JP2003270016A - 流量計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】汚損物質の付着による特性変動および温度や圧
力変動による特性変化を起こすという課題がある。 【解決手段】発熱素子が配置されたダイアフラムを支持
する板状の基板の空洞の開口部に、ダイアフラムに異物
が付着しないように通気性防水体を設ける。 【効果】ダイアフラムの裏面に汚損物質が付着すること
を防止するとともに、周囲空気と連動した圧力を導入す
ることが可能となるためダイアフラムの圧力による変形
を防止することが可能となり、特性変動が少なく信頼性
が高い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流量計測装置に係
り、例えば、自動車のエンジン制御に必要とされるエン
ジンの吸入空気流量を計測するのに好適な流量計測装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車エンジンの吸入空気量を計測する
場合を例として考えた場合、配慮しなければならないの
は過酷な環境下でも特性変動を抑える技術である。考慮
すべき点として、 （１）吸入空気には水蒸気や、ダスト，オイル，ウィン
ドウォッシャー液，塩分を含む水滴、等の汚損物質が含
まれる （２）周囲温度や圧力として、世界各地の環境を考慮す
べきこと （３）エンジンの異常燃焼で、しばしば吸気管内にはバ
ックファイヤと呼ばれる高圧圧力波が発生すること 等、がある。

【０００３】従ってエンジン吸入空気量を測定する場合
の課題は、 （１）水蒸気の結露，水滴や汚損物質の付着による流量
特性の変動防止技術 （２）周囲温度や圧力の変動による特性誤差の低減技術 （３）圧力波による破損や特性変動の防止技術 等があり、これらを全て満足する必要がある。

【０００４】上記課題に対して、従来の流量計測装置と
して例えば、特表２００１−508879号，特開平８−１２
２１１９号公報に記載されているものがある。

【０００５】特表２００１−５０８８７９号公報によれ
ば、半導体基板の一部をエッチングしてダイアフラム上
にヒータを形成する構成の流量検出素子を支持体の切り
欠き部分に接着剤で実装する技術であって、この接着剤
の塗布形状あるいは流量検出素子を設置する支持体の切
り欠き部分に施す凹凸形状に関する技術を提案してい
る。上記公報によれば、切り欠き部分の凹凸により流量
検出素子との接着剤がダイアフラム部分に回り込むこと
を防止し、接着体を一部塗布しない部分を設けて過圧に
対して保護し、支持体に対する流量検出素子の位置決め
精度が向上するとしている。

【０００６】しかしながら、特表２００１−５０８８７
９号公報に記載されている技術では、ダイアフラムの中
空部分には依然として測定流体が浸入する構造であり、
測定流体に含まれる水蒸気の中空部分への結露，圧力差
や毛細管現象などによる中空部分への水滴の吸い込み，
汚損物質の付着、等による流量特性変動を完全に防止す
るには至ってない。

【０００７】一方、特開平８−１２２１１９号公報に記
載の熱式流量センサでは、ヒータ部分から半導体基板へ
の熱損失による感度低下を防止するため、表面の一部に
真空の凹部を有する半導体基板，凹部を覆う絶縁性材料
からなるダイアフラムおよびダイアフラムに埋設するヒ
ータを備えたことを特徴とする熱式流量検出素子を開示
している。

【０００８】特開平８−１２２１１９号公報に記載の技
術ではダイアフラムと基板により中空部分を真空に保つ
ため、外部からの水分や汚損物質の進入経路は完全に遮
断されているものの、高圧の圧力波によりダイアフラム
が破損しやすいという課題がある。さらには、大気圧下
においてダイアフラムは凹状に変形するばかりか、周囲
温度や圧力変化に対してダイアフラム形状が変化する。
このため流体の流れが乱れる、液状の汚損物質がダイア
フラム表面に保持され易い、ダイアフラムと基板との距
離が変化するため輻射熱量が変化する、応力依存性を有
する抵抗体（たとえば半導体配線で良く用いられるポリ
シリコン薄膜）を発熱抵抗体として用いた場合にピエゾ
抵抗効果により抵抗が変化する、等により流量特性が変
化するという課題がある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】このように流量計測装
置においては、水分や汚損物質の付着による特性変動お
よび温度や圧力変動，高圧圧力波により特性変化を起こ
すという課題がある。

【００１０】本発明の目的は、このような環境下の使用
においても特性変動が少なく信頼性の高い流量計測装置
を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的は、特許請求の
範囲の欄に記載の発明により達成される。

