JP2001021401A - 熱式空気流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 測定精度を向上した熱式空気流量計を提供す
る。 【解決手段】 半導体基板３と、この半導体基板３上に
形成された電気絶縁膜５と、この電気絶縁膜５上に延在
させて形成された抵抗体７、９、１１とを備え、抵抗体
の本体部７、９、１１が形成された領域に対応する部分
の半導体基板３を除去して空洞２９が形成されてなる熱
式空気流量計において、抵抗体７、９、１１の延在方向
と交わる方向に延在する剛性部材１４を形成することに
より、抵抗体７、９、１１の延在方向と交わる方向の電
気絶縁膜５の剛性を高め、ピエゾ抵抗効果による発熱抵
抗体７、９や測温抵抗体１１の抵抗値の変動を低減す
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、空気流量計に係
り、特に、熱式の空気流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】空気流量計として、質量空気量を直接検
知できることから熱式の空気流量計が主流となってきて
おり、特に、半導体マイクロマシニング技術により製造
された熱式空気流量計が、コストが低減できることや、
低電力で駆動できることなどから注目されてきている。
このような熱式空気流量計としては、特開平１０−９９
２４号公報などに提案されているものがある。特開平１
０−９９２４号公報などに提案されている熱式空気流量
計では、測定素子を構成する半導体基板上に電気絶縁膜
が形成され、この電気絶縁膜上に平行に延在する発熱抵
抗体と測温抵抗体が形成されており、電気絶縁膜の発熱
抵抗体と測温抵抗体が形成された領域に対応する半導体
基板の部分が除去されて空洞が形成されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前述のように、特開平
１０−９９２４号公報などに提案されている熱式空気流
量計では、測定素子に空洞が形成されており、電気絶縁
膜の空洞に対応する部分では、発熱抵抗体や温熱抵抗体
の延在方向の剛性よりも、この延在方向に交わる方向の
剛性が低くなっている。このように方向によって電気絶
縁膜の剛性に差が有るため、電気絶縁膜に応力が作用す
ると電気絶縁膜の空洞に面した部分に撓みなどが生じる
場合があり、このような撓みが生じると測定素子表面の
空気流が乱されることにより、空気流量の測定精度が低
くなる。

【０００４】本発明の課題は、測定精度を向上した熱式
空気流量計を提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の熱式空気流量計
は、以下の手段により上記課題を解決する。半導体基板
と、この半導体基板上に形成された電気絶縁膜と、この
電気絶縁膜上に延在させて形成された抵抗体とを備え、
抵抗体の本体部が形成された領域に対応する部分の半導
体基板を除去して空洞が形成されてなる熱式空気流量計
において、抵抗体の延在方向とこの延在方向に交わる方
向との電気絶縁膜の剛性の差を低減する。

【０００６】これにより、電気絶縁膜に内部応力などが
作用しても、抵抗体の延在方向とこの延在方向に交わる
方向との電気絶縁膜の剛性の差が低減されており、電気
絶縁膜が抵抗体の延在方向とこの延在方向に交わる方向
とに均等に応力を受けるため、電気絶縁膜の撓みが発生
し難くなり、空気流量の測定精度を向上することができ
る。

【０００７】また、電気絶縁膜の空洞に対応する部分
の、抵抗体の延在方向に交わる方向の電気絶縁膜の剛性
を高めれば、抵抗体の延在方向とこの延在方向に交わる
方向との電気絶縁膜の剛性の差を低減できるため、電気
絶縁膜の撓みが発生し難くなる。

【０００８】電気絶縁膜の空洞に対応する部分に、抵抗
体の延在方向に交わる方向に延在させて形成された剛性
部材を備えれば、剛性部材により抵抗体の延在方向に交
わる方向の電気絶縁膜の剛性を高めることができる。抵
抗体が、電気絶縁膜の空洞に対応する部分に、この抵抗
体の延在方向に交わる方向に張出した突起部を有するこ
とでも、突起部により抵抗体の延在方向に交わる方向の
電気絶縁膜の剛性を高めることができる。

【０００９】一方、抵抗体が前記電気絶縁膜に与える抵
抗体の延在方向の剛性を低くすれば、抵抗体の延在方向
とこの延在方向に交わる方向との電気絶縁膜の剛性の差
を低減できる。

【００１０】また、抵抗体が、電気絶縁膜の空洞に対応
する部分で、抵抗体の延在方向に交わる方向に屈曲して
形成された屈曲部を有していれば、抵抗体の延在方向に
交わる方向に屈曲して張出した屈曲部により、電気絶縁
膜の抵抗体の延在方向の剛性が低くなり、抵抗体の延在
方向に交わる方向の剛性が高くなるため、電気絶縁膜に
抵抗体の延在方向と抵抗体の延在方向に交わる方向とに
ほぼ均等に剛性を与えることができるので、電気絶縁膜
の剛性の差を低減できる。

【００１１】抵抗体と電気絶縁膜との間に抵抗体よりも
剛性の低い物質からなる層が形成されていれば、抵抗体
が電気絶縁膜に与える剛性が、抵抗体よりも剛性の低い
物質からなる層により弱められるため、抵抗体の延在方
向の剛性を低くすることができる。また、抵抗体よりも
剛性の低い物質からなる層が抵抗対の延在方向に沿って
間隔を置いて複数形成されていてもよい。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明を適用してなる熱式
空気流量計の一実施形態を、図を参照して説明する。な
お、以下に説明する実施形態の熱式空気流量計は、自動
車などの内燃機関の電子制御燃料噴射装置に設けられ吸
入空気量を測定するための熱式流量計に関するものであ
る。

