und 6d), da die Vergrößerung der Breite des Diaphragmaabschnitts 3 zugleich den Ab­ stand zwischen dem Heizwiderstand 4 und den jeweiligen Temperaturwiderstands­ messelementepaaren (6a und 6b) und (6c und 6d) erhöht, was wiederum das Zeit­ verhalten des Sensorelements verschlechtert.

Folglich wurde es durch Aufbauen des Sensorelements 1 im Hinblick auf die Länge D in Richtung der y-Achse und die Breite W in Richtung der x-Achse des Dia­ phragmaabschnitts 3 derart, daß der Ungleichung: D < 4W genügt wird, da die Län­ ge D in der Richtung der y-Achse des Diaphragmaabschnitts 3 ohne Verschlechte­ rung der mechanischen Festigkeit ausreichend gewährleistet werden kann, und durch Gewährleisten des zeitlichen Verhaltens des Sensorelements 1 möglich, daß die Sicherung der mechanischen Festigkeit und die Gewährleistung der flachen und stabilen Temperaturverteilung miteinander vereinbar sind.

Fig. 10 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Hauptabschnitts des Sensorelements 1 im Luftmassenmesser einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform, wobei die sich von dem Sensorelement 1 der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform unter­ scheidenden Merkmale in den in der Draufsicht gezeigten Formen des Heizwider­ stands 4 und den Schlitzen 5a und 5b liegen, die in den jeweiligen Bereichen in der Nähe der Endabschnitte des Heizwiderstands 4 geformt sind.

Wie in Fig. 10 gezeigt, sind die Schlitze 5a und 5b keilförmig, und die Breite des Heizwiderstands 4 ist entsprechend proportional zur Änderung der Position des Heizwiderstands 4 zu den jeweiligen Endseiten des Widerstands 4 hin vergrößert.

Obwohl die Widerstandswerte im Heizwiderstand 4 in der Nähe der Schlitze 5a und 5b größer werden und die erzeugte Hitzemenge dementsprechend dort größer ist, werden in der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform die Widerstandswerte (Wärme­ erzeugungsmenge) nicht geändert, wobei der Abstand zwischen der Wärmeerzeu­ gungsposition des Heizwiderstands 4 und der jeweiligen Temperaturwiderstands­ messelemente 6a, 6b, 6c und 6d kontinuierlich in Richtung der jeweiligen Enden des Heizwiderstands 4 verringert wird.

Da die Temperaturverteilung im Diaphragmaabschnitt 3, insbesondere in dem Be­ reich, in dem die Temperaturwiderstandsmesselemente 6a, 6b, 6c und 6d angeordnet sind, einheitlich ist, kann folglich auch gemäß dieser Ausführungsform die Meßge­ nauigkeit verbessert werden.

Da außerdem in den obigen Ausführungsformen der Heizwiderstand 4, die jeweili­ gen Temperaturwiderstandsmesselemente 6a, 6b, 6c und 6d und der Lufttempera­ turmesswiderstand 7 aus einer einkristallinen oder polykristallinen Siliziumhalblei­ terdünnschicht 2 bestehen, in der Unreinheiten dotiert sind, können die Materialko­ sten der genannten Elemente im Vergleich zu dem Fall, in dem ein edles Metall wie z. B. Platin für diese Elemente verwendet wird, verringert werden.

Hier ist es möglich, die Widerstandswerte der Elemente beliebig in Abhängigkeit von der Beziehung zwischen der Spannung einer Leistungsquelle und der Wärmeer­ zeugungsmenge auszuwählen.

Zum Beispiel ist es möglich, den Widerstandswert des Heizwiderstands 4 auf einen Wert im Bereich von 50-1000 Ω einzustellen, und die Widerstandswerte der je­ weiligen Temperaturwiderstandsmesselemente 6a, 6b, 6c und 6d und des Lufttem­ peraturmesswiderstands 7 auf Werte im Bereich von 1-30 kΩ.

Im folgenden wird das Herstellungsverfahren des Sensorelements 1 des Heizele­ ment-Luftmassenmessers der oben beschriebenen Ausführungsformen erläutert.

Unterdessen ist das in den erfindungsgemäßen Ausführungsformen verwendete Halbleitersubstrat nicht auf ein SOI-Substrat beschränkt, obwohl ein SOI(Silizium auf Isolator)-Substrat im folgenden Beispiel verwendet wird.

