JP2000352531A - 感熱式流量センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 流量検出素子のダイアフラムの強度を高め、
信頼性の高い流量センサを得る。 【解決手段】 流量検出用ダイアフラム１３ａ〜１３ｃ
が被計測流体の流れの方向Ａに直交する方向に並んで設
けられている。それぞれの流量検出用ダイアフラム１３
ａ〜１３ｃは、その長辺の長さが短辺の長さの２倍以上
に形成され、かつ、その長辺が被計測流体の流れの方向
Ａに沿うようにように配置されている。さらに、それぞ
れの流量検出用ダイアフラム１３ａ〜１３ｃには、発熱
抵抗体４ａ〜４ｃと測温抵抗体６ａ〜６ｃ、７ａ〜７ｃ
とが被計測流体の流れの方向Ａに並んで設けられてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は発熱体を備え、発熱
体あるいは発熱体によって加熱された部分から、流体へ
の熱伝達現象に基づいて流体の流速あるいは流量を計測
する流量検出素子及び流量センサに関するものであり、
例えば内燃機関の吸入空気量を計測する場合等に用いら
れる。

【０００２】

【従来の技術】図１５および図１６はそれぞれ例えば特
開平４−２３０８０８号公報に記載された従来の流量検
出素子を示す平面図および側断面図である。なお、特開
平４−２３０８０８号公報では、流量検出素子はダイア
フラムセンサと記載されている。図１５および図１６に
おいて、１０１はシリコン半導体よりなる平板状基板で
あり、この平板状基板１０１の背面中央部には例えば異
方性エッチングにより表面にまで到達しない台形状断面
のキャビティ１１０が形成されており、平板状基板１０
１の表面側には薄肉状の流量検出用ダイアフラム１０２
（以下単にダイアフラムと呼ぶ）が一体的に形成されて
いる。また、このダイアフラム１０２の表面中央部には
薄膜の発熱体１０３が形成され、発熱体１０３を挟む両
側には所定距離離間して薄膜の測温体１０４、１０５が
対称に配列して形成されている。また、発熱体１０３と
測温体１０４、１０５の間にはその長手方向に沿ってダ
イアフラム１０２を貫通する帯状の穴１０６ａ、１０６
ｂが穿設され、さらに測温体１０４、１０５の外側にも
長手方向に沿ってダイアフラム１０２を貫通する複数の
角穴１０７ａ、１０７ｂが穿設されている。同様に、発
熱体１０３の長手方向両側にはダイアフラム１０２を貫
通する穴１０８ｃ、１０８ｄが、また両側の測温体１０
４、１０５の長手方向両側にもダイアフラム１０２を貫
通する穴１０９ｃ、１０９ｄが穿設されている。これら
の穴は、フォトリソグラフィおよびウエットエッチング
技術（もしくはドライエッチング技術）により形成され
ている。

【０００３】このような従来の流量検出素子を用いて、
発熱体１０３の温度を被計測流体の温度より所定温度だ
け高くなるように発熱体１０３への通電電流を制御する
と、被計測流体の移動が無い場合（流速＝０時）は測温
体１０４、１０５の温度は等しくなる。矢印Ａの方向に
気流の移動が生じた場合には、上流側に位置する測温体
１０４の温度は流速＝０時に比べ低くなり、流速が速く
なるにしたがって温度は下がる。一方、下流側に位置す
る測温体１０５の温度は、同一流速時における上流の測
温体１０４程は低くならない。従って、測温体１０４、
１０５の温度差に相当する量を、測温体１０３、１０５
を図示しないホイートストンブリッジ回路に組み込む等
の構成により求めれば被計測流体の流速を計測できる。

【０００４】特開平４−２３０８０８号公報では、穴を
設けることにより発熱体１０３から測温体１０４、１０
５への熱流を小さくして、測温体１０４、１０５の温度
を低くしてダストの付着による出力変動を小さくする
他、発熱体１０３で発生した熱が平板状基材１０１に伝
導する熱流を少なくできるので感度を向上できるという
利点が述べられている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、被計測流体
の流速が大きくなった場合、圧力が流量検出用ダイアフ
ラム１０２に加わった場合、あるいは流量検出用ダイア
フラム１０２が大きな振動にさらされた場合、応力がダ
イアフラム１０２に発生し、最悪の場合ダイアフラム１
０２が破損してしまう。また、従来の流量検出素子では
発熱体１０３や測温体１０４、１０５の上流近傍に穴が
位置する構成となっているので、長期の使用において
は、被計測流体中のダストが穴の端部の板厚面に堆積し
てダイアフラム１０２の表面を流れる被計測流体の流れ
の様相を変化させてしまい、検出特性が変動してしまう
という欠点があった。これを防ぐためにダイアフラム１
０２に空けられた穴を無くしても、ダイアフラムは必ず
しも十分な強度を有さない場合がある。例えば自動車の
内燃機関の燃料制御に用いられる吸入空気流量センサに
このような流量検出素子を用いた場合、以下のような問
題が発生する。自動車の内燃機関は４０〜５０Ｇの振動
を発生し、また、吸入空気の流速は場合によっては２０
０ｍ／ｓ以上に達する。また、バックファイヤが発生し
た場合には２気圧近い圧力が流量検出素子に加わること
もある。流量検出素子がこのような機械的ストレスを受
けた場合、従来の流量検出素子では破損の危険にさらさ
れることになる。一方、ダイアフラムの強度を高めるた
めにダイアフラムの厚さを厚くすれば、ダイアフラムの
熱容量が増し、ダイアフラムの熱応答性が悪化し流量の
変動に追従できなくなる。