【００１３】（第１の実施形態）第１の実施形態を図１
及び図２を参照して説明する。図１（ａ）は、熱式空気
流量計の測定素子の概略平面図、（ｂ）は、（ａ）の測
定素子のＡ−Ａでの拡大断面図である。図２は、熱式空
気流量計の概略構成を示す図である。図３は、熱式空気
流量計の回路図である。本実施形態の熱式空気流量計に
備えられた測定素子１は、図１に示すように、半導体基
板３、電気絶縁膜５、発熱する２本の発熱抵抗体７、
９、発熱抵抗体７、９の温度を計測するための測温抵抗
体１１、空気温度を計測するための空気温度測温抵抗体
１３、そして電気絶縁膜５の剛性を高める剛性部材１４
などで構成されている。シリコンなどからなる半導体基
板３上に形成された電気絶縁膜５は、電気絶縁性と熱絶
縁性を有する膜、例えば酸化シリコン膜や窒化シリコン
膜などからなる２層の電気絶縁膜５ａ、５ｂからなる。
電気絶縁膜５ａは、半導体基板３上に形成されており、
電気絶縁膜５ａ上には、半導体材料、例えば多結晶シリ
コン、ゲルマニウム、ガリウム砒素などからなる２本の
発熱抵抗体７、９、測温抵抗体１１、そして空気温度測
温抵抗体１３などが形成されている。電気絶縁膜５ａ上
に形成された電気絶縁膜５ｂは、２本の発熱抵抗体７、
９、測温抵抗体１１、そして空気温度測温抵抗体１３な
どを覆うように形成され、各抵抗体７、９、１１、１３
などを保護している。なお、電気絶縁膜５ａには、半導
体基板３の異方性エッチングなどの処理に対する耐性の
高い酸化シリコン膜を用いることが望ましい。また、電
気絶縁膜５ａ、５ｂの間に、電気絶縁膜５の剛性を高め
るための層をさらに形成してもよい。

【００１４】空気流１５に対して上流側に形成された発
熱抵抗体７、下流側に形成された発熱抵抗体９、そして
測温抵抗体１１は、互いに平行に延在させて形成されて
おり、測定素子１のほぼ中央部に、２本の発熱抵抗体
７、９が測温抵抗体１１を挟んで対称に形成され、さら
に、発熱抵抗体７、９、そして測温抵抗体１１は、各々
複数回折り返して形成されている。なお、発熱抵抗体
７、９や測温抵抗体１１は、複数回折り返して形成され
ていなくてもよい。２本の発熱抵抗体７、９は、発熱抵
抗体７、９の片側の端部を電気的に接続する配線１７に
より直列に接続されており、発熱抵抗体７、９の他方側
の各端部は、各々、測定素子１の、発熱抵抗体７、９の
他方側の各端部側の縁部に形成された端子電極１９ａ、
１９ｂに配線２１ａ、２１ｂで電気的に接続されてい
る。配線１７の中間部からは配線２３が引き出され、配
線２３は、測定素子１の端子電極１９ａ、１９ｂが形成
されている側の縁部に形成された端子電極１９ｃに接続
されている。測温抵抗体１１には、測定素子１の端子電
極１９ａ、１９ｂが形成されている側の縁部に形成され
た２つの端子電極２５ａ、２５ｂが、各々配線２７ａ、
２７ｂにより直列に接続されている。なお、発熱抵抗体
７、９、そして測温抵抗体１１は、各々、端子電極１９
ａ、１９ｂ、２５ａ、２５ｂと配線２１ａ、２１ｂ、２
７ａ、２７ｂなどを含む発熱抵抗体と測温抵抗体の本体
部を意味している。

【００１５】また、電気絶縁膜５の２本の発熱抵抗体
７、９と測温抵抗体１１が形成されている領域に対応す
る半導体基板３の部分は、異方性エッチングによって、
電気絶縁膜５との境界面まで除去されて空洞２９となっ
ており、発熱抵抗体７、９を熱絶縁している。空気温度
測温抵抗体１３は、測定素子１の端子電極１９ａ、１９
ｂが形成されている側の縁部と反対側の縁部に形成され
ており、測定素子１の端子電極１９ａ、１９ｂが形成さ
れている側の縁部に形成された２つの端子電極３１ａ、
３１ｂと、各々配線３３ａ、３３ｂにより直列に接続さ
れている。なお各端子電極１９ａ、１９ｂ、２５ａ、２
５ｂ、３１ａ、３１ｂと各配線１７、２１ａ、２１ｂ、
２７ａ、２７ｂ、３３ａ、３３ｂは、金やアルミニウム
などの導電性材料の鍍金などにより形成されている。

【００１６】発熱抵抗体７、９の両外側側方の、主に空
洞２９に対応する電気絶縁膜５ａ上の部分には、発熱抵
抗体７、９の延在方向とほぼ垂直な方向に延在する複数
の平行に配列した棒状の剛性部材１４が形成されてい
る。剛性部材１４は、電気絶縁膜５と同じ窒化シリコン
や酸化シリコンなどで形成されており、各々の剛性部材
１４の一方の端部は、半導体基板３の空洞２９周囲の縁
部に掛かっている。

