JP2002131106A - Microheater and thermal air flowmeter - Google Patents

Microheater and thermal air flowmeter

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JP2002131106A
JP2002131106A JP2000324264A JP2000324264A JP2002131106A JP 2002131106 A JP2002131106 A JP 2002131106A JP 2000324264 A JP2000324264 A JP 2000324264A JP 2000324264 A JP2000324264 A JP 2000324264A JP 2002131106 A JP2002131106 A JP 2002131106A
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film
thin film
heating
resistor
gas
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Application number
JP2000324264A
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Japanese (ja)
Inventor
Rintaro Minamitani
林太郎 南谷
Akio Yasukawa
彰夫 保川
Shinya Igarashi
信弥 五十嵐
Masamichi Yamada
雅通 山田
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Hitachi Ltd
Hitachi Automotive Systems Engineering Co Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
Hitachi Car Engineering Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve long-term stability of a thermal air flow sensor. SOLUTION: The microheater is provided with a thin film heating section established over a cavity section 3 formed on a monocrystal silicon substrate 2 to heat flowing gas to be measured. The above thin film heating section comprises heating resistors 4 and 5, a resistance temperature sensor 6, an air resistance temperature sensor 7, and an upper thin film 8/a lower thin film 9 vertically sandwiching these resistance temperature sensors. At least either of the upper thin film 8 or the lower thin film 9 is formed so as to contain a tensile stress film 10 and also a water-resistant compression stress film 11 is laminatedly formed.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、基板に形成された
空洞部に橋をかけるような形で設けられた薄膜発熱部を
有する構成のマイクロヒータならびに熱式空気流量計に
関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a micro-heater and a thermal air flow meter having a thin-film heating portion provided so as to bridge a cavity formed in a substrate.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、半導体チップ上に形成する熱式空
気流量計や湿度センサなどが提供されつつあり、これら
には、その検出原理で必要となるマイクロヒータが設け
られている。このマイクロヒータは、昇温時における基
板への熱の逃げを防止するために、発熱体を厚みが数μ
m程度の薄膜構造、例えばダイアフラム構造に形成した
断熱構造を採用するようにしている。さらには、これら
の構造を採用すると共にセンサ寸法の縮小化を図ること
により熱応答性や消費電力の低減を図るようにしてい
る。
2. Description of the Related Art In recent years, thermal air flow meters, humidity sensors, and the like formed on a semiconductor chip have been provided, and these are provided with a microheater necessary for the principle of detection. This micro heater has a heating element having a thickness of several μm to prevent heat from escaping to the substrate when the temperature is raised.
A heat insulation structure formed in a thin film structure of about m, for example, a diaphragm structure is adopted. Furthermore, by adopting these structures and reducing the size of the sensor, thermal responsiveness and power consumption are reduced.

【0003】熱式空気流量計で空気流量を検出する原理
は次ぎの通りである。空気が流れてくると、その空気の
温度Tをまず空気温度測温抵抗体により検出する。空気
温度測温抵抗体の空気流下流側に該空気流に曝される発
熱抵抗体が配置され、この発熱抵抗体は、通電される電
流に応じた熱を発生するようになっている。この発熱抵
抗体に対して検出した前記空気の温度Tよりも一定温度
ΔTだけ高い状態を保持するように通電電流が制御され
る。このとき、発熱抵抗体の表面を流通する空気の流量
に応じて発熱抵抗体表面から奪われる熱量が異なるの
で、発熱抵抗体へ供給する電流も空気の流量に応じて変
化することになる。したがって、予め空気温度測温抵抗
体で検出される空気温度Tに対して発熱抵抗体の温度を
ΔTだけ高い温度に保つのに必要な電流値と空気流量の
データを採取しておくことにより、発熱抵抗体へ供給し
ている電流値から空気流量を知ることができる。また、
発熱抵抗体の温度を検出するために、発熱抵抗体に隣接
して測温抵抗体が配置される。
The principle of detecting the air flow rate with a thermal air flow meter is as follows. When the air flows, the temperature T of the air is first detected by an air temperature measuring resistor. A heating resistor that is exposed to the air flow is disposed downstream of the air temperature measuring resistor in the air flow, and the heating resistor generates heat according to a current supplied. The energizing current is controlled so as to maintain a state higher than the temperature T of the air detected by the heating resistor by a constant temperature ΔT. At this time, since the amount of heat taken from the surface of the heating resistor differs according to the flow rate of air flowing through the surface of the heating resistor, the current supplied to the heating resistor also changes according to the flow rate of air. Therefore, by collecting data of the current value and the air flow rate necessary to keep the temperature of the heating resistor higher by ΔT than the air temperature T detected by the air temperature measuring resistor, The air flow rate can be known from the current value supplied to the heating resistor. Also,
A temperature measuring resistor is arranged adjacent to the heating resistor to detect the temperature of the heating resistor.

【0004】一般に、前記空気温度測温抵抗体、発熱抵
抗体及び測温抵抗体は薄膜構造で形成されてマイクロヒ
ータを構成しており、前記薄膜構造は、発熱体材料の薄
膜を上下両側に設けた薄膜で挟むようにして形成した構
造である。発熱体材料としては、通常、Pt(白金)、
Si(シリコン)、NiCr(ニッケルクロム)、Ta
N(窒化タンタル)、SiC(炭化シリコン)、W(タ
ングステン)などの導電性材料が用いられている。ま
た、発熱体の上下に設ける薄膜としては、MgO(酸化
マグネシウム)、SiO(二酸化シリコン)、Six
Ny(窒化シリコン、x、yは正整数)、Ta
(酸化タンタル)、Al(アルミナ)、TiN
(窒化チタン)などの絶縁性材料の薄膜が用いられてい
る。
In general, the air temperature measuring resistor, the heating resistor and the temperature measuring resistor are formed in a thin film structure to constitute a micro-heater. In the thin film structure, a thin film of a heating element material is provided on both upper and lower sides. This is a structure formed so as to be sandwiched between provided thin films. The heating element material is usually Pt (platinum),
Si (silicon), NiCr (nickel chrome), Ta
Conductive materials such as N (tantalum nitride), SiC (silicon carbide), and W (tungsten) are used. The thin films provided above and below the heating element include MgO (magnesium oxide), SiO 2 (silicon dioxide), Six
Ny (silicon nitride, x and y are positive integers), Ta 2 O
5 (tantalum oxide), Al 2 O 3 (alumina), TiN
A thin film of an insulating material such as (titanium nitride) is used.