【０００６】この発明は上述のような課題を解決するた
めになされたもので、流量検出素子に形成されるダイア
フラムの強度を高め、信頼性の高い流量センサを得るこ
とを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明に係る感熱式流
量センサは、発熱部と測温部とが設けられた流量検出用
ダイアフラムを有する流量検出素子を用いた感熱式流量
センサにおいて、上記流量検出用ダイアフラムは、被計
測流体の流れの方向に直交する方向に複数個並んで設け
られ、それぞれの上記流量検出用ダイアフラムは、その
長辺の長さが短辺の長さの２倍以上に形成され、かつ、
その長辺が被計測流体の流れの方向に沿うようにように
配置されており、さらにそれぞれの上記流量検出用ダイ
アフラムには、少なくとも１つの発熱部と少なくとも１
つの測温部が被計測流体の流れの方向に並んで設けられ
ているものである。

【０００８】また、それぞれの上記流量検出用ダイアフ
ラムには、発熱部と、該発熱部の上流側と下流側とのそ
れぞれに位置する測温部とが設けられているものであ
る。

【０００９】また、上記流量検出用ダイアフラムの厚さ
が１μｍ以下である。

【００１０】また、上記流量検出用ダイアフラムに設け
られた上記発熱部は感熱抵抗体で構成され、それぞれの
上記発熱部を構成する感熱抵抗体が直列または並列に接
続されているものである。

【００１１】また、上記流量検出用ダイアフラムに設け
られた測温部は感熱抵抗体で構成され、それぞれの上記
測温部を構成する上記感熱抵抗体が直列または並列に接
続されているものである。

【００１２】また、上記流量検出用ダイアフラムは、発
熱部と該発熱部の上流側に配された測温部とが設けられ
たダイアフラムと、発熱部と該発熱部の下流側に配され
た測温部とが設けられたダイアフラムとから構成されて
いるものである。

【００１３】また、それぞれの上記流量検出用ダイアフ
ラムは、少なくとも長辺部が平板状基板の表面に対して
垂直方向に該平板状基板を除去して構成されているもの
である。

【００１４】さらに、発熱部と測温部とが設けられた流
量検出用ダイアフラムを有する流量検出素子を用いた感
熱式流量センサにおいて、上記流量検出用ダイアフラム
は、被計測流体の流れの方向に並んで設けられ、それぞ
れの上記流量検出用ダイアフラムは、その長辺の長さが
短辺の長さの２倍以上に形成され、その長辺が被計測流
体の流れの方向に直交するようにように配置され、か
つ、厚みが１μｍ以下に形成されており、上流側の上記
流量検出用ダイアフラムには、発熱部と該発熱部の上流
側に配された測温部とが設けられ、下流側の上記流量検
出用ダイアフラムには、発熱部と該発熱部の下流側に配
された測温部とが設けられ、上記発熱部は感熱抵抗体か
ら構成され、それぞれの上記発熱部を構成する上記感熱
抵抗体が直列または並列に接続され、上流側の上記流量
検出用ダイアフラムに設けられた上記測温部と下流側の
上記流量検出用ダイアフラムに設けられた上記測温部と
の温度差に相当する量を流量信号として用いるものであ
る。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図
について説明する。 実施の形態１．図１はこの発明の実施の形態１に係る感
熱式流量センサに用いられる流量検出素子を示す平面
図、図２は図１のＩＩ−ＩＩ矢視断面図である。図１お
よび図２において、平板状基板１は例えば厚さ約０．４
ｍｍのシリコン基板からなる。そして、例えば厚さ０．
５μｍの窒化シリコン等よりなる絶縁性の支持膜２がス
パッタ、蒸着、ＣＶＤ等の方法により平板状基板１の表
面上に形成されている。さらに、白金等の感熱抵抗膜よ
りなる発熱部としての発熱抵抗体４ａ〜４ｃ、測温部と
しての測温抵抗体６ａ〜６ｃ、７ａ〜７ｃおよび流体温
度検出抵抗体５が支持膜２上に形成されている。これら
の発熱抵抗体４ａ〜４ｃ、測温抵抗体６ａ〜６ｃ、７ａ
〜７ｃおよび流体温度検出抵抗体５は、白金等の感熱抵
抗材を蒸着やスパッタ等の方法で支持膜２上に例えば
０．１μｍの厚さに着膜し、写真製版、ウエットあるい
はドライエッチング等の方法を用いて感熱抵抗膜をパタ
ーニングすることにより、電流路を構成するように形成
されている。測温抵抗体６ａ〜６ｃ、７ａ〜７ｃは発熱
抵抗体４ａ〜４ｃを挟んで発熱抵抗体４ａ〜４ｃの両側
に設けられ、流体温度検出抵抗体５は発熱抵抗体４ａ〜
４ｃから離れて設けられている。さらに、発熱抵抗体４
ａ〜４ｃ、測温抵抗体６ａ〜６ｃ、７ａ〜７ｃおよび流
体温度検出抵抗体５の上には、例えば厚さ０．４μｍの
窒化シリコン等よりなる絶縁性の保護膜３がスパッタ、
ＣＶＤ等の方法により形成されている。

【００１６】発熱抵抗体４ａ〜４ｃは、直列に接続され
リードパターン８ｃ、８ｆを経て流量検出素子１０の外
部との電気的接続を行うための電極９ｃ、９ｆとつなが
っている。また、流体温度検出抵抗体５はリードパター
ン８ｄ、８ｅを経て流量検出素子１０の外部との電気的
接続を行うための電極９ｄ、９ｅとつながっている。さ
らに同様に、測温抵抗体６ａ〜６ｃは直列に接続されリ
ードパターン８ａ、８ｂを経て電極９ａ、９ｂに、また
測温抵抗体７ａ〜７ｃは直列に接続されリードパターン
８ｇ、８ｈを経て電極９ｇ、９ｈとつながっている。な
お、これらのリードパターン８ａ〜８ｈは、発熱抵抗体
４ａ〜４ｃ、測温抵抗体６ａ〜６ｃ、７ａ〜７ｃおよび
流体温度検出抵抗体５のパターニング時に同時に形成さ
れる。また、電極９ａ〜９ｈの部分はワイヤボンド等の
方法で外部と電気的に接続するために保護膜３が除去さ
れている。さらに、キャビティ１４ａ〜１４ｃが発熱抵
抗体４ａ〜４ｃおよび測温抵抗体６ａ〜６ｃ、７ａ〜７
ｃの下部に位置する平板状基板１の一部を除去すること
によって形成され、流量検出用ダイアフラム１３ａ〜１
３ｃが構築されている。これらのダイアフラム１３ａ〜
１３ｃは、酸化膜等よりなる裏面保護膜１１が平板状基
板１の支持膜２が形成されている面とは逆の面に形成さ
れ、ついでエッチングホール１２が写真製版等の方法で
裏面保護膜１１を除去して形成され、その後キャビティ
１４ａ〜１４ｃが例えばアルカリエッチング等によりエ
ッチングホール１２から露出する平板状基板１を支持膜
２に至るように台形状に除去することによって形成され
て、構築されている。