Das SOI-Substrat wird durch Bilden einer Siliziumdioxidschicht mit einer Dicke von 0,4 µm auf der Oberfläche eines Einkristallsiliziumsubstrats unter Verwendung eines thermischen Oxidationsverfahrens erhalten. Diese Siliziumdioxidschicht ent­ spricht der elektrischen Isolierschicht 8a.

Im folgenden ist ein weiteres einkristallines Siliziumsubstrat auf der Oberfläche der Siliziumoxidschicht des obigen einkristallinen Siliziumsubstrats fest aufgebracht, und das Verfahren des Ausglühens zum Verbinden (anneal for bonding) wird auf dem obigen Substrat bei 1100°C in einer oxidierenden Atmosphäre durchgeführt, um das Verbinden (bonding) der beiden Substrate zu gewährleisten.

Außerdem wird das SOI-Substrat, das ein Halbleitersubstrat aus einem Siliziumein­ kristall, eine elektrisch isolierende Siliziumoxidschicht mit einer Dicke von etwa 0,4 µm und eine Einkristallsiliziumschicht mit einer Dicke von etwa 1 µm enthält, die zum Bilden der Widerstände verwendet wird, durch eine Dünnwandverarbeitung unter Verwendung von Schleif und Polierverfahren auf der Oberfläche der Silizi­ umeinkristallplatte erhalten.

Außerdem wird das Verfahren zum Dotieren von Unreinheiten für die einkristalline Siliziumschicht, die zum Bilden von Widerständen verwendet wird, auf dem SIO- Substrat wie folgt durchgeführt.

Zuerst wird ein Diffusionsverfahren mit einer geringen Unreinheitenkonzentration auf der gesamten Oberfläche der einkristallinen Siliziumschicht unter Verwendung eines thermischen Diffusionsverfahrens oder einem Ionenimplantationsverfahrens durchgeführt, und es werden Unreinheiten geringer Konzentration in dem Bereich der einkristallinen Siliziumschicht des Diaphragmaabschnitts 3 eindiffundiert, wo­ hingegen die Bereiche für die Temperaturwiderstandsmesselemente 6a, 6b, 6c und 6d mit einer Maskierschicht aus Siliziumoxid unter Verwendung des thermischen Diffusionsverfahrens oder des Ionenimplatationsverfahrens erhalten werden.

Nach dem Entfernen der Maskierschicht und einem weiteren Bilden eines Wider­ standsmusters mit einer vorgegebenen Gestalt unter Verwendung der bekannten Lithographietechnik werden die jeweiligen Widerstände 4, 6a, 6b, 6c, 6d und 7 und die Kontaktstreifen 11 (11a, 11b, 11c, 11d, 11e, 11f, 11g, 11h, 11i, 11j, 11k, 11l) durch einen Musterungsprozeß unter Verwendung eines reaktiven Ionenätzverfah­ rens usw. auf der Halbleiterschicht ausgebildet.

Da die Konzentration der Unreinheiten der Temperaturwiderstandsmesselemente 6a, 6b, 6c und 6d auf einen geringeren Konzentrationswert als den des Heizwiderstands 4 und des Lufttemperaturmesswiderstands 7 eingestellt wird, wird der thermische Widerstandskoeffizient der einkristallinen Siliziumschicht, die die Temperaturwi­ derstandsmesselemente 6a, 6b, 6c und 6d bildet, erhöht, was zur Verbesserung der Meßempfindlichkeit beiträgt.

Da die Konzentration der Unreinheiten der Kontaktstreifen 11 (11a, 11b, 11c, 11d, 11e, 11f, 11g, 11h, 11i, 11j, 11k, 11l) höher ist als die Konzentration der Unreinhei­ ten der Temperaturwiderstandsmesselemente 6a, 6b, 6c und 6d, haben auf ähnliche Weise die Kontaktstreifen 11 die größere elektrische Leitfähigkeit und den kleineren Widerstand, wobei eine unnötige Wärmeerzeugung und Widerstandserhöhung vermieden werden können, was wiederum zur Verbesserung der Meßgenauigkeit beiträgt.

In einem Nachverfahren wird eine Siliziumdioxidschicht mit einer Dicke von 0,5 µm unter Verwendung eines CVD-Verfahrens etc. ausgebildet, die als Schutz­ schicht verwendet wird.