【0005】このような薄膜構造では、成膜後に薄膜の
平均応力として圧縮応力が残留した場合、薄膜ダイアフ
ラムが撓むため、ダイアフラム上の空気流が乱れて空気
流量測定がばらつく惧れがある。これを避けるため、特
開平11−271123号公報に示されるように、Si
膜などの引張応力膜を採用して成膜後の薄膜の平
均応力を引張応力にすることで、薄膜ダイアフラムの撓
みを防止している。Si膜は剛性が高いことから
も薄膜ダイアフラムの強度部材として採用されている。
さらに、Si膜は耐水性であり内側膜を水分から
保護する機能もある。
[0005] In such a thin film structure, if a compressive stress remains as an average stress of the thin film after the film is formed, the thin film diaphragm bends, so that the air flow on the diaphragm may be disturbed and the air flow measurement may vary. In order to avoid this, as disclosed in JP-A-11-271123, Si
3 N 4 employs a tensile stress film, such as film by the mean stress tensile stress of the thin film after the film formation, thereby preventing deflection of the film diaphragm. The Si 3 N 4 film is employed as a strength member of the thin film diaphragm because of its high rigidity.
Further, the Si 3 N 4 film is water-resistant and has a function of protecting the inner film from moisture.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】薄膜発熱部を有する構
成のマイクロヒータを用いたセンサでは、上記のよう
に、Si膜などの引張応力膜を薄膜ダイアフラム
の強度部材として採用することで、薄膜の平均応力を引
張応力にして膜の撓みを抑制している。
In a sensor using a microheater having a thin-film heating section, a tensile stress film such as a Si 3 N 4 film is employed as a strength member of a thin-film diaphragm as described above. In addition, the average stress of the thin film is set to a tensile stress to suppress the bending of the film.

【0007】このようなマイクロヒータを備えたセンサ
(空気流量計)は、例えば自動車の吸入空気を測定する
ために用いられており、高湿環境に曝される。そこで、
Si 膜を採用したマイクロヒータを備えたセンサ
(空気流量計)を高湿環境に放置した試験を実施したと
ころ、一定時間使用後にセンサの薄膜ダイアフラムが破
壊することを新たに見出した。調査の結果、供試したセ
ンサでは、最表面に形成したSi膜が水分に曝さ
れ、引張応力下にあるSi膜に存在するマイクロ
クラックの進展が水分の共存により促進されることが分
かった。このように、薄膜ダイアフラムの強度部材であ
るSi膜が静疲労すれば、薄膜構造体が破壊す
る。すなわち、マイクロヒータの機能に障害を生じ、マ
イクロヒータを用いたセンサ、例えば空気流量計の計測
精度が低下する。従来のセンサでは、使用時の高湿環境
における静疲労について全く対策されていなかった。
A sensor equipped with such a micro heater
(Air flow meter) measures, for example, the intake air of a car
And exposed to high humidity environments. Therefore,
Si 3N4Sensor with micro heater using membrane
(Air flow meter) was tested in a high humidity environment.
At this time, the thin film diaphragm of the sensor breaks after a certain period of use.
We have found that breaking is new. As a result of the survey,
In the sensor, the Si formed on the outermost surface3N4Membrane exposed to moisture
Si under tensile stress3N4Micro in membrane
It can be seen that crack development is promoted by the coexistence of moisture.
won. As described above, the strength member of the thin film diaphragm is used.
Si3N4If the film is subjected to static fatigue, the thin film structure will be destroyed.
You. In other words, the function of the micro-heater may fail,
Measurement using a sensor using an micro heater, for example, an air flow meter
Accuracy decreases. With conventional sensors, high humidity
No countermeasures were taken against static fatigue.

【0008】特開平11−271123号公報に示され
ている技術は、水分の侵入による薄膜材料の特性変動を
防止する方法として、薄膜部の最外側にSi膜を
形成した構成のものである。このように、薄膜部の最外
側に耐水性のSi膜を形成することで内側のSi
膜を水分から保護して、これによりSiO膜の膨
潤応力による薄膜の変形を抑制する機能を持たせてい
る。しかし、この構成では、耐水性のSi膜が大
きな引張応力を有しているため、Si膜自体が静
疲労により破壊するという不具合は解決されていない。
The technique disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-271123 is a method for preventing a characteristic change of a thin film material due to intrusion of moisture by forming a Si 3 N 4 film on the outermost side of a thin film portion. It is. As described above, by forming the water-resistant Si 3 N 4 film on the outermost side of the thin film portion, the inner Si 3 N 4 film is formed.
The O 2 film has a function of protecting the O 2 film from moisture, thereby suppressing the deformation of the thin film due to the swelling stress of the SiO 2 film. However, in this configuration, since the water-resistant Si 3 N 4 film has a large tensile stress, the problem that the Si 3 N 4 film itself is broken by static fatigue has not been solved.