【００１７】前述のような測定素子１を備える本実施形
態の熱式空気流量計は、図２に示すように、測定素子１
を支持する支持体３７、そして外部回路３９などを備え
ている。測定素子１と外部回路３９とは、測定素子１の
各端子電極１９ａ、１９ｂ、２５ａ、２５ｂ、３１ａ、
３１と外部回路３９との間の、支持体３７により保護さ
れた図示していない配線により電気的に接続されてい
る。測定素子１は、自動車などの内燃機関の吸気通路４
１の内部にある副通路４３内に配置され、外部回路３９
は、吸気通路４１の外壁面に設置されている。

【００１８】このような構成の本発明に係る熱式空気流
量計の動作と本発明の特徴部について説明する。発熱抵
抗体７、９には、発熱抵抗体７、９の温度を計測する測
温抵抗体１１の温度が空気流１５の温度を計測する空気
温度測温抵抗体１３の温度より一定温度高くなるような
加熱電流、すなわち傍熱電流が流されている。このと
き、測温抵抗体１１に対して対称に形成された発熱抵抗
体７、９の各々の温度、すなわち、温度に対応した各々
の抵抗値を比較することにより空気流の方向を検知する
ことができる。例えば、空気流がゼロならば、発熱抵抗
体７、９は、測温抵抗体１１の温度とほぼ同じ温度を示
す。発熱抵抗体７、９は直列接続であり、同じ加熱電流
が流れているため、発熱抵抗体７、９の発熱量はほぼ一
定である。このため、図１に示す空気流１５の方向、す
なわち、順流では、主に発熱抵抗体７の方が、発熱抵抗
体９よりも空気流１５による冷却効果が大きく、発熱抵
抗体７の温度が発熱抵抗体９の温度より低い値となり、
空気流１５と逆方向、すなわち、逆流では、発熱抵抗体
９の温度の方が発熱抵抗体７の温度より低い値となる。
このように、発熱抵抗体７、９の温度、すなわち、温度
に対応する抵抗値を比較することにより、空気流１５の
方向を検知できる。なお、発熱抵抗体７、９の抵抗値
は、各々、端子電極１９ａと１９ｃ、端子電極１９ｂと
１９ｃの端子間電圧から求められる。

【００１９】空気流量は、測温抵抗体１１での測定温度
を空気温度測温抵抗体１３での測定温度より一定温度高
く制御するために、発熱抵抗体７、９に流す加熱電流の
値から算出される。

【００２０】ここで、前述のような空気流量計の動作を
行なうための回路の一例を示す。発熱抵抗体７、９、測
温抵抗体１１、そして空気温度測温抵抗体１３からなる
測定素子１と、加熱制御手段、空気流の方向検知手段、
そして空気流量検知手段などとしての外部回路３９と
は、図３に示されるように、差動増幅器１０１ａ、１０
１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄ、発熱抵抗体７、９に加熱電
流を流すトランジスタ１０２、電源１０３、抵抗１０４
ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、発熱抵抗体７、９に流す加熱
電流に比例する抵抗２２ａの電位より得られた空気流量
に対応する信号出力Ｃから差動増幅器１０１ｄより得ら
れる空気流の方向信号Ｆに基づいて、プラス、すなわち
順流、またはマイナス、すなわち逆流に変換した出力信
号Ｇを得るための切り換え回路１０５などで構成され
る。

【００２１】測温抵抗体１１、空気温度測温抵抗体１
３、そして抵抗１０４ｂ、１０４ｃなどからなるブリッ
ジ回路１０７では、測温抵抗体１１の温度、すなわち温
度に対応する抵抗値が空気温度測温抵抗体１３の温度、
すなわち温度に対応する抵抗値よりある一定値高くなる
ように抵抗１０４ｂ、１０４ｃの抵抗値が設定されてい
る。測温抵抗体１１の温度が設定値の温度より低い場合
には、ブリッジ回路１０７の中間点の電位ＨとＩ間に差
が生じ、差動増幅器１０１ａの出力Ｊによりトランジス
タ１０２がオンし、発熱抵抗体７、９に加熱電流が流れ
る。発熱抵抗体７、９により傍熱された測温抵抗体１１
の温度が設定値に達すると、差動増幅器１０１ａの出力
Ｊによりトランジスタ１０２がオフし、加熱電流が遮断
される。このように、測温抵抗体１１の温度が設定値に
なるようにフィードバック制御されており、このときに
発熱抵抗体７、９に流す加熱電流値、すなわち抵抗１０
４ａの電位Ｃに対応する電流値が空気流量となる。

【００２２】ところで、電気絶縁膜５ａ、発熱抵抗体
７、９や測温抵抗体１１などの基になる薄膜などは、Ｃ
ＶＤなどの方法により形成されるが、これらの形成温度
や熱処理などにより、電気絶縁膜５などの成膜時に内部
応力が発生する。従来の剛性部材１４を有していない熱
式空気流量計では、電気絶縁膜５の、発熱抵抗体７、９
と測温抵抗体１１の延在方向とほぼ垂直な方向では、電
気絶縁膜５の剛性が低い。すなわち、発熱抵抗体７、９
と測温抵抗体１１により、発熱抵抗体７、９と測温抵抗
体１１が延在している方向の電気絶縁膜５の剛性が高め
られている。このため、発生した内部応力が引張り応力
の場合には、電気絶縁膜５に撓みなどは発生し難いが、
圧縮応力の場合には、電気絶縁膜５に、発熱抵抗体７、
９などの延在方向に垂直な方向に撓みを生じる場合があ
る。電気絶縁膜５に生じた撓みの大きさによっては、こ
の撓みにより空気流１５が乱されるため、空気流量の測
定精度が低下する。また、電気絶縁膜５の内部応力の大
きさや電気絶縁膜５の材質や厚みによっては、電気絶縁
膜５が破損してしまう場合もある。

