JP2002048616A - 熱式空気流量センサ及び内燃機関制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】計測流速（流量）範囲が広く、高速応答で且つ
信頼性の高い内燃機関の吸入空気量の測定に好適な熱式
空気流量センサと、この熱式空気流量センサを用いた内
燃機関制御装置を提供する。 【解決手段】半導体基板２に空洞部３と該空洞部を覆う
ダイヤフラム部（電気絶縁膜７ａ）を形成する。電気絶
縁膜７ａの一面に発熱抵抗体４及びこれを挟んで上流側
と下流側の測温抵抗体５ａ，５ｂと５ｃ，５ｄとを形成
し、上流側と下流側の測温抵抗体の温度差に基づき空気
流量を計測する。電気絶縁膜７ａは、空洞部を覆う部分
における空気流れ方向の幅（Ｗ）が０．７ｍｍ以下、発
熱抵抗体４は、空気流れ方向の幅（Ｗｈ）が０．１ｍｍ
以上、各測温抵抗体は、空気流れ方向の敷設幅（Ｗｓ）
が０．１〜０．２ｍｍの範囲で構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱式空気流量セン
サと内燃機関制御装置に係り、特に内燃機関の吸入空気
量の測定に好適な熱式空気流量センサと、この熱式空気
流量センサを用いた内燃機関制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】熱式の空気流量センサは、質量空気量を
直接計測できるという特長があり、このため自動車用内
燃機関制御装置の吸入空気流量センサとして、従来から
広く利用されている。その中でも、最近では、半導体マ
イクロマシニング技術により作成した薄膜型の検出素子
を用いた空気流量センサが、コスト低減と低電力駆動が
可能である点から注目されている。

【０００３】熱式空気流量センサは、基本的には温度依
存性を有する感温抵抗体を発熱抵抗体や測温抵抗体に利
用するものである。その方式は種々ある。代表的なもの
としては、空気流により熱が奪われる発熱抵抗体と空気
温度測温抵抗体との温度差を所定値に保つように発熱抵
抗体の加熱電流を制御し、その加熱電流を電気信号に変
換して空気流量を計測するものや、さらに、最近では、
半導体基板にマイクロマシニングにより空洞部と該空洞
部を覆う電気絶縁膜（ダイヤフラム部）を形成し、この
ダイヤフラム部の一面に発熱抵抗体と該発熱抵抗体を挟
んで上流側と下流側に位置する測温抵抗体とを形成し、
前記上流側と下流側の測温抵抗体の温度差に基づき空気
流量を計測するものが提案されている（例えば特公平８
−１２０９７号公報、特開平１１−１４４１４号公報
等）。

【０００４】後者のタイプは温度差方式といわれ、空洞
部により熱絶縁されたダイヤフラム部（電気絶縁膜）を
発熱抵抗体によって加熱する。ダイヤフラム上に形成さ
れる温度分布は、発熱抵抗体の上流側と下流側とで空気
流量が大きくなるほど温度差が大きくなるので、この温
度差を上流側測温抵抗体及び下流側測温抵抗体を用いて
検出することで空気流量を算出する。

【０００５】すなわち、温度差方式は、発熱抵抗体の上
流と下流に配置された一対の測温抵抗体の抵抗値を比較
して、空気流量を計測する。空洞部上にあるダイヤフラ
ム部の温度分布は、発熱抵抗体の発熱と空気流により支
配される。空気が流れていないときには、発熱抵抗体の
発熱による温度分布は、空気の流れる方向に対して、上
流と下流で対称になるから、上下流の測温抵抗体のある
位置の温度には差が生じない。一方、空気が流れたとす
ると、上流側の測温抵抗体の冷却効果が、下流側の測温
抵抗体に比して大きくなるので、これらの抵抗体の温度
に空気流量に応じた差が生じる。この温度差を上下流の
測温抵抗値の差により検出し、温度差が無いときの流量
をゼロ値として空気流量を計測する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】温度差方式の熱式空気
流量センサは、小形、低消費電力を実現でき、また空気
の流量方向も検知できる利点があるが、低流量（低流
速）から高流量（高流速）までの広い計測流速範囲（ダ
イナミックレンジ）で良好な計測精度や応答性を得るこ
とが課題とされており、従来より種々の配慮がなされて
いる。

【０００７】例えば、特開平１１−１４４１４号公報で
は、発熱抵抗素子と上流，下流側の測温抵抗素子との間
の熱伝導経路に熱伝導促進部材を配設して流量検出素子
の応答性を向上させており、特開平４−３４３０２４号
公報では、基板の絶縁層上に大流量計測部と小流量計測
部とを設け、小流量計測部を構成する発熱抵抗体及び上
下流の測温抵抗体と、大流量計測部を構成する発熱抵抗
体及び上下流の測温抵抗体との大きさを変えて、広い計
測流量範囲を得る等している。