【0009】図4に、従来のセンサにおける薄膜ダイア
フラムの他の例の断面を示す。発熱抵抗体4、5や測温
抵抗体6、7は、基板側薄膜(以下、下部薄膜という)
8および反基板側薄膜(以下、上部薄膜9という)とに
より挟まれている。下部薄膜8は、引張応力膜10であ
るSi膜と吸水性圧縮応力膜12であるSiO
膜を積層した構造に形成されている。また上部薄膜8
は、吸水性圧縮応力膜12であるSiO膜で形成され
ている。SiO膜は、圧縮の残留応力を有している
が、吸水性があるために水分が透過する。したがって、
環境の水分は、SiO膜を介してSi膜に到達
し、ダイアフラムの静疲労破壊を引き起こす。図5に、
破壊応力と破壊時間の関係を示す。薄膜ダイアフラムの
強度部材である引張応力膜の上下部に耐水性圧縮応力膜
が形成されていない従来のセンサでは、放置時間が長い
と破壊応力が低下し、いわゆる静疲労が生じる。したが
って、静疲労による破壊応力が成膜残留応力値に到達し
た時点でダイアフラムが破壊する。
FIG. 4 shows a thin film diagram of a conventional sensor.
6 shows a cross section of another example of a flam. Heating resistors 4, 5 and temperature measurement
The resistors 6 and 7 are a substrate-side thin film (hereinafter, referred to as a lower thin film).
8 and the thin film on the side opposite to the substrate (hereinafter referred to as upper thin film 9).
More sandwiched. The lower thin film 8 is a tensile stress film 10.
Si3N4SiO 2 film and water absorbing compressive stress film 12 2
It is formed in a structure in which films are stacked. The upper thin film 8
Is SiO 2 as the water-absorbing compressive stress film 12.2Formed by membrane
ing. SiO2The membrane has a compressive residual stress
However, because of the water absorption, moisture is transmitted. Therefore,
Environmental moisture is SiO2Si through the film3N4Reach the membrane
This causes static fatigue failure of the diaphragm. In FIG.
The relationship between fracture stress and fracture time is shown. Of thin film diaphragm
Water resistant compressive stress film on the upper and lower parts of tensile stress film as a strength member
The conventional sensor that has no formation has long standing time
In this case, the fracture stress decreases, and so-called static fatigue occurs. But
Therefore, the fracture stress due to static fatigue reaches the film deposition residual stress value.
At which point the diaphragm breaks.

【0010】本発明の課題は、マイクロヒータの機能を
維持し、マイクロヒータを用いたセンサ、例えば空気流
量計の計測精度の低下を抑制するにある。
An object of the present invention is to maintain the function of a microheater and suppress a decrease in measurement accuracy of a sensor using the microheater, for example, an air flow meter.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】本発明は、以下の手段に
より上記課題を解決する。先に述べたように、マイクロ
ヒータの機能が低下するのは、引張応力膜に水分が浸透
し、この水分により引張応力膜の静疲労が促進されるた
めである。発明者等は、水分が引張応力膜に浸透するの
を防止することで、引張応力膜の静疲労の進展を抑止す
ることに成功した。
The present invention solves the above problems by the following means. As described above, the reason why the function of the microheater is reduced is that moisture penetrates into the tensile stress film, and this moisture promotes static fatigue of the tensile stress film. The inventors have succeeded in suppressing the progress of static fatigue of the tensile stress film by preventing moisture from penetrating into the tensile stress film.

【0012】すなわち、少なくとも両端を基板に支持さ
れ、少なくとも一方の面を被加熱気体に接する薄膜から
なる薄膜発熱部を有して前記被加熱気体を加熱するマイ
クロヒータにおいて、前記薄膜発熱部を、通電により発
熱する発熱抵抗体と、この発熱抵抗体を両側から挟む基
板側薄膜および反基板側薄膜とを含んで構成し、前記反
基板側薄膜を引張応力膜を含んで形成し、該引張応力膜
の前記被加熱気体に対向する側の面を耐水性の圧縮応力
膜で覆う。
That is, in a microheater having at least one end supported by a substrate and having at least one surface made of a thin film in contact with a gas to be heated and heating the gas to be heated, A heat-generating resistor that generates heat when energized, a substrate-side thin film sandwiching the heat-generating resistor from both sides, and a non-substrate-side thin film, wherein the anti-substrate-side thin film is formed to include a tensile stress film; A surface of the film facing the gas to be heated is covered with a water-resistant compressive stress film.

【0013】基板側薄膜を引張応力膜を含んで形成する
場合も、同様に、該引張応力膜の前記前記被加熱気体に
対向する側の面を耐水性の圧縮応力膜で覆えばよい。
When the substrate-side thin film is formed to include a tensile stress film, similarly, the surface of the tensile stress film on the side facing the gas to be heated may be covered with a water-resistant compressive stress film.

【0014】このような構成とすれば、引張応力膜の、
周囲環境、すなわち被加熱気体に隣接した側の薄膜は耐
水性の圧縮応力膜であるため、圧縮応力膜に水分が付着
しても、それ自体は静疲労破壊が発生しない。さらに、
その内側にあるSi膜など薄膜ダイアフラムの強
度部材である引張応力膜は、外気から水分が遮断されて
いるため静疲労破壊は発生しない。
With such a structure, the tensile stress film
The surrounding environment, that is, the thin film on the side adjacent to the gas to be heated is a water-resistant compressive stress film. Therefore, even if moisture adheres to the compressive stress film, static fatigue failure does not occur. further,
The tensile stress film, which is the strength member of the thin film diaphragm such as the Si 3 N 4 film inside, is shielded from moisture from the outside air, so that static fatigue fracture does not occur.

【0015】[0015]

【発明の実施の形態】以下、本発明を自動車や船舶など
の内燃機関の吸気量を検出する部分に配設する熱式空気
流量計に適用した場合の第1の実施形態について図面を
参照しながら説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Referring to the drawings, a first embodiment in which the present invention is applied to a thermal air flow meter disposed at a portion for detecting an intake air amount of an internal combustion engine such as an automobile or a ship will be described below. I will explain it.

【0016】図1は、本実施の形態に係る熱式空気流量
計の測定素子1の概略平面図を示し、図2は、図1のA
−A線矢視断面図である。図示の測定素子1は、中央部
に空洞部3を有する基板である矩形状の単結晶シリコン
基板2と、この空洞部3に橋をかけるような形にに形成
され、単結晶シリコン基板2に支持された薄膜発熱部で
ある薄膜ダイアフラムとから構成されている。なお、以
下の説明では、便宜上、図の下側を下方、図の上側を上
方として説明するが、これは、マイクロヒータの使用状
態における上下を規定するものではない。
FIG. 1 is a schematic plan view of a measuring element 1 of a thermal air flow meter according to the present embodiment, and FIG.
FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line -A. The illustrated measuring element 1 is formed into a rectangular single-crystal silicon substrate 2 which is a substrate having a hollow portion 3 in the center portion, and is formed so as to bridge the hollow portion 3. And a thin film diaphragm which is a supported thin film heating section. In the following description, for convenience, the lower side of the figure is described as the lower side, and the upper side of the figure is described as the upper side. However, this does not define the upper and lower sides in the use state of the micro heater.