【００２３】さらに、発熱抵抗体７、９には、前述のよ
うに、加熱電流が流されているため、発熱抵抗体７、９
は、数１００℃に加熱されており、電気絶縁膜５なども
高温に曝されている。このとき、電気絶縁膜５などの薄
膜では、熱履歴により内部応力が非可逆的に経時変化す
る。このため、発熱抵抗体７、９が電気絶縁膜５などか
ら受ける応力も非可逆的に経時変化することになる。こ
こで、ピエゾ抵抗効果を有する半導体材料からなる発熱
抵抗体７、９のピエゾ抵抗変化ΔＲ／Ｒは、次式で表わ
される。

【００２４】 ΔＲ／Ｒ＝πＬ・ΔσＬ＋πＴ・ΔσＴ ΔσＬとΔσＴは、各々抵抗体７、９、１１の延在方向
と、抵抗体の延在方向にほぼ垂直な方向に作用する内部
応力の変化量である。πＬとπＴは、各々ΔσＬとΔσ
Ｔに対するピエゾ抵抗係数である。例えば、ｎ−Ｔｙｐ
ｅの多結晶シリコンの場合、πＬ＝−０．０２％／ＭＰ
ａ、 πＴ＝０．０１％／ＭＰａである。前述のよう
に、発熱抵抗体７、９や電気絶縁膜５などの内部応力が
経時変化した場合、発熱抵抗体７、９の延在方向には、
発熱抵抗体および測温抵抗体自体の剛性があるため、内
部応力が拘束されて応力変動ΔσＬの絶対値は大きい。
一方、発熱抵抗体７、９の延在方向とほぼ垂直方向に
は、発熱抵抗体７、９や測温抵抗体１１による剛性が寄
与しないため、内部応力が解放され易く応力変動ΔσＴ
の絶対値は小さくなる。したがって、ピエゾ抵抗効果を
有する発熱抵抗体７、９では、発熱抵抗体７、９や電気
絶縁膜５の内部応力が引張り応力であっても、圧縮応力
であっても、抵抗変化は増加する。このように、発熱抵
抗体７、９などが電気絶縁膜５などから受ける応力が変
動すると、発熱抵抗体７、９の抵抗値が変動してしまう
ため、空気流量の測定精度を低下させてしまう。

【００２５】しかし、本実施形態の熱式空気流量計で
は、電気絶縁膜５上の、発熱抵抗体７、９の外側側方の
主に空洞２５に対応する部分に、発熱抵抗体７、９など
の延在方向とほぼ垂直な方向に延在する複数の平行に形
成された剛性部材１４により、発熱抵抗体７、９などの
延在方向とほぼ垂直な方向の電気絶縁膜５の剛性が高め
られ、発熱抵抗体７、９などの延在方向とこの延在方向
とほぼ垂直な方向での電気絶縁膜５の剛性の差が低減さ
れている。このため、電気絶縁膜５の撓みの発生を低減
できる。さらに、本実施形態のようなピエゾ抵抗効果を
有する抵抗体を備えている場合には、発熱抵抗体７、９
や測温抵抗体１１などの延在方向とほぼ垂直方向の内部
応力が拘束されるため、応力変動ΔσＴの絶対値は大き
くなり、ピエゾ抵抗効果による発熱抵抗体７、９や測温
抵抗体１１などの抵抗値の変動ΔＲ／Ｒを低減すること
ができる。すなわち、空気流量の測定精度を向上するこ
とができる。

【００２６】また、経時的に発生する電気絶縁膜５の反
りや、発熱抵抗体７、９や測温抵抗体１１の抵抗値の変
動などを低減できるので、長期安定性に優れた熱式空気
流量計を提供できる。なお、形成する剛性部材１４の
数、材質、そして大きさは、電気絶縁膜５の発熱抵抗体
７、９などの延在方向とほぼ垂直な方向に与えなければ
ならない剛性の度合いなどに応じて決定される。

【００２７】さらに、発熱抵抗体７、９などの延在方向
とほぼ垂直な方向の電気絶縁膜５の剛性が高められるこ
とにより、電気絶縁膜５の破損の発生が低減し、測定素
子１の製造における歩留まりを向上することもできる。
また、剛性部材１４は、電気絶縁膜５上に平行に並んだ
突起状に形成されているため、フィン効果による空気へ
の伝熱促進、すなわち発熱抵抗体７、９の冷却効果の増
大により感度を向上でき、整流板としての整流効果によ
る再現性の向上もできる。一方、空気の流量が低い場合
は、剛性部材１４による乱流促進効果で、発熱抵抗体
７、９の放熱増加や発熱の均一化が実現できることよ
り、空気流量の測定感度を向上することができる。ま
た、剛性部材１４の寸法を調整して、ΔσＬ：ΔσＴ＝
１：２になるようにすれば、ピエゾ抵抗効果による抵抗
の変動をゼロにすることができる。

【００２８】また、本実施形態では、発熱抵抗体７、９
を配線１７で直列に接続したが、各々の発熱抵抗体７、
９が独立に各々２つの端子電極と配線とを有するように
形成してもよい。