【０００８】本発明の目的は、一つの流量計測部だけで
計測流速（流量）範囲が広く、高速応答で且つ信頼性の
高い温度差方式の熱式空気流量センサを実現でき、特に
内燃機関の吸入空気量の測定に好適な熱式空気流量セン
サと、この熱式空気流量センサを用いた内燃機関制御装
置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は次のように構成する。

【００１０】半導体基板に空洞部と該空洞部を覆う電気
絶縁膜よりなるダイヤフラム部を形成し、このダイヤフ
ラムに発熱抵抗体とこの発熱抵抗体の熱的影響を受ける
測温抵抗体とを形成し、前記測温抵抗体は前記発熱抵抗
体を挟んで空気流の上流側と下流側に配置され、少なく
ともこの上流側と下流側の測温抵抗体の温度差に基づき
空気流量を計測する熱式空気流量センサであって、前記
ダイヤフラムは、空気流れ方向の幅（Ｗ）が０．７ｍｍ
以下で、前記発熱抵抗体は、空気流れ方向の幅（Ｗｈ）
が０．１ｍｍ以上で、且つ、前記上流側，下流側の各測
温抵抗体は、空気流れ方向の敷設幅（Ｗｓ）が０．１〜
０．２ｍｍの範囲で構成されている。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面に示した実施例に基づき詳細に説明する。

【００１２】図１は、本発明の熱式空気流量センサの素
子を示す平面図、図２は、図１のＡ―Ａ′線断面図、図
３は、図１の部分拡大図である。これらの図において、
センサ素子１は、全体が半導体基板２をベースとして形
成されている。

【００１３】半導体基板２は、裏面からのエッチング加
工により空洞部８が形成されている単結晶ケイ素（Ｓ
ｉ）の板で、その一方の面（図では上側の面）に電気絶
縁膜７ａによるダイヤフラム部３が形成されている。こ
こで、空洞部８は輪郭が略矩形の孔として形成されてい
る。電気絶縁膜７ａは、一例として二酸化ケイ素（Ｓｉ
Ｏ₂）の薄膜で作られている。

【００１４】ダイヤフラム部３は、空洞部８の一面全体
を覆う構造であり、測定対象である空気の流れ方向の幅
が（Ｗ）である。その表面には、発熱抵抗体４と、その
上流側に位置する測温抵抗体５ａ，５ｂ及び下流側に位
置する測温抵抗体５ｃ，５ｄが形成されている。

【００１５】本例では、上流側測温抵抗体，下流側測温
抵抗体は、符号５ａ，５ｂ及び５ｃ，５ｄに示すように
それぞれ２個あり、その回路構成は、図６に示すように
上流側測温抵抗体５ａと下流側測温抵抗体５ｃとが直列
に接続され、下流側測温抵抗体５ｄと上流側測温抵抗体
５ｂとが直列に接続され、かつこれらの測温抵抗体によ
り接続端子１２ｂ及び１２ｆを介してブリッジ回路を構
成しており、所定の電圧Ｖｒｅｆが印加されている。

【００１６】ダイヤフラム部３の外側にも電気絶縁膜７
ａが形成されており、この外側の電気絶縁膜７ａの表面
には、空気温度測温抵抗体６が設けられている。

【００１７】発熱抵抗体４と空気温度測温抵抗体６は、
図６に示すように抵抗２１ａと抵抗２１ｂとによりブリ
ッジ回路が構成され、ブリッジ回路と接続される制御回
路１６及びトランジスタ２０を介して、発熱抵抗体４と
空気温度測温抵抗体６との温度差が所定の差になるよう
に、発熱抵抗体４に流れる加熱電流が制御されるように
してある。

【００１８】発熱抵抗体４、空気温度測温抵抗体６およ
び測温抵抗体５ａ〜５ｄは、不純物ドープ処理された多
結晶又は単結晶のケイ素の薄膜により、所定の導電性
（抵抗値）を持つ細条の抵抗パターンとして形成されて
いる。

【００１９】発熱抵抗体４は、矢印９で示した空気の流
れ方向に対して略直交する方向に一直線に配置されてお
り、この発熱抵抗体４の上流側に位置する測温抵抗体５
ａ，５ｂ及び下流側に位置する測温抵抗体５ｃ，５ｄ
は、それぞれダイヤフラム部３の一端から発熱抵抗体４
に沿って伸びてダイヤフラム部中央付近でユーターンす
るようにパターン形成され、このようなパターン形成に
より測温抵抗体の長さをダイヤフラム部３の中で有効に
確保している。上流側の測温抵抗体５ａ，５ｂ及び下流
側の測温抵抗体５ｃ，５ｄは、対称配置されている。