【００１７】図１中矢印Ａは被計測流体の流れの正方向
であり、３つの流量検出用ダイアフラム１３ａ〜１３ｃ
は、保護膜３側が被計測流体の流れにさらされ、長辺が
被計測流体の流れの方向に沿うように配置されて、被計
測流体の流れの方向に直交する方向に並んでいる。３つ
のダイアフラム１３ａ〜１３ｃの大きさは、各々１５０
０μｍ×２００μｍであり、その厚さは抵抗体が構成さ
れていない部分で０．９μｍである。また、各ダイアフ
ラム１３ａ〜１３ｃ上においては、測温抵抗体６ａ〜６
ｃが発熱抵抗体４ａ〜４ｃの上流側に配置され、測温抵
抗体７ａ〜７ｃが発熱抵抗体４ａ〜４ｃの下流側に配置
されている。

【００１８】図３および図４はそれぞれ流量検出素子１
０を用いた感熱式流量センサを示す正面図と縦断面図で
ある。図３および図４において、この流量センサは、被
計測流体の通路を構成する円筒状の主通路１６と、この
主通路１６内に同軸に配置された筒状の検出管路１５と
から構成されている。そして、流量検出素子１０がその
表面を被計測流体の流れ方向６とほぼ平行にして検出管
路１５内に配設された板状の支持体１９の表面に装着さ
れている。この流量検出素子１０は、その保護膜３側が
被計測流体の流れにさらされ、ダイアフラム１３ａ〜１
３ｃの長辺が流れの方向６に沿うように配置される。ま
た、検出回路を構成する検出回路基板２１がケース１７
内に収められ、流量検出素子１０と検出回路基板２１と
がリード線２０を介して電気的に接続されている。さら
に、流量センサに電源を供給したり、出力を取り出すた
めのコネクタ１８がケース１７に設けられ、シールド部
材２２が検出回路基板２１を覆うように配設され、検出
回路基板２１を電磁波などの外乱ノイズから保護してい
る。なお、図３および図４に示される感熱式流量センサ
の構成は後述する本発明の他の実施の形態においても同
様である。

【００１９】この流量検出素子１０における発熱抵抗体
４ａ〜４ｃは、図５に示される定温度差駆動回路によっ
て所定の平均温度となるような抵抗値に制御されてい
る。検出回路は流体温度検出抵抗体５と発熱抵抗体４
（ここでは発熱抵抗体４ａ〜４ｃが直列に接続されたい
るため、便宜上まとめて１つの発熱抵抗体４として示し
ている）とを含むブリッジ回路となっている。抵抗Ｒ
１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５は固定抵抗、ＯＰ１、ＯＰ
２は演算増幅器、ＴＲ１、ＴＲ２はトランジスタ、ＢＡ
ＴＴは電源である。流体温度検出抵抗体５と発熱抵抗体
４とを除く検出回路は検出回路基板２１上に構成されて
いる。この検出回路は、図５中のａ点とｂ点との電位を
略等しくするように働き、そのときに発熱抵抗体４は流
体温度検出抵抗体５よりも所定の温度（例えば１００
℃）高い温度となるようブリッジの構成抵抗が設定され
ており、発熱抵抗体４の加熱電流ＩＨを制御する。被計
測流体の流速が早くなると、発熱抵抗体４から被計測流
体への熱伝達量が多くなるため発熱抵抗体４の平均温度
を所定の値に保つ時の加熱電流ＩＨは増加する。一方、
測温抵抗体６ａ〜６ｃ、７ａ〜７ｃは、図示しない回路
によってその各々の抵抗体の温度に相当する出力を得
て、その差をとることによって流量センサの出力として
いる。すなわち、図１中矢印Ａの方向（正方向）に流体
の移動が生じたときには、測温抵抗体６ａ〜６ｃの温度
は測温抵抗体７ａ〜７ｃの温度よりも低くなり、矢印Ａ
と逆方向（負方向）に流体の移動が生じたときには、測
温抵抗体６ａ〜６ｃの温度は測温抵抗体７ａ〜７ｃの温
度よりも高くなる。図６には流量に応じた測温抵抗体６
ａ〜６ｃと測温抵抗体７ａ〜７ｃとの平均的な温度を示
している。そこで、測温抵抗体６ａ〜６ｃと測温抵抗体
７ａ〜７ｃとの温度に相当する出力の差を流量センサの
出力とすれば、流量とその流れの方向が検出できる。な
お、測温抵抗体６ａ〜６ｃ、７ａ〜７ｃの温度を検出す
るには、測温抵抗体６ａ〜６ｃと測温抵抗体７ａ〜７ｃ
とに各々所定の定電圧を与えたり、また所定の定電流を
与える等の方法が考えられる。