【0017】この薄膜ダイアフラムは、薄膜ダイアフラ
ムの強度部材である引張応力膜10と、この引張応力膜
10の一方の面上に配置された抵抗体と、前記引張応力
膜10との間に前記抵抗体を挟み込むように形成された
耐水性圧縮応力膜11と、引張応力膜10の前記抵抗体
が配置された面と反対側の面に接して形成された耐水性
圧縮応力膜11と、を含んで構成されている。単結晶シ
リコン基板2側の耐水性圧縮応力膜11と引張応力膜1
0を基板側薄膜(以下、下部薄膜という)8、前記抵抗
体側の耐水性圧縮応力膜11を反基板側薄膜(以下、上
部薄膜という)9、と呼ぶ。
The thin-film diaphragm includes a tensile stress film 10 which is a strength member of the thin-film diaphragm, a resistor disposed on one surface of the tensile stress film 10, and the resistive stress film 10. A water-resistant compressive stress film 11 formed so as to sandwich the body, and a water-resistant compressive stress film 11 formed in contact with the surface of the tensile stress film 10 opposite to the surface on which the resistor is arranged. It is composed of Water resistant compressive stress film 11 and tensile stress film 1 on single crystal silicon substrate 2 side
0 is referred to as a substrate-side thin film (hereinafter, referred to as a lower thin film) 8, and the water resistant compressive stress film 11 on the resistor side is referred to as an anti-substrate-side thin film (hereinafter, referred to as an upper thin film) 9.

【0018】前記抵抗体は、通電により発熱する2本の
発熱抵抗体4、5と、この2本の発熱抵抗体4、5の間
に配置され発熱抵抗体4、5の温度を計測するための測
温抵抗体6と、流量を測定すべき空気の温度を計測する
ための空気温度測温抵抗体7を含んでおり、それら各抵
抗体はそれぞれ線状に形成されて互いに平行に配列され
ている。また、発熱抵抗体4、5、測温抵抗体6及び空
気温度測温抵抗体7には、それぞれ端子電極16が接続
されている。
The resistors are disposed between the two heating resistors 4 and 5 that generate heat when energized, and are disposed between the two heating resistors 4 and 5 to measure the temperature of the heating resistors 4 and 5. , And an air temperature measuring resistor 7 for measuring the temperature of the air whose flow rate is to be measured. Each of these resistors is formed in a linear shape and arranged in parallel with each other. ing. Terminal electrodes 16 are connected to the heating resistors 4 and 5, the temperature measuring resistor 6, and the air temperature measuring resistor 7, respectively.

【0019】下部薄膜8は、例えば、最下面側に耐水性
圧縮応力膜11としてプラズマCVD法を用いたSix
Ny膜(x、yは任意の正整数、ただし、Si
は除く)が形成されると共に、その上面側(発熱抵抗体
4、5と測温抵抗体6、7と対向する側)に引張応力膜
10としてCVD法を用いたSi膜が積層形成さ
れたものである。上部薄膜9は、引張応力膜10の発熱
抵抗体4、5と測温抵抗体6、7と接する側に耐水性圧
縮応力膜11としてSixNy膜が形成されたものであ
る。すなわち周囲環境に隣接した上下の最外側は圧縮応
力膜11としてSixNyで構成されている。なお、薄
膜ダイアフラム下面が周囲環境に曝されていない場合、
すなわち空洞部が密閉されている場合には、図の最下面
に配置された耐水性圧縮応力膜11は形成しなくてもよ
い。
The lower thin film 8 is formed, for example, on the lowermost surface as a water-resistant compressive stress film 11 by Six CVD using a plasma CVD method.
A Ny film (x and y are arbitrary positive integers, except for a Si 3 N 4 film) is formed, and its upper surface side (the side facing the heating resistors 4 and 5 and the temperature measuring resistors 6 and 7). ) Is formed by laminating a Si 3 N 4 film as a tensile stress film 10 using a CVD method. The upper thin film 9 is formed by forming a SixNy film as a water-resistant compressive stress film 11 on the side of the tensile stress film 10 in contact with the heating resistors 4 and 5 and the temperature measuring resistors 6 and 7. That is, the upper and lower outermost portions adjacent to the surrounding environment are formed of SixNy as the compressive stress film 11. When the lower surface of the thin film diaphragm is not exposed to the surrounding environment,
That is, when the cavity is closed, the water-resistant compressive stress film 11 disposed on the lowermost surface of the drawing need not be formed.

【0020】上記構成の測定素子1を備えた熱式空気流
量計は、図3に示すように、電子制御燃料噴射装置の吸
気通路22に設置されて、吸気通路22を通過する吸気
流量を検出する。熱式空気流量計は、測定素子1と、測
定素子1を支持する支持体20、及び外部回路21を含
んで構成されている。測定素子1と外部回路21とは、
測定素子1の各端子電極16と外部回路21との間の、
支持体20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、吸気通路22
内部にある副通路23内に配置され、外部回路21は、
吸気通路22の外壁面に設置されている。測定素子1
は、空気温度測温抵抗体7が、発熱抵抗体4,5よりも
測定対象の空気流上流側になるように、かつ、空気流に
直交する方向になるように、配置される。
As shown in FIG. 3, the thermal air flow meter provided with the measuring element 1 having the above-described configuration is installed in an intake passage 22 of an electronic control fuel injection device, and detects an intake air flow passing through the intake passage 22. I do. The thermal air flow meter includes a measuring element 1, a support 20 supporting the measuring element 1, and an external circuit 21. The measuring element 1 and the external circuit 21
Between each terminal electrode 16 of the measuring element 1 and the external circuit 21;
They are electrically connected by wiring (not shown) protected by the support 20. The measuring element 1 includes an intake passage 22
The external circuit 21 is disposed in the sub passage 23 inside,
It is installed on the outer wall surface of the intake passage 22. Measuring element 1
Are arranged so that the air temperature measuring resistor 7 is located on the upstream side of the airflow to be measured with respect to the heating resistors 4 and 5 and in a direction orthogonal to the airflow.