【００２０】電気絶縁膜７ａの表面でダイヤフラム部３
の外側には、基板２の一辺寄りの位置に、発熱抵抗体
４，測温抵抗体５ａ〜５ｄ，空気温度測温抵抗体６の配
線接続部１１（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１
ｅ，１１ｆ，１１ｇ，１１ｈ，１１ｉ，１１ｊ，１１
ｋ，１１ｌ）と、それらの端子電極部１２（１２ａ，１
２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆ，１２ｇ，１２
ｈ）が形成されている。

【００２１】端子電極部１２は、アルミニウム（Ａ
ｌ），金（Ａｕ）などの薄膜パッドで形成されている。
そして、電気絶縁膜７ａの表面には、各抵抗体などを保
護するための電気絶縁膜７ｂが、図２に示すように設け
られている。

【００２２】本実施例では、空洞部８は異方性エッチン
グにより矩形の輪郭で形成し、その空洞を電気絶縁膜で
覆っているが、このような形態によれば、基板表面に多
数のスリットを形成してこのスリットを通して空洞を形
成する方式に較べて内燃機関用に適している。すなわ
ち、内燃機関の吸気管中には、塵埃，油，水などが空気
流に混じることがあるが、これらがスリットから空洞部
に進入したりスリット部に堆積することがないためであ
る。

【００２３】次に本実施形態による空気流量計測動作に
ついて説明する。

【００２４】発熱抵抗体４には、加熱電流が供給され、
発熱抵抗体の温度が空気流９の温度よりも一定の温度だ
け高くなるように制御される。この加熱電流制御につい
ての回路動作及び測温抵抗体の回路動作については、図
６により後述する。

【００２５】空気の流量と空気の流れる方向は、発熱抵
抗体４の上流側に設けられている測温抵抗体5ａ，５ｂ
と下流側に設けられている測温抵抗体5ｃ，５ｄの温度
（抵抗値）を比較することにより計測される。

【００２６】すなわち、空気流量がゼロのときは、上流
側の測温抵抗体５ａ，５ｂと下流側の測温抵抗体５ｃ，
５ｄは、発熱抵抗体４の発熱による加熱条件が同じなの
で、同じ温度を示すことになり、温度差は生じない。換
言すれば、ダイヤフラム部３上の温度分布は、上流側も
下流側も等しいことになる。空気の流れが矢印９方向
（これを順流という）のときは、上流側の測温抵抗体５
ａ，５ｂの方が下流側の測温抵抗体５ｃ，５ｄより空気
流９による冷却効果が大きいことから、上流側測温抵抗
体５ａ，５ｂと下流側測温抵抗体５ｃ，５ｄとの間に温
度差が生じ、この温度差から空気流量が計測される。

【００２７】一方、空気の流れが矢印９と反対の方向
（逆流という）のときには、今度は測温抵抗体５ｃ，５
ｄの温度の方が測温抵抗体５ａ，５ｂより低くなり、測
温抵抗体５ａ，５ｂと５ｃ，５ｄとの温度差を表す符合
が逆転する。

【００２８】従って、このことから、温度差の大きさに
より空気流量が計測でき、温度差の符号から空気の流れ
方向が判別できる。

【００２９】図４は、図１のセンサ素子１を、例えば自
動車の内燃機関の吸気通路１０に実装し、内燃機関制御
装置とした場合の一実施形態を示す断面図で、この場
合、センサ素子１は、支持体１４と外部回路１５を含ん
だ形で、吸気通路１０の内部にある副通路１３の中に配
置される。外部回路１５は、図６に示す制御回路１６，
トランジスタ２０，抵抗２１ａ，２１ｂなどで構成さ
れ、支持体１４を介してセンサ素子１の端子電極部１２
（図１）に電気的に接続されることになる。

【００３０】なお、本実施例における制御回路１６は、
加熱電流を制御するほかにＣＰＵ及びメモリ２２を備え
ることで、センサ素子の測温抵抗体の温度差検出値に基
づき吸入空気量（Ｑ）を算出する。さらにこの吸入空気
量に基づき、図示されないエンジン制御回路により内燃
機関の燃料噴射量を制御するように構成されている。

【００３１】内燃機関の吸入空気は、通常は矢印９で示
す方向に流れる（順流）。内燃機関の運転条件によって
は、矢印９とは反対の方向に流れる場合（逆流）もある
が、この実施形態によれば、順流，逆流いずれの場合で
も空気流量が正しく計測でき、且つ、それらの判別も可
能である。