【００２９】また、本実施形態では、剛性部材１４を電
気絶縁膜５と同じ材質で構成したが、剛性部材１４を電
気絶縁膜５と異なる材質で構成してもよい。但し、剛性
部材１４を電気絶縁膜５と同じ材料などを用いて構成し
た方が、測定素子１の製造において、大幅な工程の追加
なしに剛性部材１４を形成することができるので好まし
い。

【００３０】また、本実施形態では、２本の発熱抵抗体
７、９の間に測温抵抗体１１を形成したが、図４に示す
ように、２本の測温抵抗体１１ａ、１１ｂの間に、測温
抵抗体１１ａ、１１ｂに平行に１本の発熱抵抗体７を形
成し、測温抵抗体１１ａと１１ｂ間の温度差により空気
流量を測定する温度差方式にしてもよい。このとき、測
温抵抗体１１ａ、１１ｂは、各々端子電極２５ａと２５
ｃ、２５ｂと２５ｄ、配線２７ａと２７ｃ、２７ｂと２
７ｄを有し、発熱抵抗体７は、端子電極１９ａと１９
ｂ、配線２１ａと２１ｂを有している。温度差方式の場
合、空気流量の計測は、 測温抵抗体１１ａ、１１ｂを
空気温度測温抵抗体１３より一定温度高く制御して、上
流側の測温抵抗体１１ａが検知する発熱抵抗体７の温度
と下流側の測温抵抗体１１ｂが検知する発熱抵抗体７の
温度の差により空気流量を測定する。

【００３１】また、本実施形態では、発熱抵抗体７、９
と測温抵抗体１１を設けているが、図５に示すように、
発熱抵抗体７、９のみを形成し、発熱抵抗体７、９が測
温抵抗体１１を兼ねて機能する直熱方式にしてもよい。
直熱方式の場合、空気流量の計測は、発熱抵抗体７、９
を空気温度測温抵抗体１３より一定温度高く制御し、発
熱抵抗体７、９に流す加熱電流値より計測する。空気流
の方向を検知する場合は、各々端子電極１９ａと１９
ｃ、端子電極１９ｂと１９ｃの端子間電圧から発熱抵抗
体７、９の抵抗値を求めることで行なう。さらに、この
ような発熱抵抗体７、９のみが形成された直熱方式の場
合、図５に示すように、発熱抵抗体７、９の間にも、発
熱抵抗体７、９の延在方向にほぼ垂直な方向に延在する
複数の剛性部材１４を平行に形成してもよい。これによ
り、発熱抵抗体７、９の延在方向にほぼ垂直な方向の電
気絶縁膜５の剛性がさらに高くなる。

【００３２】また、本実施形態では、発熱抵抗体７、９
の両外側側方に、各々複数の平行に配列した剛性部材１
４が形成されているが、図７に示すように、発熱抵抗体
７、９と測温抵抗体１１とを跨いで、主に空洞２９に対
応する電気絶縁膜５ａ上の部分に、発熱抵抗体７、９や
測温抵抗体１１の延在方向とほぼ垂直な方向に延在する
複数の平行に配列した剛性部材１４を形成してもよい。
このとき、剛性部材１４は、電気絶縁膜５と同じ電気絶
縁性かつ熱絶縁性の材料で構成されているため、発熱抵
抗体７、９と測温抵抗体１１に接触しても問題はない。
さらに、図６（ｂ）の断面図に示すように、剛性部材１
４は、測定素子１の表面上に空洞２９を横切って凸状に
形成されているため、整流板として空気流の整流効果を
促進できる。

【００３３】また、本実施形態では、電気絶縁膜５ａの
発熱抵抗体７、９などが形成されている側の面に剛性部
材１４を形成しているが、電気絶縁膜５ａの空洞２９側
の面に発熱抵抗体７、９などの延在方向とほぼ垂直な方
向に延在する剛性部材を形成してもよい。例えば、図８
に示すように、空洞２９中に、電気絶縁膜５ａと接合さ
れ、発熱抵抗体７、９などの延在方向とほぼ垂直な方向
に延在する複数の平行に配列した剛性部材１４を、半導
体基板３を部分的に異方性エッチングすることにより半
導体基板３の一部分として形成してもよい。

【００３４】（第２の実施形態）第２の実施形態につい
て図９を参照して説明する。図９は、熱式空気流量計の
測定素子の概略平面図である。なお、本実施形態では、
第１の実施形態と同一のものには同じ符号を付して説明
を省略し、第１の実施形態と相違する構成及び特徴部な
どについて説明する。本実施形態が第１の実施形態と相
違する点は、第１の実施形態において発熱抵抗体７、９
などの延在方向とほぼ垂直な方向に延在する剛性部材１
４に代えて、図９に示すように、発熱抵抗体７、９の延
在方向とほぼ垂直な方向に張出した複数の平行に配列さ
れた突起部４５を電気絶縁膜５ａ上に形成していること
である。なお、本実施形態は、発熱抵抗体７、９が測温
抵抗体の機能を兼ねるため、発熱抵抗体７、９のみを有
する直熱方式の測定素子１となっており、また、発熱抵
抗体７、９は、直線状に形成されており、第１の実施形
態のように複数回折り返して形成されていない。