【0021】吸気流量を検出する原理は次ぎの通りであ
る。図3の白抜きの矢印で示す方向から空気流24が流
れてくると、該空気流が測定素子1を流過する際に、そ
の空気の温度Tを空気温度測温抵抗体7により検出し、
発熱抵抗体4,5に対して通電される電流値を、該発熱
抵抗体4,5が検出された空気の温度Tよりも一定温度
ΔTだけ高い状態を保持するように制御する。このと
き、発熱抵抗体4、5の表面を流過する空気の流量に応
じて表面から奪われる熱量が異なるので、発熱抵抗体へ
供給する電流も空気の流量に応じて変化することにな
る。したがって、予め空気温度測温抵抗体7で検出され
る空気温度Tに対して発熱抵抗体4,5の温度をΔTだ
け高い温度に保つのに必要な電流値と空気流量のデータ
を採っておくことにより、このとき発熱抵抗体4、5へ
供給している電流値から吸気流量を検出することができ
る。また、上流側の発熱抵抗体の温度が低くなる特性を
利用して、発熱抵抗体4、5へ供給する電流の大きさを
比較することにより、空気流の方向が検知できる。
The principle of detecting the intake flow rate is as follows. When the air flow 24 flows from the direction indicated by the white arrow in FIG. 3, when the air flow passes through the measuring element 1, the temperature T of the air is detected by the air temperature measuring resistor 7. ,
The current value supplied to the heating resistors 4 and 5 is controlled so that the heating resistors 4 and 5 maintain a state higher than the detected temperature T of the air by a constant temperature ΔT. At this time, since the amount of heat taken from the surfaces of the heating resistors 4 and 5 varies depending on the flow rate of the air flowing through the surfaces, the current supplied to the heating resistors also changes according to the flow rate of the air. Therefore, data of the current value and the air flow rate necessary to keep the temperature of the heating resistors 4 and 5 higher than the air temperature T detected by the air temperature measuring resistor 7 by ΔT are taken in advance. Thus, the flow rate of intake air can be detected from the current value supplied to the heating resistors 4 and 5 at this time. The direction of the air flow can be detected by comparing the magnitude of the current supplied to the heating resistors 4 and 5 using the characteristic that the temperature of the heating resistor on the upstream side decreases.

【0022】ところで、自動車などの内燃機関の電子制
御燃料噴射装置では、外気を吸入するため、流量の測定
対象となる空気には、砂や塩、その他の塵埃に加え水分
が含まれている。自動車などの内燃機関などでは、吸入
された外気中のダストを除去するため、エアーフィルタ
が備えられているが、水分はエアーフィルタを通過する
ため、センサは高湿環境に曝される。さらに、エアーフ
ィルタを通過した粒径の小さいダストが測定素子表面に
付着すると、その近傍は結露しやすくなる。このよう
に、薄膜ダイアフラムが高湿環境に曝され水分が付着す
ると、薄膜ダイアフラムの強度部材である引張応力膜が
水分により静疲労破壊することがある。これは、引張応
力膜に存在するマイクロクラックの進展が水分の共存に
より促進されるためである。
In an electronically controlled fuel injection device for an internal combustion engine of an automobile or the like, since the outside air is sucked, the air whose flow rate is to be measured contains water in addition to sand, salt, and other dust. In an internal combustion engine of an automobile or the like, an air filter is provided to remove inhaled dust in the outside air. However, since moisture passes through the air filter, the sensor is exposed to a high humidity environment. Furthermore, when dust having a small particle diameter that has passed through the air filter adheres to the surface of the measurement element, dew condensation is likely to occur in the vicinity thereof. As described above, when the thin film diaphragm is exposed to a high-humidity environment and moisture adheres, the tensile stress film, which is a strength member of the thin film diaphragm, may be broken by static fatigue due to moisture. This is because the development of microcracks existing in the tensile stress film is promoted by the coexistence of moisture.

【0023】本実施の形態においては、このような事態
に対処すべく、薄膜ダイアフラムの強度部材である引張
応力膜10の上下面に耐水性圧縮応力膜11を前述のよ
うに構成し、測定対象の空気流が直接引張応力膜10に
接触しないようにしているので、静疲労による引張応力
膜10の破壊を防止することができる。
In the present embodiment, in order to cope with such a situation, the water-resistant compressive stress films 11 are formed on the upper and lower surfaces of the tensile stress film 10 which is the strength member of the thin-film diaphragm as described above, Is prevented from directly contacting the tensile stress film 10, it is possible to prevent the tensile stress film 10 from breaking due to static fatigue.

【0024】このことを、薄膜ダイアフラムの静疲労試
験結果を用いて説明する。図5に、破壊応力と破壊時間
の関係を示す。薄膜ダイアフラムの強度部材である引張
応力膜の上下部に耐水性圧縮応力膜が形成されている本
実施の形態のセンサでは、放置時間に依らず破壊応力は
一定で低下しておらず、静疲労による破壊は生じない。
This will be described with reference to the results of a static fatigue test of a thin film diaphragm. FIG. 5 shows the relationship between the breaking stress and the breaking time. In the sensor of the present embodiment in which the water-resistant compressive stress film is formed on the upper and lower portions of the tensile stress film, which is the strength member of the thin film diaphragm, the fracture stress is constant and does not decrease regardless of the standing time, and the static fatigue No destruction will occur.