【００３２】内燃機関の吸入空気流量は、高流量域で
は、質量流量でＱ＝６００ｋｇ／時、流速にてｖ＝５０
ｍ／秒の高流量に達し、アイドル運転などの低流量域か
ら高負荷運転による高流量域までの広い範囲（ダイナミ
ックレンジ）での計測が要求される。

【００３３】図５は、センサ素子１と支持体１４を拡大
して示した図で、図示のように、センサ素子１は、絶縁
体からなる支持体１４に取付けられ、アルミナ等の電気
絶縁基板上に端子電極部１７と信号処理回路が形成して
ある外部回路１５が、同じく支持体１４上に取付けられ
ている。

【００３４】センサ素子１と外部回路１５は、端子電極
部１２と端子電極部１７の間を金線１８などでワイヤボ
ンディングして電気的に接続した後、金線１８、電極端
子１２，１７と外部回路１５を保護するため、上側から
図示していない支持体を設けることにより保護される。

【００３５】次に、図６により、本実施形態の回路構成
及び動作を説明する。

【００３６】図６の回路は、センサ素子１の各抵抗体
４，５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，６と、それらを駆動し制
御する回路を示したものである。この図において、１９
は電源、２０は加熱電流制御用のトランジスタ、２１
ａ，２１ｂは抵抗、１６は制御回路、２２はメモリ回路
である。制御回路１６は、Ａ／Ｄ変換器などを含む出力
回路、それに演算処理などを行なうＣＰＵで構成されて
いる。

【００３７】発熱抵抗体４と空気温度測温抵抗体６は、
抵抗２１ａ，２１ｂと共にブリッジ回路を形成し、その
端子１２ａ，１２ｃの電圧が制御回路１６に入力され、
発熱抵抗体４の温度（Ｔｈ）が空気温度に対応する空気
温度測温抵抗体６の温度（Ｔａ）より、或る一定値（Δ
Ｔｈ＝Ｔｈ−Ｔａ＝１５０℃）だけ高くなるように各抵
抗２１ａ，２１ｂの値が設定され、制御回路１６により
加熱電流が制御される。

【００３８】すなわち、発熱抵抗体４の温度が設定値よ
り低い場合には、制御回路１６の出力によりトランジス
タ２０がオンし、発熱抵抗体４に加熱電流が流れ、設定
温度より高くなるとトランジスタ２０がオフし、これに
より発熱抵抗体４の温度が設定値を保つように制御され
る。

【００３９】上流側測温抵抗体５ａ，５ｂと下流側測温
抵抗体５ｃ，５ｄの温度差（抵抗値差）は、これらの抵
抗体により構成されたブリッジ回路の端子１２ｇ，１２
ｅの電位差により検出される。

【００４０】予め、空気流量がゼロの時にブリッジ回路
の端子１２ｇ，１２ｅの電位が一致するように、調整抵
抗（図示せず）の抵抗値を調整するか、メモリ２２に予
め空気流量がゼロの時の端子１２ｇ，１２ｅの電位差を
記憶しておく。

【００４１】空気流量の計測は、予め空気流量（Ｑ）と
ブリッジ回路の端子１２ｇ，１２ｅの電位差との関係を
メモリ２２にマップとして記憶しておき、端子１２ｇ，
１２ｅの電位差及び大小関係から、空気流量（Ｑ）の計
測値と流れ方向を判定して出力することができる。

【００４２】本実施形態では、図示のブリッジ回路構成
を前提として、発熱抵抗体４と空気温度測温抵抗体６の
抵抗温度係数（α）が等しくなるように、これらを同じ
不純物濃度にした多結晶或いは単結晶のケイ素半導体薄
膜で形成してあり、これにより、発熱抵抗体４の温度
（Ｔｈ）を設定（例えばΔＴｈ＝１５０℃）する際に必
要な各抵抗２１ａ，２１ｂの抵抗値が単純な比例関係に
なるので、これらの設定が容易で簡便にできる。

【００４３】本例では、４個の測温抵抗体５ａ，５ｂ，
５ｃ，５ｄを用い、温度差検出のためのブリッジ回路
を、上流側測温抵抗体５ａと下流側測温抵抗体５ｃとの
直列接続の組と下流側測温抵抗体５ｄと上流側測温抵抗
体５ｂとの直列接続の組とを並列に組み合わせることで
構成し、このようにすることにより、端子１２ｇ，１２
ｅ間に生じる電位差が、一対の測温抵抗体からなるブリ
ッジ回路に比して、約２倍になりその結果、感度が上が
り、精度が向上する。