Hier kann, abgesehen von dem obengenannten Siliziumnitrid, als Material für die Schutzschicht 8b ein Material mit großer mechanischer Festigkeit und einem ther­ mischen Ausdehnungskoeffizienten verwendet werden, der etwas höher als der des einkristallinen Siliziumhalbleitersubstrats 2 ist, z. B. Siliziumnitrid (Si₃N₄).

Außerdem können eine aus Siliziumoxidschichten zusammengesetzte Mehrschicht­ struktur, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient ein Zehntel desjenigen des ein­ kristallinen Siliziumhalbleitersubstrats 2 ist, und Siliziumnitridschichten mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der etwas höher als der des einkristallinen Siliziumhalbleitersubstrats 2 ist, verwendet werden, um die thermischen Ausdeh­ nungskoeffizienten der Schutzschicht 8b und des Substrats 2 anzupassen. Da die thermische Spannung zwischen der Schutzschicht 8b und dem Substrat 2 aufgrund von Temperaturänderungen durch Verwenden dieser Mehrschichtstruktur verringert werden kann, kann die Festigkeit des Sensorelements 1 weiter verbessert werden.

Im nächsten Schritt werden die Bereiche der Schutzschicht 8b, der den Anschluße­ lektroden 12 (212a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f, 12g, 12h) entspricht, die für die Ver­ bindung zwischen dem Sensorelement 1 und der äußeren Schaltung verwendet wer­ den, entfernt, und die Anschlußelektroden 12 auf den entfernten Bereichen der Schutzschicht 8b mit Aluminium, Gold etc. ausgebildet.

Hier ist es auch möglich, die Kontaktstreifen 11 mit einer Mehrschichtstruktur zu bilden, die aus einkristallinen Siliziumhalbleiterschichten und Metallschichten aus Aluminium, Gold etc. zusammengesetzt ist.

Im letzten Prozeß wird eine Maskierschicht mit einem vorgegebenen Muster, die zur Ätzverarbeitung verwendet wird, auf der Rückseite des Halbleitersubstrats 2 aus­ gebildet, und der Hohlraumabschnitt 3 wird durch ein anisotropisches Ätzverfahren unter Verwendung einer Kaliumhydroxidätzflüssigkeit (KoH) gebildet. Somit wurde das Sensorelement 1 des Heizelement-Luftmassenmessers dieser Ausführungsform hergestellt.

Außerdem sind in den obigen Ausführungsformen jeweils ein Anschluß des Heiz­ widerstands 4 und ein Anschluß des Lufttemperaturmesswiderstands 7 direkt mit­ einander verbunden, wie es in Fig. 6 gezeigt ist.

Weiterhin sind an den Temperaturwiderstandsmesselementen 6a, 6b, 6c und 6d An­ schlußpaare vorgesehen, bei denen zwei Anschlüsse jedes Paares direkt miteinander verbunden sind, da sie eine Brückenschaltung bilden.

Daher sind in diesen Ausführungsformen die Anschlußelektroden 12 in den inner­ halb des Sensorelements 1 ausgebildeten Kontaktstreifen 11 gemeinsam für jedes Paar der direkt verbundenen Anschlüsse in den in Fig. 1 gezeigten Widerständen vorgesehen.

Zum Beispiel ist, wie in Fig. 1 gezeigt, die Anschlußelektrode 12h am Verbindungs­ abschnitt vorgesehen, in dem der Kontaktstreifen 11l, der sich von dem einen An­ schluß des Heizwiderstands 4 erstreckt, seriell mit dem Kontaktstreifen 11b verbun­ den ist, der sich von dem einen Anschluß des Lufttemperaturmesswiderstands 7 er­ streckt.

Außerdem ist die Anschlußelektrode 12g an dem Verbindungsabschnitt vorgesehen, in dem der Kontaktstreifen 11d, der sich von dem einen Anschluß des stromauf an­ geordneten Temperaturwiderstandsmesselements 6a erstreckt, seriell mit dem Kon­ taktstreifen 11k verbunden ist, der sich von dem einen Anschluß des stromab ange­ ordneten Temperaturwiderstandsmesselements 6c erstreckt, und die Anschlußelek­ trode 12f ist an dem Verbindungsabschnitt vorgesehen, in dem der Kontaktstreifen 11j, der sich von dem anderen Anschluß des Temperaturwiderstandsmesselements 6c erstreckt, seriell mit dem Kontaktstreifen 11e verbunden ist, der sich von dem einen Anschluß des stromauf angeordneten Temperaturwiderstandsmesselements 6b erstreckt. Auf dieselbe Weise ist die Anschlußelektrode 12e an dem Verbindungsab­ schnitt vorgesehen, in dem der Kontaktstreifen 11f, der sich von dem anderen Anschluß des Temperaturwiderstandsmesselements 6b erstreckt, seriell mit dem Kon­ taktstreifen 11i verbunden ist, der sich von dem einen Anschluß des stromab ange­ ordneten Temperaturwiderstandsmesselements 6d erstreckt.