【0025】以上のように、本実施形態のセンサでは、
上部薄膜8および下部薄膜9は、それぞれ一層以上の薄
膜を積層してなり、発熱抵抗体4、5や測温抵抗体6、
空気温度測温抵抗体7は、薄膜ダイアフラムの強度部材
である引張応力膜10上に形成されており、その上部、
下部には耐水性圧縮応力膜11が形成されている。ただ
し、発熱抵抗体4、5や測温抵抗体6、空気温度測温抵
抗体7はパターンニングするため、エッチングストップ
用薄膜が層間に形成される場合もある。例えば図6に示
す第2の実施の形態のように、発熱抵抗体4、5や測温
抵抗体6、空気温度測温抵抗体7として多結晶シリコン
を用いた場合、SiOのエッチングストップ用薄膜1
3を発熱抵抗体4、5や測温抵抗体6、空気温度測温抵
抗体7の下面(引張応力膜10の上面)に形成すること
がある。
As described above, in the sensor according to the present embodiment,
Each of the upper thin film 8 and the lower thin film 9 is formed by laminating one or more thin films, and the heating resistors 4 and 5 and the temperature measuring resistor 6,
The air temperature measuring resistor 7 is formed on a tensile stress film 10 which is a strength member of the thin film diaphragm.
A water-resistant compressive stress film 11 is formed below. However, since the heating resistors 4 and 5, the temperature measuring resistor 6, and the air temperature measuring resistor 7 are patterned, an etching stop thin film may be formed between layers. For example, as in the second embodiment shown in FIG. 6, when polycrystalline silicon is used as the heating resistors 4 and 5, the temperature measuring resistor 6, and the air temperature measuring resistor 7, it is used to stop etching of SiO 2 . Thin film 1
3 may be formed on the lower surface (the upper surface of the tensile stress film 10) of the heating resistors 4, 5 and the temperature measuring resistor 6, and the air temperature measuring resistor 7.

【0026】次に、上記熱式空気流量計の製造方法につ
いて図7を参照して説明する。図7は、図1のB―B線
矢視断面を示している。まず、図7の(a)に示すよう
に、単結晶シリコン基板2の表面にプラズマCVD法な
どにより耐水性圧縮応力膜11としてSixNy膜を堆
積させる。基板温度を高く設定して反応ガスの化学反応
を進めるCVD法に対して、プラズマCVD法では雰囲
気をプラズマ化して化学反応を加速させるために基板温
度を低く抑えることができる。耐水性圧縮応力膜として
は、多結晶シリコンまたはAlまたはTiNまた
はダイアモンドを用いて形成することもできる。続い
て、耐水性圧縮応力膜11の上に薄膜ダイアフラムの強
度部材である引張応力膜10としてSi膜をCV
D法により堆積させる。
Next, a method of manufacturing the thermal air flowmeter will be described with reference to FIG. FIG. 7 shows a cross section taken along line BB of FIG. First, as shown in FIG. 7A, a SixNy film is deposited as a water-resistant compressive stress film 11 on the surface of the single crystal silicon substrate 2 by a plasma CVD method or the like. In contrast to the CVD method in which the substrate temperature is set high to promote the chemical reaction of the reaction gas, in the plasma CVD method, the substrate temperature can be kept low because the atmosphere is turned into plasma to accelerate the chemical reaction. The water-resistant compressive stress film can also be formed using polycrystalline silicon, Al 2 O 3, TiN, or diamond. Subsequently, a Si 3 N 4 film is formed on the water-resistant compressive stress film 11 as a tensile stress film 10 which is a strength member of the thin film diaphragm by CV.
It is deposited by the D method.

【0027】次いで、発熱抵抗体4、5および測温抵抗
体6、空気温度測温抵抗体7となる多結晶シリコン膜
を、引張応力膜10の上にCVDにより成膜する。この
後、成膜した多結晶シリコン膜を、発熱抵抗体、測温抵
抗体、および空気温度測温抵抗体のパターンを形成すべ
く不要な部分をエッチング除去する(図7の(b)参
照)。
Next, a polycrystalline silicon film to be the heating resistors 4 and 5, the temperature measuring resistor 6, and the air temperature measuring resistor 7 is formed on the tensile stress film 10 by CVD. Thereafter, unnecessary portions of the formed polycrystalline silicon film are removed by etching to form patterns of a heating resistor, a temperature measuring resistor, and an air temperature measuring resistor (see FIG. 7B). .

【0028】上記エッチング除去が終了したら次に、上
部薄膜となる耐水性圧縮応力膜11を形成するために、
発熱抵抗体4、5および測温抵抗体6、空気温度測温抵
抗体7を覆うように、プラズマCVD法を用いてSix
Nyを堆積させる。耐水性圧縮応力膜11の、発熱抵抗
体4、5および測温抵抗体6、空気温度測温抵抗体7の
端子電極16に対応する部分には、リード線を接続する
ために上部薄膜(耐水性圧縮応力膜11)に電極開口部
15を形成しておく必要があり、この電極開口部15
は、上部薄膜形成後、その所定部分をエッチングするこ
とで所定形状に形成される。このとき、単結晶シリコン
基板2の裏面側から所定形状の空洞部3を形成するため
のパターンニングが行なわれる(図7の(c)参照)。
After the above-mentioned etching removal is completed, next, in order to form a water-resistant compressive stress film 11 serving as an upper thin film,
Six is formed by a plasma CVD method so as to cover the heating resistors 4 and 5, the temperature measuring resistor 6, and the air temperature measuring resistor 7.
Ny is deposited. A portion of the water-resistant compressive stress film 11 corresponding to the heat generating resistors 4 and 5 and the temperature measuring resistor 6 and the terminal electrode 16 of the air temperature measuring resistor 7 is connected to an upper thin film (water-resistant) for connecting a lead wire. It is necessary to form an electrode opening 15 in the compressive compressive stress film 11).
Is formed in a predetermined shape by etching a predetermined portion after forming the upper thin film. At this time, patterning for forming a cavity 3 having a predetermined shape is performed from the back surface side of the single crystal silicon substrate 2 (see FIG. 7C).