【００４４】なお、空気流量（Ｑ）の検出に際し、上流
側測温抵抗体５ａ，５ｂと下流側測温抵抗体5ｃ，５ｄ
の温度差を検出するのに加えて、発熱抵抗体４に流す加
熱電流（図６における端子１２ｃの電位に相当）を乗算
して流量検出信号とすることも可能である。

【００４５】次に、図７，図８，図９及び図１０によ
り、本実施形態のセンサ素子１の空気流量計測特性につ
いて説明する。

【００４６】図７は、センサ素子１の上流側測温抵抗体
５ａ，５ｂと下流側測温抵抗体５ｃ，５ｄの温度差（Δ
Ｔ）と空気流量（Ｑ）の関係を示したものである。空気
流量（Ｑ）は６００ｋｇ／ｈまでの流量範囲で空気流速
（ｖ）に換算すると約５０ｍ／秒に対応する高流量範囲
になっている。

【００４７】図中の破線２４，実線２３および一点鎖線
２５は、図２，図３で示したダイヤフラム幅（Ｗ）を各
々１ｍｍ，０．７ｍｍおよび０．５ｍｍとした例であ
る。ダイヤフラム３を形成する絶縁膜７ｂ，７ａの全厚
は１〜２μｍで、抵抗体４及び５ａ〜５ｄ、６の膜厚は
１〜２μｍで、各抵抗体間の間隔および抵抗体５ａ〜５
ｄから空気流れ方向のダイヤフラムの縁（端部）までの
各間隔は５〜５０μｍである。上記の間隔が５０μｍ以
上になると、ダイヤフラム部３の熱容量が大きくなり過
ぎ、また、ダイヤフラム部３上の温度分布勾配が必要以
上に小さくなり、センサの熱応答性が低下する。

【００４８】ダイヤフラム幅（Ｗ）が１ｍｍの破線２４
は、低流量域では比較的感度が高くなっているが、空気
流量（Ｑ）が６００ｋｇ／ｈ以下の流量にて出力（Δ
Ｔ）が飽和し、その後、出力が低下する傾向となり、十
分にダイナミックレンジが確保できていない。したがっ
て、この特性は、低流量の空気流量測定に用途が限定さ
れる。

【００４９】一方、ダイヤフラム幅（Ｗ）が０．７ｍｍ
および０．５ｍｍｍの実線２３および一点鎖線２５で
は、空気流量（Ｑ）が６００ｋｇ／ｈまで飽和せずに単
調に増加し飽和することがなく広くダイナミックレンジ
が確保できている。

【００５０】このように、ダイヤフラム幅（Ｗ）が０．
７ｍｍを越え１ｍｍの破線２４では、発熱抵抗体４の上
流側測温抵抗体５ａ，５ｂは空気流量の増大とともに徐
々に冷却効果が増大し温度が低下する一方、下流側測温
抵抗体５ｃ，５ｄでは発熱抵抗体４の熱影響で温度が上
昇すべきところが発熱抵抗体４から距離が離れることか
ら熱影響が無くなり温度が低下し、結果的に高流量領域
にて上下流の測温抵抗体の温度差（ΔＴ）出力が減少す
ることになる。

【００５１】次に、図８に応答特性（立上がり特性）を
示す。図中の破線２４、実線２３および一点鎖線２５
は、図７と同じ構成の熱式空気流量センサに対応してい
る。

【００５２】ダイヤフラム幅（Ｗ）が０．７ｍｍｍおよ
び０．５ｍｍの実線２３および一点鎖線２５では、応答
速度が１０ｍＳ以下の高速応答を示しているが、ダイヤ
フラム幅（Ｗ）が１ｍｍの破線２４では応答速度が急激
に低下している。

【００５３】これは、ダイヤフラム幅（Ｗ）が大きくな
るにしたがい、ダイヤフラム部の体積が増大し熱容量も
大きくなるためで、結果的に発熱抵抗体４への通電開始
からダイヤフラム部を所定の温度に暖めるのに時間を要
することになる。

【００５４】以上の図７および図８の結果から、空気流
量範囲のダイナミックレンジを確保し、且つ、応答速度
を高めるにはダイヤフラム幅（Ｗ）を０．７ｍｍ以下と
する必要があることが判明した。

【００５５】図９に発熱抵抗体４の幅（Ｗｈ）と加熱通
電による発熱抵抗体４の抵抗経時変化（ΔＲ／Ｒ）の結
果を示した。発熱抵抗体４の加熱温度は２５０℃で約１
０００時間通電後の抵抗値の経時変化を示している。