【００３５】このように、本実施形態では、発熱抵抗体
７、９の一部として、発熱抵抗体７、９の延在方向とほ
ぼ垂直な方向の電気絶縁膜５の剛性を高める突起部４５
を形成しているため、突起部４５により、発熱抵抗体
７、９などの延在方向とほぼ垂直な方向の電気絶縁膜５
の剛性が高められ、発熱抵抗体７、９などの延在方向と
この延在方向とほぼ垂直な方向での電気絶縁膜５の剛性
の差を低減することができる。また、突起部４５は、発
熱抵抗体７、９の形成と同時に形成できるため、測定素
子１の製造工程を簡略化できる。さらに、発熱抵抗体
７、９の表面積が大きくなるため、発熱抵抗体７、９の
放熱効果が高くなり、冷却効果の増大により感度を向上
できる。このとき、発熱抵抗体７、９の中央部付近の温
度が局所的に上昇しているため、図１０に示すように、
各発熱抵抗体７、９の中央部に形成された突起部４５
が、各発熱抵抗体７、９の両端部に形成された突起部４
５よりも長くなるように形成すれば、各発熱抵抗体７、
９の中央部でより冷却効果が大きくなり、各発熱抵抗体
７、９の温度分布を均一化することができる。また、フ
ィン効果においても、各発熱抵抗体７、９の中央部の突
起部４５が長いため、放熱量が大きくなり、温度分布を
均一化する効果がある。なお、空洞２９に位置する電気
絶縁膜５において、空洞２９周囲の電気絶縁膜５の部分
は、基板３により拘束されているため、各発熱抵抗体
７、９の両端部に形成された突起部４５が短くても、電
気絶縁膜５の必要な剛性が得られる。

【００３６】なお、各発熱抵抗体７、９に形成する突起
部４５の数や大きさは、電気絶縁膜５の発熱抵抗体７、
９などの延在方向とほぼ垂直な方向に与えなければなら
ない剛性の度合いなどに応じて決定される。

【００３７】また、本実施形態では、発熱抵抗体７、９
の一方向に突起部４５が張出すように形成されている
が、発熱抵抗体７と９が接触しなければれば、突起部４
５は、発熱抵抗体７、９と交差するように形成してもよ
い。さらに、本実施形態の突起部４５に加えて、第１の
実施形態の剛性部材１４を形成してもよい。

【００３８】また、本実施形態では、発熱抵抗体７、９
のみを有する直熱方式の測定素子１について説明した
が、第１の実施形態のように発熱抵抗体７、９と別個に
測温抵抗体１１を有するような測定素子１などにおいて
突起部４５をも形成してもよい。さらに、前述のような
温度差方式の場合には、測温抵抗体に突起部４５を形成
すればよい。

【００３９】また、本実施形態では、発熱抵抗体７、９
の形状は、直線状であるが、第１の実施形態のように複
数回折り返して形成されていてもよい。発熱抵抗体７、
９が複数回折り返して形成されている場合は、最も外側
に形成された発熱抵抗体７、９の部分に突起部４５を形
成すればよい。

【００４０】（第３の実施形態）第３の実施形態につい
て図１１を参照して説明する。図１１は、熱式空気流量
計の測定素子の概略平面図である。なお、本実施形態で
は、他の実施形態と同一のものには同じ符号を付して説
明を省略し、他の実施形態と相違する構成及び特徴部な
どについて説明する。本実施形態が第１と第２の実施形
態と相違する点は、第１と第２の実施形態において発熱
抵抗体７、９などの延在方向とほぼ垂直な方向に延在す
る剛性部材１４や突起部４５を形成せず、図１１に示す
ように、各発熱抵抗体７、９が、発熱抵抗体７、９の延
在方向と、発熱抵抗体７、９の延在方向とほぼ垂直な方
向に屈曲させて形成された屈曲部４６を有していること
である。すなわち、各発熱抵抗体７、９は、電気絶縁膜
５ａ上に、電気絶縁膜５ａの面に対して水平方向に矩形
の波状に形成された屈曲部４６を有している。なお、本
実施形態も、発熱抵抗体７、９が測温抵抗体の機能を兼
ねるため、発熱抵抗体７、９のみを有する直熱方式の測
定素子１となっている。

【００４１】このように、本実施形態では、発熱抵抗体
７、９が水平方向に矩形の波状に屈曲して形成された屈
曲部４６を有しているため、発熱抵抗体７、９が、発熱
抵抗体７、９の延在方向と、発熱抵抗体７、９の延在方
向とほぼ垂直な方向との両方向に電気絶縁膜５の剛性を
ほぼ均等に高めることで、電気絶縁膜５の方向による剛
性の差を低減できる。さらに、発熱抵抗体７、９が発熱
抵抗体７、９の延在方向に与える電気絶縁膜５の剛性が
実施形態１、２に比べ低化しているため、ピエゾ抵抗効
果による発熱抵抗体７、９などの抵抗値の変動ΔＲ／Ｒ
を低減することができる。また、発熱抵抗体７、９の形
成のみで、電気絶縁膜５の方向による剛性を変えること
ができるので、測定素子１の製造工程を簡略化できる。
なお、各発熱抵抗体７、９に形成する凹凸の数や大きさ
は、電気絶縁膜５の発熱抵抗体７、９などの延在方向と
ほぼ垂直な方向に与えなければならない剛性の度合いな
どに応じて決定される。

【００４２】また、本実施形態では、各発熱抵抗体７、
９の屈曲部４６は、電気絶縁膜５ａ上に、電気絶縁膜５
ａの面に対して水平方向に矩形の波状に形成されている
が、屈曲部４６は矩形でなくてもよい。例えば、半円形
や三角形の波状に形成されていてもよい。