【００２０】ここで、例えば圧力のような等分布荷重が
ダイアフラムに与えられたときのダイアフラムに生じる
最大応力と最大たわみについて考えてみる。図７は、ダ
イアフラムの短辺を一定とした場合のダイアフラムの縦
横比とダイアフラムに生じる最大応力との関係を示す説
明図である。横軸は短辺を一定値として長辺を変えた場
合の短辺に対する長辺の比、縦軸は一定の等分布荷重を
ダイアフラム面に与えたときにダイアフラムに生じる最
大応力を長辺／短辺＝２のときを１とした比として表し
ている。図７から、長辺／短辺が２未満の時に比べ２以
上の時は最大応力の増加率が小さくなっていることがわ
かる。従って、ダイアフラムの強度をあまり落とさずに
ダイアフラム面積を大きくする場合は、短辺を大きくす
るよりも長辺を大きくする方が有利であり、また長辺／
短辺≧２とすればダイアフラム面積の増加に対して強度
低下を小さくできる。図８は、ダイアフラムの短辺を一
定とした場合のダイアフラムの縦横比とダイアフラムに
生じる最大たわみとの関係を示す説明図である。横軸は
図７と同じであり、縦軸は一定の等分布荷重をダイアフ
ラム面に与えたときにダイアフラムに生じる最大たわみ
を長辺／短辺＝２のときを１とした比として表してい
る。図８から、長辺／短辺が２未満の時に比べ２以上の
時は最大たわみの増加率が小さくなっていることがわか
る。従って、ダイアフラムのたわみ量をあまり大きくせ
ずにダイアフラム面積を大きくする場合は、短辺を大き
くするよりも長辺を大きくする方が有利であり、また長
辺／短辺≧２とすればダイアフラム面積の増加に対して
たわみの増加を小さくすることができる。以上のことよ
り、所定のダイアフラム面積を確保したい場合、長辺を
短辺の２倍以上にすれば、外力に対するダイアフラムの
強度を高め、またたわみ量は小さくできる。また、ダイ
アフラムの耐久性を考えた場合、応力やたわみは小さい
方が有利であり、従って長辺を短辺の２倍以上とした長
方形のダイアフラムを有する構成とすれば信頼性に優れ
た流量センサが得られる。

【００２１】この実施の形態１によれば、ダイアフラム
１３ａ〜１３ｃがその長辺を被計測流体の流れの方向に
沿うように配置されているので、測温抵抗体６ａ〜６
ｃ、７ａ〜７ｃの上下流端部とダイアフラム１３ａ〜１
３ｃの上下流端部との距離Ｌ１、Ｌ２を大きくとること
ができる。従って、ダイアフラム１３ａ〜１３ｃ上の被
計測流体の流れと平行な方向の温度分布を広く取れるの
で、測温抵抗体６ａ〜６ｃの温度と測温抵抗体７ａ〜７
ｃの温度との差を大きくとることができ、流量検出感度
を高められる。ただし、この場合、単一の流量検出用ダ
イアフラムだけでは、被計測流体の流れに直交する方向
（即ち、この実施の形態１ではダイアフラム短辺方向）
の流量検出範囲は狭くなる。そこで、この実施の形態１
では、流量検出用ダイアフラム１３ａ〜１３ｃを流れと
直交する方向に３個並べて、流路の径方向の流速を平均
的に測定できるようにしており、流量検出精度を向上す
ることができる。

【００２２】また、それぞれの流量検出用ダイアフラム
１３ａ〜１３ｃには、測温抵抗体６ａ〜６ｃ、７ａ〜７
ｃが発熱抵抗体４ａ〜４ｃの上流側および下流側に設け
られているので、発熱抵抗体の上流側の温度に関する信
号と発熱抵抗体の下流側の温度に関する信号とがそれぞ
れの流量検出用ダイアフラム１３ａ〜１３ｃから得ら
れ、流量センサの感度が高められる。また、ダイアフラ
ムが３個の流量検出用ダイアフラム１３ａ〜１３ｃから
構成されているので、個々のダイアフラムの寸法を小さ
くでき、ダイアフラムの強度を高めることができる。ま
た、流量検出用ダイアフラム１３ａ〜１３ｃがそれぞれ
１５００μｍ×２００μｍの大きさに形成されているの
で、外力に対するダイアフラムの強度を高めることがで
きる。このように、流量検出素子１０におけるダイアフ
ラムの強度が高められるので、信頼性の高い流量センサ
が得られることになる。

【００２３】流量検出用ダイアフラムの強度を大きくで
きるということは、換言すれば、所定のダイアフラム強
度を得る場合、ダイアフラムの厚さをより薄くすること
ができるということである。ダイアフラムの熱時定数は
ダイアフラム材質の比熱、比重、体積で決まるため、ダ
イアフラムを薄くすると熱時定数を小さくすることがで
き、流量センサとしての応答性を高めることができる。
例えば、自動車用エンジンの吸入空気量センサとして用
いる場合、吸入空気は数十から数百ヘルツの脈動流であ
り、逆流を含む場合もある。このような用途では、正確
な吸入空気流量を得るためには流量センサに早い応答性
が要求される。また、発明者らの実験によれば、ダイア
フラムの厚さを１μｍ以下とすればエンジンの吸気脈動
に追従した出力が得られることがわかった。この実施の
形態１では、従来に比べて薄いダイアフラムとすること
ができ、ダイアフラムの熱容量を下げることができるの
で、自動車用エンジンの吸入空気量センサに適用できる
流量センサが得られる。

【００２４】また、発熱抵抗体４ａ〜４ｃは直列に接続
されているので、発熱抵抗体４ａ〜４ｃに供給される加
熱電流を制御する回路が１つで済み、即ち図５に示した
定温度差駆動回路が１つで済み、電極の数も増えないた
め、ワイヤボンド等の工数も従来に比べ増えることはな
い。同じように、測温抵抗体６ａ〜６ｃは直列に接続さ
れ、また測温抵抗体７ａ〜７ｃも直列に接続されている
ので、測温抵抗体の温度検出回路が上下流１対で済み、
温度差検出回路も従来に比べて増えるものではない。さ
らに、この実施の形態１に示した流量検出素子１０を製
造する工程では、ダイアフラムの数が複数になっても同
じエッチング工程で一度に複数のダイアフラムを形成で
きるので、従来の単一のダイフラムを有する場合に比べ
て工程が増えるものではない。従って、製造コストは従
来と差が生じないという利点がある。