【００５６】発熱抵抗体４の抵抗経時変化が大きくなる
と、発熱抵抗体４と空気温度測温抵抗体６で構成するブ
リッジ回路の平衡状態が通電初期よりも変化する。この
ため、時間の経過とともに加熱温度が変化することにな
り、結果として上下流の測温抵抗体の温度差（ΔＴ）出
力が変わり計測精度の劣化となる。

【００５７】図に見るように、発熱抵抗体４の幅（Ｗ
ｈ）が０．１ｍｍより小さくなると急激に発熱抵抗体４
の抵抗経時変化（ΔＲ／Ｒ）が増大している。

【００５８】これは、発熱抵抗体４の幅（Ｗｈ）が小さ
くなるに従い、加熱電流の電流密度が増大し、発熱抵抗
体内部の単位面積当たりの発熱量が増大すること、ま
た、発熱抵抗体４の幅（Ｗｈ）内の温度分布が不均一に
なり等価的に局所的に温度上昇することから、発熱抵抗
体４の膜質の変化或いは不純物が拡散する等の原因と考
えられる。

【００５９】この結果から、長時間にわたって信頼性を
確保するには、加熱抵抗体４の幅（Ｗｈ）として０．１
ｍｍ以上とする必要があることがわかった。

【００６０】図１０には、測温抵抗体５ａ，５ｂ，５
ｃ，５ｄの敷設幅（Ｗｓ）と図７に示した温度差（Δ
Ｔ）―空気流量（Ｑ）特性曲線の高流量域の傾き（ΔＴ
／ΔＱ）の関係を示したものである。

【００６１】この傾き（ΔＴ／ΔＱ）は、流量センサと
しての流量感度を表すパラメータであり、大きい値が要
求される。図から、測温抵抗体の幅（Ｗｓ）が０．２ｍ
ｍを越えると、流量感度（ΔＴ／ΔＱ）が急激に低下し
始める。

【００６２】これは、測温抵抗体の敷設幅（Ｗｓ）が増
大すると、測温抵抗体の敷設幅（Ｗｓ）を小さくした場
合よりも、測温抵抗体は、ダイヤフラム部３上の温度分
布（図２の破線イ，１点鎖線ロで示す）における温度が
低い方の領域にまでかかることになり（換言すれば、敷
設幅の一端が発熱抵抗体から遠ざかる）ので、特に下流
側の測温抵抗体５ｃ，５ｄは、その分だけ発熱抵抗体４
からの熱影響が無くなり、結果的に高流量域にて測温感
度が低下し上下流の測温抵抗体の温度差（ΔＴ）出力が
減少することになるためである。なお、図２の温度分布
イは、空気流のゼロの状態の場合、温度分布ロは空気流
がある場合である。

【００６３】また、測温抵抗体の幅（Ｗｓ）が０．１ｍ
ｍ以下では、発熱抵抗体４に比較して大きな抵抗値とす
る必要がある測温抵抗体パターンを有効に形成する領域
が確保できなくなる。発熱抵抗体４の抵抗値としては、
５０〜１０００Ωの範囲で、測温抵抗体の抵抗値として
は、１ｋ〜３０ｋΩの範囲とする必要がある。

【００６４】以上の結果から、測温抵抗体の幅（Ｗｓ）
としては０．１〜０．２ｍｍが最も適切な値であること
が分かる。

【００６５】本発明は、上記知見にしたがってＷ，Ｗ
h，Wｓを構成することにより、内燃機関のような広範囲
のダイナミックレンジが要求される熱式空気流量センサ
においても、従来のように大流量計測部と小流量計測部
といったそれぞれ別の測温抵抗体や発熱抵抗体を用意す
ることなく、一つの流量計測部によって、高速応答で且
つ信頼性の高い熱式空気流量センサを実現することがで
きた。

【００６６】以上の実施例では、発熱抵抗体４のパター
ン形状としては一直線のＩ上パターンとしていたが、図
１１（ａ），（ｂ），（ｃ）および（ｄ）に示すような
パターン形状であっても本発明の効果に変わりはない。

【００６７】単結晶ケイ素基板２の表面を熱酸化或いは
ＣＶＤ等の方法により、例えば約０．４〜１μｍの厚さ
の二酸化ケイ素層と窒化ケイ素層の積層膜を形成する。
これは電気絶縁膜７ａとなる。

【００６８】次いで抵抗体となる多結晶ケイ素膜を同じ
くＣＶＤ等の方法により、約１〜２μｍの所定の厚さに
形成する。次に、この抵抗体形成用の半導体薄膜に、熱
拡散又はイオン打ち込みなどの方法により不純物拡散を
行なう。