【００４３】また、本実施形態は、第１の実施形態のよ
うに発熱抵抗体７、９と別個に測温抵抗体１１を有する
ような測定素子１などにも適用できる。さらに、前述の
ような温度差方式の場合には、測温抵抗体に屈曲部を形
成すればよい。

【００４４】（第４の実施形態）次に、第４の実施形態
について図１２を参照して説明する。図１２（ａ）は、
熱式空気流量計の測定素子の概略平面図、（ｂ）は、
（ａ）の測定素子のＤ−Ｄでの拡大断面図である。であ
る。なお、本実施形態では、他の実施形態と同一のもの
には同じ符号を付して説明を省略し、他の実施形態と相
違する構成及び特徴部などについて説明する。本実施形
態が他の実施形態と相違する点は、他の実施形態におい
て発熱抵抗体７、９などの延在方向とほぼ垂直な方向に
電気絶縁膜５の剛性を高め、電気絶縁膜５の発熱抵抗体
７、９などの延在方向と、発熱抵抗体７、９などの延在
方向とほぼ垂直な方向との剛性の差を低減したのに対
し、発熱抵抗体７、９などにより高められている電気絶
縁膜５の発熱抵抗体７、９などの延在方向の剛性を低く
することにより、電気絶縁膜５の発熱抵抗体７、９など
の延在方向と、発熱抵抗体７、９などの延在方向とほぼ
垂直な方向との剛性の差を低減したことにある。また、
第３の実施形態と同様に、発熱抵抗体７、９が、発熱抵
抗体７、９の延在方向に電気絶縁膜５の剛性を低化させ
ることで、ピエゾ抵抗効果による発熱抵抗体７、９など
の抵抗値の変動ΔＲ／Ｒを低減した点で第１及び第２の
実施形態と相違する。すなわち、各発熱抵抗体７、９
が、図１２に示すように、電気絶縁膜５ａの面に対して
垂直方向に複数の起伏、つまり凹凸を有して波状に形成
されている。発熱抵抗体７、９の凸状に形成された部分
は、図１２（ｂ）に示すように、電気絶縁膜５ａ上に形
成された、発熱抵抗体７、９の剛性よりも低い剛性の材
質で、発熱抵抗体７、９の延在方向に沿って間隔をおい
て形成された層、つまり枕部材４７を跨ぐ形で形成され
ている。なお、本実施形態も、発熱抵抗体７、９が測温
抵抗体の機能を兼ねるため、発熱抵抗体７、９のみを有
する直熱方式の測定素子１となっている。

【００４５】このように、電気絶縁膜５ａと発熱抵抗体
７、９が直接接合されている部分を少なくすることによ
り、発熱抵抗体７、９によって与えられる電気絶縁膜５
の発熱抵抗体７、９の延在方向の剛性を、発熱抵抗体
７、９全体が電気絶縁膜５ａに直接接合されているもの
よりも低くすることができる。このため、電気絶縁膜５
の発熱抵抗体７、９の延在方向と、発熱抵抗体７、９の
延在方向とほぼ垂直な方向との剛性の差を低減できる。
さらに、第３の実施形態と同様に、発熱抵抗体７、９が
発熱抵抗体７、９の延在方向に与える電気絶縁膜５の剛
性が実施形態１、２に比べ低下しているため、ピエゾ抵
抗効果による発熱抵抗体７、９や測温抵抗体１１の抵抗
値の変動ΔＲ／Ｒを低減することができる。なお、枕部
材４７の数、すなわちは、電気絶縁膜５ａと発熱抵抗体
７、９が直接接着されていない部分の数は、電気絶縁膜
５の発熱抵抗体７、９などの延在方向とほぼ垂直な方向
の剛性の度合いなどに応じて決定される。

【００４６】また、本実施形態では、複数の枕部材４７
を有しているが、枕部材４７を１つにして、発熱抵抗体
７、９が、各々の両端部のみで電気絶縁膜５ａと直接接
合されているように形成してもよい。さらに、枕部材４
７を設けず、枕部材４７の箇所を空洞として形成しても
よい。

【００４７】また、本実施形態は、第１の実施形態のよ
うに発熱抵抗体７、９と別個に測温抵抗体１１を有する
ような測定素子１などにも適用できる。この場合、測温
抵抗体を、測温抵抗体の延在部分に形成された枕部材を
跨ぐように形成してもよい。さらに、前述のような温度
差方式の場合にも適用できる。

【００４８】また、第１乃至第４の実施形態では、ピエ
ゾ効果を有する半導体材料からなる発熱抵抗体７、９や
測温抵抗体１１が形成された熱式空気流量計に関して説
明したが、本発明はこれに限らず、ピエゾ効果を有さな
い材料、例えば、白金、金、アルミニウムなどの金属材
料などで形成された発熱抵抗体や測温抵抗体などを有す
る熱式空気流量計に適用しても同様の効果が得られる。

【００４９】また、第１乃至第４の実施形態では、自動
車などの内燃機関の電子制御燃料噴射装置に設けられ吸
入空気量を測定するための熱式流量計に関して説明した
が、本発明はこれに限らず、様々な用途や構成の熱式空
気流量計に適用できる。

【００５０】

【発明の効果】本発明によれば、熱式空気流量計の測定
精度を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用してなる熱式空気流量計の第１の
実施形態の（ａ）は、測定素子の概略平面図、（ｂ）
は、（ａ）の測定素子のＡ−Ａでの拡大断面図である。