【００１２】例えば、上記課題を解決するために請求項
１に記載の発明は、板状の流量検出素子を用いる流量計
測装置において、流量検出素子は少なくとも発熱素子が
配置されたダイアフラムと、ダイアフラムを支持する板
状の基板と、基板の一部を除去してダイアフラムを基板
から熱絶縁するような空洞から構成されており、空洞の
開口部を通じてダイアフラムに異物が付着しないように
通気性防水体を設ける。

【００１３】このように構成することによって、水分や
汚損物質の空洞部分への浸入を防止することが可能とな
る。また、空洞部分へ測定流体が流れ込むことも防止で
きる。さらに、周囲温度変化，周囲圧力変化，発熱素子
自身により空洞部分の気体が加熱膨張を起した場合等に
おいても、通気性防水体により空洞部圧力は外部圧力と
平衡する。

【００１４】従って、空洞部分やダイアフラムへの異物
付着による特性変動，流体の空洞部分への流れ込みによ
る特性変動，圧力波によるダイアフラム破損防止が可能
となる。さらに、発熱素子による空洞内部の圧力変化，
周囲温度変化，周囲圧力変化によってもたらされるダイ
アフラム変形が低減可能となり、流体の流れが乱れず、
液状の汚損物質がダイアフラムにトラップされ難く、ダ
イアフラムに設けた発熱素子の輻射熱量が安定し、応力
依存性を有する発熱素子材料を用いた場合のピエゾ抵抗
効果の低減、等による特性変動を低減することが可能と
なる。

【００１５】以上により、特性変動が少なく信頼性の高
い流量計測装置を提供することが可能となる。

【００１６】請求項２以下に示した発明によれば、請求
項１に示した発明の有利な改善が可能となる。

【００１７】請求項２に示した発明によれば、開口部は
基板のダイアフラムと対面する表面に形成されており、
通気性防水体は開口部を全て覆うように設置されてい
る。

【００１８】このように構成することによって、水分，
汚損物質に加えて、流量検出素子の固定に用いる接着体
の空洞部分への浸入を防止することが可能となる。さら
に、通気性防水体は開口部を全て覆うように設置されて
いるためダイアフラムと通気性防水体の距離を一定にす
ることが可能となり、ダイアフラムに設けた発熱素子の
輻射熱量がさらに安定する。

【００１９】請求項３に示した発明によれば、流量検出
素子は開口部を有する面を接着体で密封されるように支
持体に保持され、支持体には開口部が外気とつながる様
に通気穴が形成されており、通気性防水体は通気穴を塞
ぐように設置されている。

【００２０】このように構成することによって、通気性
防水体は流量検出素子と直接接していないため、双方の
熱膨張係数のミスマッチが引き起こす変形を低減するこ
とが可能となる。また、空洞の体積がより多く確保でき
るため、発熱素子による空洞内部の圧力変化，周囲温度
変化，周囲圧力変化によってもたらされるダイアフラム
変形をより一層低減することが出来る。さらに、ダイア
フラムと通気性防水体の距離を大きくすることが可能と
なるため、輻射熱量が低減できる。従って、特性変動が
少なく信頼性の高い流量計測装置を提供することが可能
となる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、図１を用いて、本発明の第
１の実施形態による流量計測装置について説明する。

【００２２】ガラスセラミックやアルミナなどの絶縁性
材料から成る支持体４０に形成した凹状の設置部４２に
エポキシやシリコーン接着剤の接着体３０で板状の流量
検出素子１０を保持する。通気性防水体２０は板状の流
量検出素子１０に形成した空洞１４部の支持体４０側の
開口面を全て覆うように形成されている。この流量検出
素子１０と図示されていない制御回路との電気的接続は
φ３０μｍ程度の金ワイヤによる配線５０を通じて支持
体４０に設置した導体４１に導かれる。制御回路は発熱
素子１３を測定流体の温度より５０〜２００℃程度高い
一定の温度に制御する定温度制御方式が好適例であり、
公知例として大変良く知られている。