【００６９】次に、公知のホトリソグラフィ技術により
所定の形状にレジストを形成した後、反応性イオンエッ
チングなどの方法により、半導体薄膜をパターニング
し、各抵抗体４，５ａ，５ｂ，５ｃ，６と配線接続部１
１（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ，１１
ｆ，１１ｇ，１１ｈ，１１ｉ，１１ｊ，１１ｋ，１１
ｌ）を得る。

【００７０】次いで後工程として、ＣＶＤ等の方法によ
り、例えば約０．４〜１μｍの厚さの二酸化ケイ素層と
窒化ケイ素層の積層膜を形成する。これは保護膜７ｂと
なる。

【００７１】ここで、電気絶縁膜７ａおよび保護膜７ｂ
の材質としては、熱膨張係数が単結晶ケイ素の半導体基
板２の１／１０である二酸化ケイ素の層と、熱膨張係数
が半導体基板２より若干大きい窒化ケイ素の層による多
層構成とし、熱膨張係数のマッチングを図った構成とす
ることもでき、これによれば、温度変化による半導体基
板２と保護膜８ｂ間の熱応力が低減できるので、強度の
向上を更に図ることができる。

【００７２】次に、外部回路と接続のための端子電極部
１２（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２
ｆ，１２ｇ，１２ｈ）となる部分の保護膜８ｂを除去
し、アルミニウム、金などにより端子電極１２を形成す
る。

【００７３】ここで、配線接続部１１も、単結晶ケイ素
半導体薄膜とアルミニウム，金などの金属膜による多層
膜構成にしてもよい。

【００７４】最終工程では、半導体基板２の裏面にエッ
チング用のマスク材を所定の形状にパターニングし、水
酸化カリウム（ＫＯＨ）などのエッチング液を用いて異
方性エッチングして空洞部８を形成してやれば、この実
施形態による熱式空気流量のセンサ素子１が完成するこ
とになる。

【００７５】ところで、この実施形態では、図６に示さ
れているように、発熱抵抗体４と空気温度測温抵抗体７
は、一方の端子が直接接続される。

【００７６】また、ダイヤフラム部３上の上流，下流の
温度分布測定用の測温抵抗体５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ
も、ブリッジ回路を形成しているので、相互に直接接続
されている端子がある。

【００７７】そこで、この実施形態では、図１に示され
るように、各抵抗体が直接接続される部分の配線接続部
１１については、センサ素子１内で共通にして端子電極
１２を設けるようにしている。

【００７８】具体的には、図１の通りで、端子電極部１
２ｈは、発熱抵抗体４の一方の配線接続部１１ｌと空気
温度測温抵抗体６の一方の配線接続部１１ｂとの共通の
＋電源端子としている。

【００７９】上流側測温抵抗体５ａの一方の配線接続部
１１ｄと下流側測温抵抗体５ｃの一方の配線接続部１１
ｋとは直列に接続され、配線接続部１１ｄと配線接続部
１１ｋの間が電位取り出し用の電極１２ｇになってい
る。

【００８０】端子電極１２ｆは、下流側測温抵抗体５ｃ
の他方の配線接続部１１ｊと上流側測温抵抗体５ｂの配
線接続部１１ｅの共通−電源端子になっている。

【００８１】上流測温抵抗体５ｂの他方の配線接続部１
１ｆと下流側抵抗体５ｄの一方の配線接続部１１ｉは直
列に接続され、その接続部１２ｅが電位検出用の端子電
極部となっている。

【００８２】したがって、この実施形態によれば端子電
極の共通化が図られ、端子電極の数が減少することか
ら、センサ素子１のチップ面積を小さくでき、基板当た
りのチップ取り数が多くなることと、外部回路との接続
のためのワイヤボンディングなどの工数が低減できるこ
とにより、低コスト化が図れる。

【００８３】ところで、以上は、各抵抗体を多結晶ケイ
素半導体薄膜で形成した場合の実施形態について説明し
たが、本発明は、各抵抗体を単結晶ケイ素半導体薄膜で
形成しても、或いは白金などの金属材料で各抵抗体を形
成してもよく、いずれの実施形態によっても、同様の効
果を得ることができる。

【００８４】また、上記実施形態では、発熱抵抗体４の
上下流に２対の測温抵抗体５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄを配
した場合について説明したが、１対の測温抵抗体を配し
た実施形態によってもよく、この場合も同様の効果を得
ることができる。