【図２】本発明を適用してなる熱式空気流量計の第１の
実施形態の概略構成を示す図である。

【図３】第１の実施形態の熱式空気流量計の回路図であ
る。

【図４】第１の実施形態の熱式空気流量計の変形例を示
す概略平面図である。

【図５】第１の実施形態の熱式空気流量計の別の変形例
を示す概略平面図である。

【図６】第１の実施形態の熱式空気流量計の別の変形例
を示す概略平面図である。

【図７】第１の実施形態の熱式空気流量計の別の変形例
の、（ａ）は、概略平面図、（ｂ）は、（ａ）の測定素
子のＢ−Ｂでの拡大断面図である。

【図８】第１の実施形態の熱式空気流量計の別の変形例
の、（ａ）は、概略平面図、（ｂ）は、（ａ）の測定素
子のＣ−Ｃでの拡大断面図である。

【図９】本発明を適用してなる熱式空気流量計の第２の
実施形態の測定素子の概略平面図である。

【図１０】第２の実施形態の熱式空気流量計の変形例を
示す概略平面図である。

【図１１】本発明を適用してなる熱式空気流量計の第３
の実施形態の測定素子の概略平面図である。

【図１２】本発明を適用してなる熱式空気流量計の第４
の実施形態の（ａ）は、測定素子の概略平面図、（ｂ）
は、（ａ）の測定素子のＤ−Ｄでの拡大断面図である。

【符号の説明】

１ 測定素子 ３ 基板 ５ 電気絶縁膜 ７，９ 発熱抵抗体 １１ 測温抵抗体 １３ 空気温度測温抵抗体 １４ 剛性部材 １５ 空気流 ２９ 空洞 ４５ 突起部 ４６ 屈曲部 ４７ 枕部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 保川 彰夫 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 五十嵐 信弥 茨城県ひたちなか市高場2477番地 株式会 社日立カーエンジニアリング内 Ｆターム(参考） 2F035 AA02 EA03 EA04 EA08

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板と、該半導体基板上に形成さ
   れた電気絶縁膜と、該電気絶縁膜上に延在させて形成さ
   れた抵抗体とを備え、前記抵抗体の本体部が形成された
   領域に対応する部分の前記半導体基板を除去して空洞が
   形成されてなる熱式空気流量計において、 前記抵抗体の延在方向と該延在方向に交わる方向との前
   記電気絶縁膜の剛性の差を低減したことを特徴とする熱
   式空気流量計。
2. 【請求項２】 半導体基板と、該半導体基板上に形成さ
   れた電気絶縁膜と、該電気絶縁膜上に延在させて形成さ
   れた抵抗体とを備え、前記抵抗体の本体部が形成された
   領域に対応する部分の前記半導体基板を除去して空洞が
   形成されてなる熱式空気流量計において、 前記電気絶縁膜の前記空洞に対応する部分の、前記抵抗
   体の延在方向に交わる方向の剛性を高めたことを特徴と
   する熱式空気流量計。
3. 【請求項３】 半導体基板と、該半導体基板上に形成さ
   れた電気絶縁膜と、該電気絶縁膜上に延在させて形成さ
   れた抵抗体とを備え、前記抵抗体の本体部が形成された
   領域に対応する部分の前記半導体基板を除去して空洞が
   形成されてなる熱式空気流量計において、 前記電気絶縁膜の前記空洞に対応する部分に、前記抵抗
   体の延在方向に交わる方向に延在させて形成された剛性
   部材を備えたことを特徴とする熱式空気流量計。
4. 【請求項４】 半導体基板と、該半導体基板上に形成さ
   れた電気絶縁膜と、該電気絶縁膜上に延在させて形成さ
   れた抵抗体とを備え、前記抵抗体の本体部が形成された
   領域に対応する部分の前記半導体基板を除去して空洞が
   形成されてなる熱式空気流量計において、 前記抵抗体が、前記電気絶縁膜の前記空洞に対応する部
   分に、該抵抗体の延在方向に交わる方向に張出した突起
   部を有することを特徴とする熱式空気流量計。
5. 【請求項５】 半導体基板と、該半導体基板上に形成さ
   れた電気絶縁膜と、該電気絶縁膜上に延在させて形成さ
   れた抵抗体とを備え、前記抵抗体の本体部が形成された
   領域に対応する部分の前記半導体基板を除去して空洞が
   形成されてなる熱式空気流量計において、 前記抵抗体が前記電気絶縁膜に与える前記抵抗体の延在
   方向の剛性を低くしたことを特徴とする熱式空気流量
   計。
6. 【請求項６】 半導体基板と、該半導体基板上に形成さ
   れた電気絶縁膜と、該電気絶縁膜上に延在させて形成さ
   れた抵抗体とを備え、前記抵抗体の本体部が形成された
   領域に対応する部分の前記半導体基板を除去して空洞が
   形成されてなる熱式空気流量計において、 前記抵抗体が、前記電気絶縁膜の前記空洞に対応する部
   分で、該抵抗体の延在方向に交わる方向に屈曲して形成
   された屈曲部を有することを特徴とする熱式空気流量
   計。
7. 【請求項７】 半導体基板と、該半導体基板上に形成さ
   れた電気絶縁膜と、該電気絶縁膜上に延在させて形成さ
   れた抵抗体とを備え、前記抵抗体の本体部が形成された
   領域に対応する部分の前記半導体基板を除去して空洞が
   形成されてなる熱式空気流量計において、 前記抵抗体と前記電気絶縁膜との間に前記抵抗体よりも
   剛性の低い物質からなる層が形成されたことを特徴とす
   る熱式空気流量計。