【００２５】なお、この実施の形態１では、ダイアフラ
ム１３ａ〜１３ｃの長辺と流れの方向を平行にしている
が、若干の角度をなして配置されていても同様の効果を
奏する。また、上記実施の形態１では、発熱抵抗体４ａ
〜４ｃが直列に接続されるものとしているが、発熱抵抗
体４ａ〜４ｃは並列に接続されても良く。また、同様
に、測温抵抗体６ａ〜６ｃおよび測温抵抗体７ａ〜７ｃ
も各々並列に接続されても良い。また、上記実施の形態
１では、流量検出用ダイアフラムが被計測流体の流れの
方向と直交する方向に３個並べるものとして説明してい
るが、被計測流体の流れの方向と直交する方向に並べる
流量検出用ダイアフラムの数は３個に限定されるもので
はなく、複数個並べられていれば同様の効果を奏するこ
とができる。

【００２６】実施例２．図９はこの発明の実施の形態２
に係る感熱式流量センサに用いられる流量検出素子を示
す平面図、図１０は図９のＸ−Ｘ矢視断面図である。な
お、図９および図１０において、符号２、３、５、８ａ
〜８ｈ、９ａ〜９ｈ、１１は上記実施の形態１と同一の
ものである。この実施の形態２では、平板状基材１Ａは
その板平面が１１０面のシリコンを用い、板厚面が１１
１面となるように構成されている。そして、まず、上記
実施の形態１に示したのと同様の方法で、支持膜２、発
熱部としての発熱抵抗体４ｄ〜４ｊ、測温部としての上
流側の測温抵抗体６ｄ〜６ｊ、測温部としての下流側の
測温抵抗体７ｄ〜７ｊ、流体温度検出抵抗体５、リード
パターン８ａ〜８ｈ、保護膜３が平板状基板１Ａの表面
上に形成される。つぎに、酸化膜等よりなる裏面保護膜
１１が平板状基板１Ａの支持膜２が形成されている面と
は逆の面に形成され、ついでエッチングホール１２ｄ〜
１２ｊが写真製版等の方法で裏面保護膜１１を除去して
形成され、その後ＴＭＡＨ（Tetra Methyl Ammonium Hy
droxide）等のエッチャントを用いてエッチング加工を
施し、エッチングホール１２ｄ〜１２ｊから露出する平
板状基板１Ａを支持膜２に至るように除去することによ
ってキャビティ１４ｄ〜１４ｊが形成される。これによ
り、６個の流量検出用ダイアフラム１４ｄ〜１４ｊが構
築されている。

【００２７】発熱抵抗体４ｄ〜４ｊは直列に接続され、
その両端はリードパターン８ｃ、８ｆを経て電極９ｃ、
９ｆに至り、定温度差駆動回路に接続される。一方、上
流側の測温抵抗体６ｄ〜６ｊも直列に接続され、その両
端はリードパターン８ａ、８ｂを経て電極９ａ、９ｂに
至り、温度検出回路に接続される。同様に、下流側の測
温抵抗７ｄ〜７ｊも直列に接続され、その両端はリード
パターン８ｇ、８ｈを経て電極９ｇ、９ｈに至り、温度
検出回路に接続される。

【００２８】ここで、これらの６つの流量検出用ダイア
フラム１３ｄ〜１３ｊは、図９および図１０に示される
ように、流れの方向Ａに平行な長辺をもつ平行四辺形状
に形成され、流れの方向Ａと直交する方向に近接して配
設されている。そして、各ダイアフラムには、発熱抵抗
体と発熱抵抗体の上流側と下流側とに形成された測温抵
抗体とを備えている。また、板厚面が１１１面となるシ
リコン基板を平板状基板１に用い、ＴＭＡＨ等のエッチ
ャントを用いてエッチング加工を施してキャビティ１４
ｄ〜１４ｊを形成しているので、キャビティ１４ｄ〜１
４ｊの長辺部は平板状基板１の表面に対してほぼ垂直に
形成されている。さらに、支持膜２は０．５μｍ厚の窒
化シリコン膜からなり、保護膜３は０．４μｍ厚の窒化
シリコン膜からなり、流量検出用ダイアフラム１３ｄ〜
１３ｊの抵抗体が構成されていない部分の厚みは０．９
μｍである。

【００２９】このように構成された流量検出素子１０Ａ
を用いた流量センサでは、上記実施の形態１で述べた効
果に加えて、ダイアフラム１３ｄ〜１３ｊの長辺部が平
板状基板１に対して垂直にエッチングされているため
に、ダイアフラム１３ｄ〜１３ｊを被計測流体の流れの
方向Ａと交差（直交）する方向により近接して多数並べ
ることができるので、被計測流体の流れの方向Ａと交差
する方向の流量検出範囲が広げられ、精度の良い流量セ
ンサが得られる。また、発熱抵抗体４ｄ〜４ｊは直列に
接続されているので、電極は従来通り２つで良く、接続
工程は増えない上に、定温度差駆動回路は１つで済む。
また、上流側の測温抵抗体６ｄ〜６ｊは、直列に接続さ
れているので、電極は従来通り２つで良く、接続工程は
増えない上に、温度検出回路は１つで済む。同様に、下
流側の測温抵抗体７ｄ〜７ｊは、直列に接続されている
ので、電極は従来通り２つで良く、接続工程は増えない
上に、温度検出回路は１つで済む。

【００３０】なお、上記実施の形態２では、平板状基板
１として１１１面を板厚面とするシリコン基板を用い、
該シリコン基板にウエットエッチングを施して、基板面
に対して垂直にエッチングされたキャビティ１４ｄ〜１
４ｊを形成するものとしているが、基板面に対して垂直
にエッチングされたキャビティ１４ｄ〜１４ｊを形成す
る方法はこれに限定されるものではなく、ドライエッチ
ングを用いてシリコン基板の一部を除去するようにして
も良い。また、上記実施の形態２では、発熱抵抗体４ｄ
〜４ｊは直列に接続されているものとしているが、発熱
抵抗体４ｄ〜４ｊは並列に接続されていても良く。ま
た、測温抵抗体６ｄ〜６ｊと測温抵抗体７ｄ〜７ｊも、
各々並列に接続されていても良い。