【００８５】

【発明の効果】本発明によれば、半導体基板の空洞を電
気絶縁膜により全面を一様に覆う構成にし、且つ、ダイ
ヤフラム、発熱抵抗体及び上下流の測温抵抗体の配置を
最適な構造にすることにより、計測流速範囲（ダイナミ
ックレンジ）が広く、高速応答で且つ信頼性の高い温度
差方式の熱式空気流量計を実現でき、特に内燃機関用に
好適な熱式空気流量センサと、これを用いた内燃機関制
御装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態における熱式空気流量セン
サの素子を示す平面図。

【図２】図１のＡ―Ａ′線断面図。

【図３】図１の部分拡大図

【図４】上記熱式空気流量センサの実装状態の一例を示
す説明図。

【図５】上記センサ素子の実装状態の一例を示す説明
図。

【図６】本発明の一実施形態における熱式空気流量セン
サの回路構成図。

【図７】上記実施形態におけるセンサ素子の上流側測温
抵抗体と下流側測温抵抗体の温度差（ΔＴ）と空気流量
（Ｑ）の関係を示す特性線図。

【図８】上記実施形態におけるセンサ素子のダイヤフラ
ム幅（Ｗ）の効果を説明するための立ち上がり時間特性
図。

【図９】上記実施形態におけるセンサ素子の発熱抵抗体
の幅（Ｗｈ）の効果を説明するための抵抗経時変化の特
性図。

【図１０】上記実施形態におけるセンサ素子の測温抵抗
体の敷設幅（Ｗｓ）の効果を説明するための流量感度特
性図。

【図１１】本発明に適用される発熱抵抗体の他の例を示
す平面図。

【符号の説明】

１…センサ素子、２…半導体基板、３…ダイヤフラム
部、４…発熱抵抗体、５ａ，５ｂ…上流側測温抵抗体、
５ｃ，５ｄ…下流側測温抵抗体、６…空気温度測温抵抗
体、７ａ…電気絶縁膜、７ｂ…保護膜、８…空洞部、9
…空気流。

フロントページの続き (72)発明者 渡辺 泉 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 (72)発明者 中田 圭一 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器グループ内 Ｆターム(参考） 2F035 EA05 EA08 EA09

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板に空洞部と該空洞部を覆う電
   気絶縁膜よりなるダイヤフラム部を形成し、このダイヤ
   フラムに発熱抵抗体とこの発熱抵抗体の熱的影響を受け
   る測温抵抗体とを形成し、前記測温抵抗体は前記発熱抵
   抗体を挟んで空気流の上流側と下流側に配置され、少な
   くともこの上流側と下流側の測温抵抗体の温度差に基づ
   き空気流量を計測する熱式空気流量センサであって、 前記ダイヤフラムは、空気流れ方向の幅（Ｗ）が０．７
   ｍｍ以下で、前記発熱抵抗体は、空気流れ方向の幅（Ｗ
   ｈ）が０．１ｍｍ以上で、且つ、前記上流側，下流側の
   各測温抵抗体は、空気流れ方向の敷設幅（Ｗｓ）が０．
   １〜０．２ｍｍの範囲で構成されていることを特徴とす
   る熱式空気流量センサ。
2. 【請求項２】 前記発熱抵抗体と前記測温抵抗体との空
   気流れ方向の間隔、及び前記測温抵抗体と前記ダイヤフ
   ラム部の端部との空気流れ方向の間隔は、５〜５０μｍ
   の範囲で構成されている請求項１記載の熱式空気流量セ
   ンサ。
3. 【請求項３】 前記発熱抵抗体と前記測温抵抗体が、そ
   れぞれの接続配線部含めて不純物ドープした多結晶又は
   単結晶の半導体膜で構成されている請求項１又は２記載
   の熱式空気流量センサ。
4. 【請求項４】 前記半導体基板には、前記ダイヤフラム
   部から外れた位置の電気絶縁膜上に空気温度測温抵抗体
   が形成され、前記発熱抵抗体と前記空気温度測温抵抗体
   とがブリッジ回路に組み込まれ、このブリッジ回路は、
   前記発熱抵抗体に流れる加熱電流を前記空気温度測温抵
   抗体に対して所定の温度差を保つように制御する電流制
   御回路と接続され、 一方、前記上流側，下流側の各測温抵抗体は、それぞれ
   ２個用いられ、これらの測温抵抗体によって、前記ダイ
   ヤフラム部における電気絶縁膜上の上流，下流の温度差
   を検出可能なもう一つのブリッジ回路が形成されている
   請求項１から３のいずれか１項記載の熱式空気流量セン
   サ。
5. 【請求項５】 請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱
   式空気流量センサを用いて内燃機関の吸入空気量を計測
   し、この計測値に基づき内燃機関の燃料噴射量を制御す
   るように構成したことを特徴とする内燃機関制御装置。