【００２３】流量検出素子１０は、セラミック薄板にス
クリーン印刷する技術を用いても製作可能であるが、よ
り大量生産に有利な半導体技術を応用したマイクロマシ
ニング技術により製作することが好適である。本実施例
ではマイクロマシニング技術を用いた流量検出素子１０
を説明する。厚さ３００〜８００μｍ程度の単結晶シリ
コンウエハなどの半導体材料から成る基板１１に，厚さ
０.１〜２.０μｍ程度の誘電体薄膜であるＳｉＯ₂ 膜や
Ｓｉ₃Ｎ₄膜を熱酸化法やＣＶＤ法で形成しダイアフラム
１２の構成材料とする。次に，厚さ０.０１〜５.０μｍ
程度の導電薄膜である金属，金属化合物，ドーピングさ
れたポリシリコンをＣＶＤ法やスパッタ法で堆積し、パ
ターニングすることにより発熱素子１３を形成する。図
示はしていないが、温度測定素子をダイアフラム１２上
や空洞１４として除去された以外の基板１１部分に同時
形成することが可能であるのは言うまでもなく、これら
を制御回路と接続して発熱素子１３の定温度制御や流体
の方向検出に用いることも可能である。発熱素子１３の
材料として好適な材料は、抵抗温度係数の大きな白金，
シート抵抗の制御性が良いポリシリコンやシリサイドで
あり、これはメモリ，ＭＯＳトランジスタやバイポーラ
トランジスタ等の配線として用いられているためマイク
ロマシニング技術とプロセスの相性が良い。基板１１の
ダイアフラム１２と対向する面に開口部１５を形成し、
ここから基板１１をエッチング法などで除去することに
より空洞１４を形成する。空洞１４はダイアフラム１２
上の発熱素子１３と基板１１を熱絶縁している。本実施
例では、開口部１５をダイアフラム１２と対向する面に
形成しているが、ダイアフラム１２と同一面に形成する
ことも可能である。

【００２４】次に、通気性防水体２０を基板１１のダイ
アフラム１２と対向する面に設置した開口部１５を全て
覆うように設置する。通気性防水体２０には一般に良く
知られている撥水性多孔質フィルタ（商品名：ゴアテッ
クス、等）を用いることも可能であり、接着剤が均一に
塗布されたフィルム形状のものを用いると厚さの制御性
が飛躍的に増加する。これは、流量検出素子１０と通気
性防水体２０の熱膨張係数差や輻射率変化，歪等が流量
特性に与える影響を設計する際に重要な点である。流量
検出素子１０は半導体ウエハを分割することにより得ら
れるが、通気性防水体２０を半導体ウエハ状態で一括形
成した後に分割すると一層の原価低減が可能となる。

【００２５】支持体４０に形成した設置部４２の深さを
流量検出素子１０の表面と支持体４０の表面がほぼ一致
するように形成することにより、測定流体の流れを乱す
ことなく流量検出素子１０表面に導くことが可能とな
る。このため正確な流量測定が可能となる。配線５０の
ワイヤボンディングが確実に行われるように、接着体３
０は流量検出素子１０と支持体４０のワイヤボンディン
グ直下部分を満たすように塗布されている。また、接着
体３０が開口部１５に回り込むと通気性防水体２０の通
気性能が損なわれるため、接着体３０は流量検出素子１
０を確実に保持する必要にして十分な量を転写法やディ
スペンス法などで塗布する必要がある。

【００２６】このように構成することによって、水分や
汚損物質の空洞１４への浸入を防止することが可能とな
る。また、空洞１４へ測定流体が流れ込むことも防止で
きる。さらに、周囲温度変化，周囲圧力変化，発熱素子
１３自身の発熱により、空洞１４の気体が加熱膨張を起
した場合においても、通気性防水体２０により空洞１４
の圧力は測定流体の圧力と平衡する。従って、空洞１４
やダイアフラム１２への異物付着による特性変動，流体
の空洞部分への流れ込みによる特性変動，圧力波による
ダイアフラム１２の破損防止が可能となる。さらに、発
熱素子１３による空洞１４内部の圧力変化，周囲温度変
化，周囲圧力変化によってもたらされるダイアフラム１
２の変形が低減できるため、流体の流れが乱れず、液状
の汚損物質がダイアフラム１２にトラップされ難く、ダ
イアフラム１２に設けた発熱素子１３の輻射熱量が安定
する。また、発熱素子１３にドーピングされたポリシリ
コンを用いた場合、ダイアフラム１２の変形応力による
ピエゾ抵抗効果が低減できるため流量特性の変化が少な
く出来る。

【００２７】以上により、特性変動が少なく信頼性の高
い流量計測装置を提供することが可能となる。

【００２８】さらに、本実施例によれば開口部１５は基
板１１のダイアフラム１２と対面する表面に形成されて
おり、通気性防水体２０は開口部１５を全て覆うように
設置されているため、ダイアフラム１２と通気性防水体
２０の距離を一定にすることが可能となり、ダイアフラ
ム１２に設けた発熱素子１３の輻射熱量がさらに安定す
る。

【００２９】次に、図２を用いて、本発明の第２の実施
形態による流量計測装置について説明する。なお、図１
と同一符号は同一部分を示している。

【００３０】本第２実施例では、流量検出素子１０は開
口部１５を有する面を接着体３０で密封されるように支
持体４０に保持され、支持体４０には開口部１５が外気
とつながる様に通気穴４３が形成されており、通気性防
水体２０は通気穴４３を塞ぐように構成されている。本
実施例では通気性防水体２０はフィルム形状をとる必要
はなく形状自由度が向上する。