Da die Anschlußelektroden gemeinsam verwendet werden können und die Anzahl der Anschlußelektroden verringert werden kann, kann gemäß den obigen Ausfüh­ rungsformen der Bereich eines Chips für das Sensorelement 1 verkleinert werden, was wiederum die Anzahl der Chips erhöht, die mit einem Substratwafer erzielt werden können, und die Anzahl der Herstellungsprozesse wie z. B. den Drahtverbin­ dungsprozeß (wire-bonding) verringert. Folglich können die Herstellungskosten beachtlich verringert werden.

Obwohl die jeweiligen Widerstände in den obigen Ausführungsformen aus einer einkristallinen Siliziumhalbleiterdünnschicht bestehen, ist es möglich, ein Metall wie Platin zu verwenden, wobei beide Arten von Widerständen dieselbe Wirkung haben können.

Obwohl die beiden Temperaturwiderstandsmesselementepaare 6a, 6b sowie 6c und 6d jeweils stromauf und stromab des Heizwiderstands 4 angeordnet sind, ist es au­ ßerdem möglich, ein Temperaturwiderstandsmesselementepaar stromauf und strom­ ab des Heizwiderstands 4 anzuordnen. Der Aufbau eines Paares und der mit zwei Paaren können fast dieselbe Wirkung erzielen.

Obwohl der Luftmassenmesser, der das Temperaturdifferenzerfassungsverfahren verwendet, bei dem der Durchsatz und die Strömungsrichtung in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen den stromauf und stromab des Heizwiderstands 4 angeordneten Temperaturwiderstandsmesselementen gemessen werden, in obigen Ausführungsformen verwendet wird, ist es in der vorliegenden Erfindung außerdem möglich, einen Luftmassenmesser zu verwenden, der ein direktes thermisches Ver­ fahren verwendet, bei dem die Durchsatz in Abhängigkeit von der Menge des in den Heizwiderstand 4 fließenden Stromes gemessen wird. Bei diesem Verfahren kann die Temperaturverteilung im Hohlraumabschnitt durch Anordnen des Heizwider­ stands in einer zweifachen Rotationssymmetrie auch verbessert werden, und das Verhalten und die Meßgenauigkeit des Luftmassenmessers können ebenso verbes­ sert werden.

Da die Temperaturverteilung in der elektrischen Isolierschicht, auf der das Sensor­ element angebracht wird, geeignet eingestellt wird, ist es gemäß den Ausführungs­ formen möglich, einen Heizelement-Luftmassenmesser mit hoher Meßgenauigkeit anzugeben.

Claims (8)

1. Heizelement-Luftmassenmesser zum Messen eines Luftdurchsatzes unter Ver­ wendung zumindest eines Heizwiderstands (4), der auf einer Seitenfläche einer elektrischen Isolierschicht (8a) vorgesehen ist, die auf einem Halbleitersubstrat (2) ausgebildet ist und einen im Halbleitersubstrat (2) geformten Hohlraumab­ schnitt (9) bedeckt, wobei der Heizwiderstand (4) im wesentlichen in einer im wesentlichen geraden Linie rechtwinklig zur Richtung einer zu messenden Luftströmung (10) angeord­ net ist, Schlitze (5a, 5b) in dem Heizwiderstand (4) geformt sind und Strom den Heizwiderstand (4) durchfließt, um den Heizwiderstand (4) zu erhitzen.

2. Heizelement-Luftmassenmesser nach Anspruch 1, bei dem der Heizwiderstand (4) eine derartige Struktur hat, daß die Stromflußdichte in den jeweiligen Berei­ chen, in denen die Schlitze (5a, 5b) geformt sind, größer ist als die Stromfluß­ dichte in anderen Bereichen des Heizwiderstands (4).