【００３１】実施の形態３．図１１はこの発明の実施の
形態３に係る感熱式流量センサに用いられる流量検出素
子を示す平面図、図１２は図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ矢視
断面図である。なお、図１１および図１２において、符
号１〜３、５、８ａ〜８ｈ、９ａ〜９ｈ、１１は上記実
施の形態１と同一のものである。この実施の形態３で
は、まず、上記実施の形態１に示したのと同様の方法
で、支持膜２、発熱部としての発熱抵抗体４ｋ〜４ｎ、
測温部としての測温抵抗体６ｋ、６ｍ、７ｌ、７ｎ、流
体温度検出抵抗体５、リードパターン８ａ〜８ｈ、保護
膜３が平板状基板１の表面上に形成される。つぎに、酸
化膜等よりなる裏面保護膜１１が平板状基板１の支持膜
２が形成されている面とは逆の面に形成され、ついでエ
ッチングホール１２が写真製版等の方法で裏面保護膜１
１を除去して形成され、その後アルカリエッチングを施
して、エッチングホールから露出する平板状基板１を支
持膜２に至るように除去することによってキャビティ１
４ｋ〜１４ｎが形成される。これにより、被計測流体の
流れの方向Ａに長辺をもつ４個のダイアフラム１３ｋ〜
１３ｎが被計測流体の流れの方向Ａと直交する方向に並
んで形成されている。そして、ダイアフラム１３ｋ、１
３ｍには発熱部としての発熱抵抗体４ｋ、４ｍと発熱抵
抗体４ｋ、４ｍの上流側に形成された測温部としての測
温抵抗体６ｋ、６ｎとが設けられ、ダイアフラム１３
ｌ、１３ｎには発熱部としての発熱抵抗体４ｌ、４ｎと
発熱抵抗体４ｌ、４ｎの下流側に形成された測温部とし
ての測温抵抗７ｌ、７ｎとが設けられている。そして、
発熱抵抗体４ｋ〜４ｎは直列に接続され、上流側の測温
抵抗６ｋ〜６ｍ、下流側の測温抵抗７ｌ〜７ｎも各々直
列に接続されている。なお、支持膜２は０．５μｍ厚の
窒化シリコン膜からなり、保護膜３は０．４μｍ厚の窒
化シリコン膜からなり、流量検出用ダイアフラム１３ｋ
〜１３ｎの抵抗体が構成されていない部分の厚みは０．
９μｍである。

【００３２】このように構成された流量検出素子１０Ｂ
を用いた流量センサでは、ダイアフラム１３ｋ、１３ｍ
には発熱抵抗体４ｋ、４ｍと発熱抵抗体４ｋ、４ｍの上
流側に形成された測温抵抗体６ｋ、６ｎとが設けられ、
ダイアフラム１３ｌ、１３ｎには発熱抵抗体４ｌ、４ｎ
と発熱抵抗体４ｌ、４ｎの下流側に形成された測温抵抗
７ｌ、７ｎとが設けられているので、各ダイアフラム１
３ｋ〜１３ｎの長辺を短く構成することができ、ダイア
フラムの強度がさらに向上され、優れた信頼性の流量セ
ンサが得られる。また、従来と同じ強度を有するダイア
フラムとする場合では、ダイアフラム厚さを薄くできる
ので応答性に優れた流量センサが得られる。

【００３３】実施の形態４．図１３はこの発明の実施の
形態４に係る感熱式流量センサに用いれる流量検出素子
を示す平面図、図１４は図１３のＸＩＶ−ＸＩＶ矢視断
面図である。なお、図１３および図１４において、符号
１〜３、５、８ａ〜８ｈ、９ａ〜９ｈは上記実施の形態
１と同一のものである。この実施の形態４では、まず、
上記実施の形態１に示したのと同様の方法で、支持膜
２、発熱部としての発熱抵抗体４ｏ、４ｐ、測温部とし
ての測温抵抗体６ｏ、６ｐ、流体温度検出抵抗体５、リ
ードパターン８ａ〜８ｈ、保護膜３が平板状基板１の表
面上に形成される。つぎに、酸化膜等よりなる裏面保護
膜１１が平板状基板１の支持膜２が形成されている面と
は逆の面に形成され、ついでエッチングホール１２ｏ、
１２ｐが写真製版等の方法で裏面保護膜１１を除去して
形成され、その後アルカリエッチングを施して、エッチ
ングホール１２ｏ、１２ｐから露出する平板状基板１を
支持膜２に至るように除去することによってキャビティ
１４ｏ、１４ｐが形成される。これにより、被計測流体
の流れの方向Ａと直交する方向に長辺をもつ２つのダイ
アフラム１３ｏ、１３ｐが被計測流体の流れの方向Ａに
並んで形成されている。なお、ダイアフラム１３ｏはダ
イアフラム１３ｐの上流側に位置している。そして、ダ
イアフラム１３ｏには発熱部としての発熱抵抗体４ｏと
発熱抵抗体４ｏの上流側に形成された測温部としての測
温抵抗体６ｏとを備え、ダイアフラム１３ｐには発熱部
としての発熱抵抗体４ｐと発熱抵抗体４ｐの下流側に形
成された測温部としての測温抵抗体７ｐとを備えてい
る。そして、発熱抵抗体４ｏ、４ｐは直列に接続されて
いる。また、流量検出用ダイアフラム１３ｏ、１３ｐ
は、その長辺の長さが短辺の長さの２倍以上であり、ま
たその厚さは１μｍ以下となっている。

【００３４】この実施の形態４に対する従来の流量検出
素子の平面図と側断面図とを図１７と図１８に示す。図
１７および図１８において、符号１〜３、５、８ａ〜８
ｈ、９ａ〜９ｈは、上記実施の形態１と同じものであ
る。この従来の流量検出素子では、被計側流体の流れの
方向Ａと直交する方向にダイアフラム１３の長辺が設け
られているので、被計側流体の流れの方向Ａと直交する
方向の広い範囲で流量を検出できる利点がある。しかし
ながら、１つのダイアフラム１３上に発熱抵抗体４と上
流側の測温抵抗体６と下流側の測温抵抗体７との３つの
抵抗パターンが被計側流体の流れの方向に並べられてい
るので、被計測流体の流れの方向におけるダイアフラム
１３の幅が大きくなってしまい、ダイアフラム１３の強
度を確保するためにはダイアフラムの厚みを厚くする必
要があり、十分な応答性が得られなかった。