【００３１】このように構成することによって、通気性
防水体２０は流量検出素子１０と直接接していないた
め、双方の熱膨張係数のミスマッチが引き起こす変形を
低減することが可能となる。また、空洞１４の体積がよ
り多く確保できるため、発熱素子１３による空洞１４の
圧力変化，周囲温度変化，周囲圧力変化によってもたら
されるダイアフラム１２の変形をより一層低減すること
が出来る。さらに、ダイアフラム１２と通気性防水体２
０の距離を大きくすることが可能となるため、発熱素子
１３の輻射熱量が空洞１４にこもることが低減できる。
従って、特性変動が少なく信頼性の高い流量計測装置を
提供することが可能となる。

【００３２】さらに図３を用いて、本発明の第３の実施
形態による流量計測装置について説明する。なお、図１
〜図２と同一符号は同一部分を示している。

【００３３】本第３実施例では、流量検出素子１０は開
口部１５を有する面を接着体３０で密封されるように支
持体４０に保持され、支持体４０には開口部１５が外気
とつながる様に通気穴４３が形成されており、通気性防
水体２０は通気穴４３の流量検出素子１０と反対側の面
を塞ぐよう支持体４０が設置されている。本第３実施例
では通気性防水体２０はフィルム形状をしていることが
望ましい。

【００３４】このように構成することによって、上記第
２実施例の有利な点に加え、更なる効果が得られる。す
なわち、空洞１４の体積がより一層多く確保できるた
め、発熱素子１３による空洞１４の圧力変化，周囲温度
変化，周囲圧力変化によってもたらされるダイアフラム
１２の変形をより一層低減することが出来る。特に、高
圧の圧力波が印加された場合、ダイアフラム１２の破損
防止に効果がある。

【００３５】このように構成することによって、水分や
汚損物質の空洞部分への浸入を防止することが可能とな
る。また、空洞部分へ流体が流れ込むことも防止でき
る。さらに、周囲温度変化，周囲圧力変化，発熱素子自
身により空洞部分の気体が加熱膨張を起した場合等にお
いても、通気性防水体により空洞部圧力は外部圧力と平
衡する。

【００３６】従って、空洞部分やダイアフラムへの異物
付着による特性変動，流体の空洞部分への流れ込みによ
る特性変動，圧力波によるダイアフラム破損防止が可能
となる。さらに、発熱素子による空洞内部の圧力変化，
周囲温度変化，周囲圧力変化によってもたらされるダイ
アフラム変形が低減可能となり、流体の流れが乱れず、
液状の汚損物質がダイアフラムにトラップされ難く、ダ
イアフラムに設けた発熱素子の輻射熱量が安定し、応力
依存性を有する発熱素子材料を用いた場合のピエゾ抵抗
効果の低減、等による特性変動を低減することが可能と
なる。

【００３７】

【発明の効果】本発明によれば、特性変動が少なく信頼
性の高い流量測定装置が提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態による流量計測装置で
ある。

【図２】本発明の第２の実施形態による流量計測装置で
ある。

【図３】本発明の第３の実施形態による流量計測装置で
ある。

【符号の説明】

１０…流量検出素子、１１…基板、１２…ダイアフラ
ム、１３…発熱素子、１４…空洞、１５…開口部、２０
…通気性防水体、３０…接着体、４０…支持体、４１…
導体、４２…設置部、４３…通気穴、５０…配線。

───────────────────────────────────────────────────── 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 (72)発明者 上山 圭 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） 2F030 CA10 CC14 CF02 2F035 AA02 EA08

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】流量検出素子を用いる流量計測装置におい
   て、 上記流量検出素子は少なくとも、発熱素子が配置された
   ダイアフラムと、ダイアフラムを支持する板状の基板
   と、基板の一部を除去してダイアフラムを形成した空洞
   とを備え、 上記空洞の開口部に通気性防水体を設けたことを特徴と
   する流量計測装置。
2. 【請求項２】上記開口部は上記基板の上記ダイアフラム
   と対面する表面に形成されており、 上記通気性防水体は上記開口部を全て覆うように設置さ
   れていることを特徴とする請求項１に記載の流量計測装
   置。
3. 【請求項３】上記開口部は上記基板の上記ダイアフラム
   と対面する表面に形成されており、 上記流量検出素子は上記開口部を有する面を接着体で密
   封されるように支持体に保持され、 上記支持体には上記開口部が外気とつながる様に通気穴
   が形成されており、 上記通気性防水体は上記通気穴を塞ぐように設置されて
   いることを特徴とする請求項１に記載の流量計測装置。