3. Heizelement-Luftmassenmesser zum Messen eines Luftdurchsatzes unter Ver­ wendung zumindest eines Heizwiderstands (4), der an einer Seitenfläche einer elektrischen Isolierschicht (8a) vorgesehen ist, die auf einem Halbleitersubstrat (2) ausgebildet ist und einen im Halbleitersubstrat (2) geformten Hohlraumab­ schnitt (9) bedeckt, wobei ein Bereich in der elektrischen Isolierdünnschicht (8a) gerade den Hohl­ raumabschnitt (9) im Halbleitersubstrat (2) bedeckt und im wesentlichen recht­ winklig mit der Größe w in Richtung der Luftströmung (10) und der Größe D in Richtung senkrecht zur Luftströmung (10) ist, wobei diese Größen der Unglei­ chung: D < 4W genügen sollten.

4. Heizelement-Luftmassenmesser zum Messen eines Luftdurchsatzes unter Ver­ wendung zumindest eines Heizwiderstands (4), der auf einer Seitenfläche einer elektrischen Isolierschicht (8a) vorgesehen ist, die auf einem Halbleitersubstrat (2) ausgebildet ist und einen im Halbleitersubstrat (2) geformten Hohlraumab­ schnitt (9) bedeckt, und zumindest einem Paar von Temperaturwiderstandsmesse­ lementen (6a, 6b; 6c, 6d), die jeweils getrennt stromauf und stromab des Heizwi­ derstands (4) auf der elektrischen Isolierdünnschicht (8a) angeordnet sind, wobei ein Bereich der elektrischen Isolierdünnschicht (8a), der gerade den Hohl­ raumabschnitt (9) im Halbleitersubstrat (2) bedeckt, im wesentlichen rechtwinklig mit der Größe w in Richtung der Luftströmung (10) und der Größe D in Richtung senkrecht zur Luftströmung (10) ist und diese Größen der Ungleichung: D < 4W genügen sollten, wobei der Heizwiderstand (4) die Länge L1 hat und die Länge L1 und die Größe D der Ungleichung: D < 1,1 . L1 genügen sollten, und wobei jedes Temperaturwiderstandsmesselement (6a-6d) die Länge L2 hat und die Längen L2 und L1 der Ungleichung: L1 < 1,05 . L2 genügen sollten.

5. Heizelement-Luftmassenmesser nach Anspruch 1, bei dem der Heizwiderstand (4) und Kontaktabschnitte (11, 11a-11l) zum Verbinden des Heizwiderstands (4) mit einer äußeren Schaltung (28) mittels einer Halbleiterschicht aus einkristalli­ nem oder polykristallinem Silizium gebildet sind, in der Unreinheiten dotiert sind, und die Konzentration der Unreinheiten in dem Heizwiderstand (4) geringer ist als die der Kontaktabschnitte (11, 11a-11l).

6. Heizelement-Luftmassenmesser nach Anspruch 4, bei dem die Temperaturwi­ derstandsmesselemente (6a-6d), der Heizwiderstand (4) und Kontaktabschnitte (11, 11a-11l) zum Verbinden der Temperaturwiderstandsmesselemente (6a-6d) und des Heizwiderstands (4) mit einer äußeren Schaltung (28) mittels einer Halb­ leiterschicht aus einkristallinem oder polykristallinem Silizium gebildet sind, in die Unreinheiten dotiert sind, und die Konzentration der Unreinheiten in dem Heizwiderstand (4) der Temperaturwiderstandsmesselemente (6a-6d) geringer ist als die der Kontaktabschnitte (11, 11a-11l).

7. Heizelement-Luftmassenmesser nach Anspruch 4, bei dem ein Anschluß (12, 12a -12h) des stromauf des Heizwiderstands (4) angeordneten Temperaturwider­ standsmesselements (6a, 6b) seriell und abwechselnd in bezug auf die obere Po­ sition und die untere Position der jeweiligen Elemente (6a-6d) mit einem An­ schluß (12, 12a-12h) des stromab des Heizwiderstands (4) angeordneten Tempe­ raturwiderstandsmesselements (6c, 6d) bei einem der Kontaktabschnitte (11, 11a -11l) verbunden ist, und eine mit einer äußeren Schaltung (28) zu verbindende Verbindungselektrode jeweils in einem Kontaktabschnitt (11, 11a-11l) ausge­ bildet ist.

8. Brennkraftmaschinensteuervorrichtung, die den Massendurchsatz der in eine Brennkraftmaschine eingelassenen Luft unter Verwendung eines Heizelement- Luftmassenmessers nach Anspruch 1 oder Anspruch 4 mißt und die in die Brenn­ kraftmaschine eingespritzte Kraftstoffmenge steuert.