【0029】最後に、空洞部3を形成すべく、単結晶シ
リコン基板2の裏面側から所定形状にパターンニングし
た部分から異方性エッチングが行なわれ、発熱抵抗体
4、5および測温抵抗体6、空気温度測温抵抗体7が、
上部薄膜と下部薄膜で挟まれた薄膜ダイアフラムに形成
される(同図(d)参照)。
Finally, in order to form the cavity 3, anisotropic etching is performed from the back side of the single crystal silicon substrate 2 which is patterned into a predetermined shape, and the heating resistors 4, 5 and the temperature measuring resistor are formed. 6, the air temperature measuring resistor 7
It is formed on a thin film diaphragm sandwiched between an upper thin film and a lower thin film (see FIG. 4D).

【0030】本発明の第3の実施の形態を図8に示す。
本実施の形態が前記第1の実施の形態と異なるのは、上
部薄膜9が、SixNyの耐水性圧縮応力膜11と、耐
水性圧縮応力膜11の上に重ねて形成されたSiO
ど低剛性の保護膜14で形成されている点である。
FIG. 8 shows a third embodiment of the present invention.
The second embodiment is different from the first embodiment in that the upper thin film 9 is formed of a water-resistant compressive stress film 11 of SixNy and a low-pressure film such as SiO 2 formed on the water-resistant compressive stress film 11. This is a point formed by the rigid protective film 14.

【0031】靭性が低いSixNy膜が最外側(測定空
気に接する面)にある薄膜ダイアフラムでは、測定空気
中に混入しているダストの衝突によりSixNy膜が破
壊し、測定空気中の水分が引張応力膜である下側のSi
膜にまで到達して引張応力膜の静疲労破壊を生じ
る恐れがある。しかし、本実施の形態の測定素子1で
は、ダストによる衝撃を最外側の保護膜14のSiO
膜で吸収し、耐水性圧縮応力膜11であるSixNy膜
の損傷を防止することができる。水分はSiO膜を透
過するが、SixNy膜を透過しないため、さらに内側
のSi膜の静疲労破壊を防止することができる。
In a thin film diaphragm having a low toughness SixNy film on the outermost side (the surface in contact with the measurement air), the SixNy film is destroyed by collision of dust mixed in the measurement air, and the moisture in the measurement air is subjected to tensile stress. Lower Si film
Up to 3 N 4 film which may cause the static fatigue fracture of the tensile reaches stress film. However, in the measuring element 1 according to the present embodiment, the impact due to the dust is prevented by the SiO 2 of the outermost protective film 14.
The SixNy film that is absorbed by the film and is the water-resistant compressive stress film 11 can be prevented from being damaged. Although moisture permeates the SiO 2 film but does not permeate the SixNy film, it is possible to prevent static fatigue fracture of the further inner Si 3 N 4 film.

【0032】[0032]

【発明の効果】本発明によれば、通電により発熱する発
熱抵抗体を薄膜で挟持して薄膜発熱部である薄膜ダイア
フラムを構成し、前記薄膜を薄膜ダイアフラムの強度部
材である引張応力膜と、この引張応力膜の流過する被加
熱気体に対向する面が耐水性の圧縮応力膜で覆われる。
このため、引張応力膜に被加熱気体に含まれる水分が侵
入することはなく、引張応力膜の静疲労による破壊の進
展を抑制することができる。これにより、薄膜発熱部の
機能の低下が防止できる。
According to the present invention, a thin film diaphragm which is a thin film heating portion is constituted by sandwiching a heating resistor which generates heat by energization between thin films, and the thin film is formed of a tensile stress film which is a strength member of the thin film diaphragm; The surface of the tensile stress film facing the flowing gas to be heated is covered with a waterproof compressive stress film.
For this reason, moisture contained in the gas to be heated does not enter the tensile stress film, and the progress of destruction due to static fatigue of the tensile stress film can be suppressed. As a result, it is possible to prevent the function of the thin film heating section from being reduced.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1の実施の形態を示す概略平面図で
ある。
FIG. 1 is a schematic plan view showing a first embodiment of the present invention.

【図2】図1のA−A線矢視断面図である。FIG. 2 is a sectional view taken along line AA of FIG. 1;

【図3】熱式空気流量計の概略構成を示す平面図であ
る。
FIG. 3 is a plan view showing a schematic configuration of a thermal air flow meter.

【図4】従来技術の例を示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view showing an example of the related art.

【図5】高湿環境における薄膜ダイアフラムの静疲労破
壊試験の結果を、従来例と本発明の実施の形態を比較し
て示す概念図である。
FIG. 5 is a conceptual diagram showing a result of a static fatigue fracture test of a thin film diaphragm in a high humidity environment, comparing a conventional example and an embodiment of the present invention.

【図6】本発明の第2の実施の形態の断面図である。FIG. 6 is a sectional view of a second embodiment of the present invention.

【図7】図1に示す測定素子の製造工程を示す断面図で
ある。
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a step of manufacturing the measuring element shown in FIG.

【図8】本発明の第3の実施の形態の断面図である。FIG. 8 is a sectional view of a third embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 測定素子 2 単結晶シリコン基板 3 空洞部 4 発熱抵抗体 5 発熱抵抗体 6 側温抵抗体 7 空気温度側温抵抗体 8 下部薄膜 9 上部薄膜 10 引張応力膜 11 耐水性圧縮応力膜 12 吸水性圧縮応力膜 13 エッチングストップ用薄膜 14 保護膜 15 電極開口部 16 端子電極 20 支持体 21 外部回路 22 吸気通路 23 副通路 24 空気流 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Measuring element 2 Single crystal silicon substrate 3 Cavity part 4 Heating resistor 5 Heating resistor 6 Side temperature resistor 7 Air temperature side temperature resistor 8 Lower thin film 9 Upper thin film 10 Tensile stress film 11 Water resistant compressive stress film 12 Water absorption Compressive stress film 13 Etch stop thin film 14 Protective film 15 Electrode opening 16 Terminal electrode 20 Support 21 External circuit 22 Intake passage 23 Sub passage 24 Air flow