【００３５】この実施の形態４では、１つのダイアフラ
ムに発熱部と測温部の２つの感熱抵抗体を配置すれば良
く、ダイアフラム幅を小さくして強度を高められる。な
お、ダイアフラムの長辺と短辺の比と強度、たわみの関
係は上記実施の形態１において既に述べたとおりであ
る。ダイアフラムの強度を高めることができるので厚さ
を薄くでき、厚さを１ミクロン以下にすれば、自動車用
内燃機関の脈動に追従できる熱応答を得ることができ
る。また、発熱抵抗体４ｏ、４ｐは直列接続されている
ため、複数の発熱抵抗体があても１つの加熱電流制御回
路で済む。発熱抵抗体４ｏ、４ｐは直列接続されている
ので、被計測流体の流れが正方向に生じたとき、発熱抵
抗体４ｏは発熱抵抗体４ｐよりも温度が低くなる傾向が
ある。従って、発熱抵抗体４ｏ、４ｐが並列に接続され
た場合に比べて、発熱抵抗体６ｏ、６ｐの温度差を大き
くとることができるため流量センサとしての感度が大き
くなるという利点もある。

【００３６】

【発明の効果】この発明は以上説明したように構成され
ているので、以下に示すような効果を奏する。

【００３７】この発明によれば、発熱部と測温部とが設
けられた流量検出用ダイアフラムを有する流量検出素子
を用いた感熱式流量センサにおいて、上記流量検出用ダ
イアフラムは、被計測流体の流れの方向に直交する方向
に複数個並んで設けられ、それぞれの上記流量検出用ダ
イアフラムは、その長辺の長さが短辺の長さの２倍以上
に形成され、かつ、その長辺が被計測流体の流れの方向
に沿うようにように配置されており、さらにそれぞれの
上記流量検出用ダイアフラムには、少なくとも１つの発
熱部と少なくとも１つの測温部が被計測流体の流れの方
向に並んで設けられている。そこで、個々のダイアフラ
ムの寸法が小さくなり、ダイアフラムの強度を高めるこ
とができ、またダイアフラムの長辺を伸ばしても強度の
低下は小さいため、ダイアフラムの強度をより高めるこ
とができ、信頼性に優れた感熱式流量センサが得られ
る。また、ダイアフラムは被計測流体の流れの方向に幅
をとれるので、上流側の測温部と下流側の測温部との温
度差を大きくすることができ、感度のよい感熱式流量セ
ンサが得られる。さらに、ダイアフラムは被計測流体の
流れの方向に直交する方向に複数個並んで設けられてい
るので、被計測流体の流れの方向に直交する方向の被計
測流体の流速を平均的に測定でき、流量検出精度の高い
感熱式流量センサが得られる。

【００３８】また、それぞれの上記流量検出用ダイアフ
ラムには、発熱部と、該発熱部の上流側と下流側とのそ
れぞれに位置する測温部とが設けられているので、発熱
部の上流の温度に関する信号と発熱部の下流の温度に関
する信号とがそれぞれのダイアフラムから得られ、検出
感度が高められる。

【００３９】また、上記流量検出用ダイアフラムの厚さ
が１μｍ以下であるので、自動車用内燃機関の脈動に追
従できる応答性が得られる。

【００４０】また、上記流量検出用ダイアフラムに設け
られた上記発熱部は感熱抵抗体で構成され、それぞれの
上記発熱部を構成する感熱抵抗体が直列または並列に接
続されているので、加熱電流制御回路を複数個設ける必
要がなく、低コスト化が図られる。

【００４１】また、上記流量検出用ダイアフラムに設け
られた測温部は感熱抵抗体で構成され、それぞれの上記
測温部を構成する上記感熱抵抗体が直列または並列に接
続されているので、測温部の温度信号検出回路が上下流
１対で済み、低コスト化が図られる。

【００４２】また、上記流量検出用ダイアフラムは、発
熱部と該発熱部の上流側に配された測温部とが設けられ
たダイアフラムと、発熱部と該発熱部の下流側に配され
た測温部とが設けられたダイアフラムとから構成されて
いるので、ダイアフラムの長辺を短くでき、ダイアフラ
ムの強度を高めることができる。

【００４３】また、それぞれの上記流量検出用ダイアフ
ラムは、少なくとも長辺部が平板状基板の表面に対して
垂直方向に該平板状基板を除去して構成されているの
で、ダイアフラムを被計測流体の流れの方向と直交する
方向に近接して多数配設できるようになり、検出領域が
広げられて、検出精度と検出感度を向上させることがで
きる。

【００４４】さらに、発熱部と測温部とが設けられた流
量検出用ダイアフラムを有する流量検出素子を用いた感
熱式流量センサにおいて、上記流量検出用ダイアフラム
は、被計測流体の流れの方向に並んで設けられ、それぞ
れの上記流量検出用ダイアフラムは、その長辺の長さが
短辺の長さの２倍以上に形成され、その長辺が被計測流
体の流れの方向に直交するようにように配置され、か
つ、厚みが１μｍ以下に形成されており、上流側の上記
流量検出用ダイアフラムには、発熱部と該発熱部の上流
側に配された測温部とが設けられ、下流側の上記流量検
出用ダイアフラムには、発熱部と該発熱部の下流側に配
された測温部とが設けられ、上記発熱部は感熱抵抗体か
ら構成され、それぞれの上記発熱部を構成する上記感熱
抵抗体が直列または並列に接続され、上流側の上記流量
検出用ダイアフラムに設けられた上記測温部と下流側の
上記流量検出用ダイアフラムに設けられた上記測温部と
の温度差に相当する量を流量信号として用いるものであ
る。そこで、それぞれのダイアフラムには発熱部と測温
部との２つの感熱抵抗体を配置すればよく、ダイアフラ
ムの幅が小さくなり、強度を高めることができ、信頼性
の高い感熱式流量センサが得られる。また、ダイアフラ
ムの厚みが１μｍ以下であるので、自動車用内燃機関の
脈動に追従できる応答性を有する肝炎津式流量センサが
得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１に係る感熱式流量セ
ンサに用いられる流量検出素子を示す平面図である。