───────────────────────────────────────────────────── 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 (72)発明者 山田 雅通 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株 式会社日立製作所日立研究所内 Fターム(参考) 2F035 AA02 EA05 EA08  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Akio Hokawa 502, Kandachicho, Tsuchiura-shi, Ibaraki Machinery Research Laboratory, Hitachi, Ltd. (72) Shinya Igarashi 2477 Takaba, Hitachinaka City, Ibaraki Prefecture Within engineering (72) Inventor Masamichi Yamada 7-1-1, Omika-cho, Hitachi City, Ibaraki Prefecture F-term in Hitachi Research Laboratory, Hitachi Ltd. 2F035 AA02 EA05 EA08

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 少なくとも両端を基板に支持され、少な
くとも一方の面を流過する被加熱気体に接する薄膜から
なる薄膜発熱部を有して前記被加熱気体を加熱するマイ
クロヒータにおいて、前記薄膜発熱部は、通電により発
熱する発熱抵抗体と、この発熱抵抗体を両側から挟む基
板側薄膜および反基板側薄膜とを含んで構成されている
ことと、前記反基板側薄膜は引張応力膜を含んで形成さ
れ、該引張応力膜の前記被加熱気体に対向する側の面は
耐水性の圧縮応力膜で覆われていることと、を特徴とす
るマイクロヒータ。
1. A micro-heater for heating a gas to be heated having a thin-film heating portion comprising at least both ends supported by a substrate and a thin film in contact with a gas to be heated flowing through at least one surface, and heating the gas to be heated. The portion is configured to include a heating resistor that generates heat by energization, a substrate-side thin film and an anti-substrate-side thin film sandwiching the heating resistor from both sides, and the anti-substrate-side thin film includes a tensile stress film. Wherein the surface of the tensile stress film on the side facing the gas to be heated is covered with a water-resistant compressive stress film.
【請求項2】 少なくとも両端を基板に支持され、少な
くとも一方の面を被加熱気体に接する薄膜からなる薄膜
発熱部を有して前記被加熱気体を加熱するマイクロヒー
タにおいて、前記薄膜発熱部は、通電により発熱する発
熱抵抗体と、この発熱抵抗体を両側から挟む基板側薄膜
および反基板側薄膜とを含んで構成されていることと、
前記基板側薄膜は引張応力膜を含んで形成され、該引張
応力膜の前記被加熱気体に対向する側の面は耐水性の圧
縮応力膜で覆われていることと、を特徴とするマイクロ
ヒータ。
2. A micro-heater which has at least one end supported by a substrate and has a thin-film heating portion made of a thin film having at least one surface in contact with a gas to be heated and heats the gas to be heated, wherein the thin-film heating portion comprises: A heating resistor that generates heat when energized, and a substrate-side thin film and an anti-substrate-side thin film sandwiching the heating resistor from both sides;
Wherein the substrate-side thin film is formed to include a tensile stress film, and the surface of the tensile stress film facing the gas to be heated is covered with a water-resistant compressive stress film. .
【請求項3】 通電により発熱する発熱抵抗体を薄膜で
挟んでなる薄膜発熱部を備え、該薄膜発熱部表面を流過
する気体を加熱するマイクロヒータにおいて、前記薄膜
は、引張応力膜と、該引張応力膜の前記流過する気体に
対向する側の面を覆う耐水性の圧縮応力膜と、を含んで
なることを特徴とするマイクロヒータ。
3. A micro-heater comprising a thin-film heat-generating portion comprising a heat-generating resistor that generates heat by energization sandwiched between thin films, and heating a gas flowing through the surface of the thin-film heat-generating portion. A water-resistant compressive stress film covering a surface of the tensile stress film on a side facing the flowing gas.
【請求項4】 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の
マイクロヒータにおいて、前記耐水性の圧縮応力膜が多
結晶シリコンまたはAlまたはSixNyまたは
TiNまたはダイアモンドからなることを特徴とするマ
イクロヒータ。
4. The microheater according to claim 1, wherein the water-resistant compressive stress film is made of polycrystalline silicon, Al 2 O 3, SixNy, TiN, or diamond. Micro heater.
【請求項5】 請求項1〜4のうちのいずれか1項に記
載のマイクロヒータにおいて、前記発熱抵抗体は線状に
形成されており、前記線状に形成された発熱抵抗体に平
行する方向に配置されて前記発熱抵抗体の温度を計測す
る測温抵抗体が設けられ、該測温抵抗体は前記発熱抵抗
体とともに、薄膜により両側から挟まれていることを特
徴とするマイクロヒータ。
5. The micro-heater according to claim 1, wherein the heating resistor is formed in a linear shape, and is parallel to the heating resistor formed in a linear shape. A micro-heater, comprising: a temperature-measuring resistor arranged in a direction to measure the temperature of the heat-generating resistor; and the temperature-measuring resistor is sandwiched by the thin film together with the heat-generating resistor from both sides.
【請求項6】 請求項5に記載のマイクロヒータにおい
て、前記線状に形成された発熱抵抗体の被加熱気体流入
側上流側に、前記発熱抵抗体に平行する方向に配置され
て流入する被加熱気体の温度を計測する気体温度測温抵
抗体が設けられ、該測温抵抗体は前記発熱抵抗体、測温
抵抗体とともに、薄膜により両側から挟まれていること
を特徴とするマイクロヒータ。
6. The micro-heater according to claim 5, wherein the heating element is disposed in a direction parallel to the heating resistor and upstream of the heating resistor formed in a linear shape. A micro heater provided with a gas temperature measuring resistor for measuring the temperature of a heated gas, wherein the temperature measuring resistor is sandwiched by thin films from both sides together with the heating resistor and the temperature measuring resistor.
【請求項7】内燃機関の燃焼室に連通された吸気管内に
配置され、測定対象の空気を加熱するマイクロヒータを
備えて該吸気管を通過する空気流量を測定する熱式空気
流量計において、前記マイクロヒータが請求項1〜6の
いずれか1項に記載のマイクロヒータであることを特徴
とする熱式空気流量計。
7. A thermal air flow meter, which is disposed in an intake pipe connected to a combustion chamber of an internal combustion engine and includes a microheater for heating air to be measured and measures an air flow passing through the intake pipe. A thermal air flow meter, wherein the micro heater is the micro heater according to any one of claims 1 to 6.
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