【図２】 図１のＩＩ−ＩＩ矢視断面図である。

【図３】 この発明の実施の形態１に係る感熱式流量セ
ンサを示す正面図である。

【図４】 図３のＩＶ−ＩＶ矢視断面図である。

【図５】 この発明の実施の形態１に係る感熱式流量セ
ンサにおける定温度差回路図である。

【図６】 この発明の実施の形態１に係る感熱式流量セ
ンサにおける流量と測温体の温度との関係を示した図で
ある。

【図７】 ダイアフラムの長辺と短辺の比とダイアフラ
ムに生じる最大応力の関係を示す説明図である。

【図８】 ダイアフラムの長辺と短辺の比とダイアフラ
ムに生じる最大たわみの関係を示す説明図である。

【図９】 この発明の実施の形態２に係る感熱式流量セ
ンサに用いられる流量検出素子を示す平面図である。

【図１０】 図９のＸ−Ｘ矢視断面図である。

【図１１】 この発明の実施の形態３に係る感熱式流量
センサに用いられる流量検出素子を示す平面図である。

【図１２】 図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ矢視断面図であ
る。

【図１３】 この発明の実施の形態４に係る感熱式流量
センサに用いられる流量検出素子を示す平面図である。

【図１４】 図１３のＸＩＶ−ＸＩＶ矢視断面図であ
る。

【図１５】 従来の流量検出素子を示す平面図である。

【図１６】 従来の流量検出素子を示す断面図である。

【図１７】 従来の流量検出素子他の例を示す平面図で
ある。

【図１８】 図１７のＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ矢視断面
図である。

【符号の説明】

１、１Ａ 平板状基板、４ａ〜４ｐ 発熱抵抗体（発熱
部）、６ａ〜６ｋ、６ｍ、６ｏ 測温抵抗体（測温
部）、７ａ〜７ｊ、７ｌ、７ｎ、７ｐ 測温抵抗体（測
温部）、１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ 流量検出素
子、１３ａ〜１３ｐ流量検出用ダイアフラム。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 発熱部と測温部とが設けられた流量検出
   用ダイアフラムを有する流量検出素子を用いた感熱式流
   量センサにおいて、 上記流量検出用ダイアフラムは、被計測流体の流れの方
   向に直交する方向に複数個並んで設けられ、 それぞれの上記流量検出用ダイアフラムは、その長辺の
   長さが短辺の長さの２倍以上に形成され、かつ、その長
   辺が被計測流体の流れの方向に沿うようにように配置さ
   れており、 さらにそれぞれの上記流量検出用ダイアフラムには、少
   なくとも１つの発熱部と少なくとも１つの測温部が被計
   測流体の流れの方向に並んで設けられていることを特徴
   とする感熱式流量センサ。
2. 【請求項２】 それぞれの上記流量検出用ダイアフラム
   には、発熱部と、該発熱部の上流側と下流側とのそれぞ
   れに位置する測温部とが設けられていることを特徴とす
   る請求項１記載の感熱式流量センサ。
3. 【請求項３】 上記流量検出用ダイアフラムの厚さが１
   μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の感熱式
   流量センサ。
4. 【請求項４】 上記流量検出用ダイアフラムに設けられ
   た上記発熱部は感熱抵抗体で構成され、それぞれの上記
   発熱部を構成する感熱抵抗体が直列または並列に接続さ
   れていることを特徴とする請求項１記載の感熱式流量セ
   ンサ。
5. 【請求項５】 上記流量検出用ダイアフラムに設けられ
   た測温部は感熱抵抗体で構成され、それぞれの上記測温
   部を構成する上記感熱抵抗体が直列または並列に接続さ
   れていることを特徴とする請求項１記載の感熱式流量セ
   ンサ。
6. 【請求項６】 上記流量検出用ダイアフラムは、発熱部
   と該発熱部の上流側に配された測温部とが設けられたダ
   イアフラムと、発熱部と該発熱部の下流側に配された測
   温部とが設けられたダイアフラムとから構成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の感熱式流量センサ。
7. 【請求項７】 それぞれの上記流量検出用ダイアフラム
   は、少なくとも長辺部が平板状基板の表面に対して垂直
   方向に該平板状基板を除去して構成されていることを特
   徴とする請求項１記載の流量センサ。
8. 【請求項８】 発熱部と測温部とが設けられた流量検出
   用ダイアフラムを有する流量検出素子を用いた感熱式流
   量センサにおいて、 上記流量検出用ダイアフラムは、被計測流体の流れの方
   向に並んで設けられ、それぞれの上記流量検出用ダイア
   フラムは、その長辺の長さが短辺の長さの２倍以上に形
   成され、その長辺が被計測流体の流れの方向に直交する
   ようにように配置され、かつ、厚みが１μｍ以下に形成
   されており、 上流側の上記流量検出用ダイアフラムには、発熱部と該
   発熱部の上流側に配された測温部とが設けられ、 下流側の上記流量検出用ダイアフラムには、発熱部と該
   発熱部の下流側に配された測温部とが設けられ、 上記発熱部は感熱抵抗体から構成され、 それぞれの上記発熱部を構成する上記感熱抵抗体が直列
   または並列に接続され、 上流側の上記流量検出用ダイアフラムに設けられた上記
   測温部と下流側の上記流量検出用ダイアフラムに設けら
   れた上記測温部との温度差に相当する量を流量信号とし
   て用いることを特徴とする感熱式流量センサ。