JP2006052944A - 熱式流量センサ - Google Patents
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Abstract
低コストで信頼性の向上した熱式流量センサを提供する。
【解決手段】
空洞部を有する半導体基板の前記空洞部上に電気絶縁膜を介して前記空洞部の中央近傍に少なくとも発熱抵抗体を形成し、発熱抵抗体の温度(Th)は媒体温度(Ta)に対して一定温度(ΔTh=Th−Ta)高く制御するとともに、発熱抵抗体の空気の流れ方向に対する上流側端部から空洞部上電気絶縁膜の上流側端部の最近接距離(Ws)と前記一定温度(ΔTh)が、
ΔTh/Ws≦800(℃/mm)
の関係を満たすように構成した、熱泳動効果によるカーボン等の浮遊性微粒子の付着を防止可能な低コストで信頼性の高い熱式流量センサ。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱式流量センサに係り、特に内燃機関の吸入空気量を測定するのに好適な熱式流量センサに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より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流量センサとして、熱式のものが質量空気量を直接検知できることから主流となってきている。
【0003】
この中で特に、半導体マイクロマシニング技術により製造された流量センサが、コストが低減でき且つ低電力で駆動することが出来ることから注目されてきた。このような従来の半導体基板を用いた熱式流量センサとしては、当該出願人により出願された特許文献1に開示されたものがある。
【0004】
上記特許文献1に記載の技術では、空洞部を有する半導体基板の前記空洞部上に電気絶縁膜を介して発熱抵抗体と発熱抵抗体の上下流に離間して一対の測温抵抗体を配置して上下流の測温抵抗体の温度差から流量を計測するいわゆる温度差方式が開示されている。
【0005】
このような温度差方式では、空気の流れ方向の前記空洞部上電気絶縁膜の温度分布変化(温度差)から流量を計測するが、前記空洞部上電気絶縁膜および発熱抵抗体と上下流に配置された測温抵抗体の夫々の形状と相対位置関係が温度分布(測定精度)に大きな影響を与える。
【0006】
上記従来技術では、前記空洞部上電気絶縁膜の温度分布の対称性および計測流量範囲の拡大、高速応答性を実現する為に、前記空洞部上電気絶縁膜および発熱抵抗体と上下流に配置された測温抵抗体の夫々の形状と相対位置関係を規定している。
【0007】
しかし、この構成では、自動車などの内燃機関に搭載して過酷な環境条件にて長期間使用した場合の信頼性が十分に考慮されておらず、長期間の使用により前記空洞部上電気絶縁膜にカーボン等の浮遊性微粒子が熱泳動効果により厚く付着する現象が出現して、計測精度が長期間十分に保てない問題がある。
【0008】
また、上記のような汚損に対応した従来技術としては、同じく当該出願人により出願された特許文献2に記載されたものがある。
【0009】
特許文献2に記載された従来技術は、発熱抵抗体上の保護膜の上に光触媒膜を形成し、更に発光手段を備えて光触媒膜に光を照射することにより、光触媒効果により汚損の影響を低減している。
【0010】
しかしながら、このように構成された従来の熱式流量計においては、新たに光触媒膜を形成する必要があり、また光触媒膜に光を照射する発光手段が必要となり、流量計自体が大きくなるとともに部品点数が増大する為にコストが高くなるという問題点を有する。
【0011】
【特許文献1】
特開2001−41790号公報
【特許文献2】
特開平11−230802号公報
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
本発明では、自動車などの内燃機関に搭載し過酷な環境条件にて長期間使用した場合でも、前記空洞部上電気絶縁膜にカーボン等の浮遊性微粒子が熱泳動効果により付着することを防止して低コストで信頼性の高い熱式流量センサを提供することを目的としている。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上記の目的は、空洞部を有する半導体基板の前記空洞部上に電気絶縁膜を介して前記空洞部の中央近傍に少なくとも発熱抵抗体を形成し、前記発熱抵抗体の温度を媒体温度より一定温度高く制御して流量を計測する熱式流量センサにおいて、
前記発熱抵抗体の温度(Th)は媒体温度(Ta)に対して一定温度(ΔTh=Th−Ta)高く制御されるとともに、前記発熱抵抗体の空気の流れ方向に対する上流側端部から前記空洞部上電気絶縁膜の上流側端部の最近接距離(Ws)と前記一定温度(ΔTh)が、
ΔTh/Ws≦800(℃/mm)
の関係を満たすように構成することにより、新たな発光手段等の部品の追加することなく上記のカーボン等の浮遊性微粒子が熱泳動効果により付着することを防止することが出来る。
【0014】
また、前記一定温度(ΔTh)が160℃以下で、且つ、前記最近接距離(Ws)が0.2mm 以上とすることで、より上記のカーボン等の浮遊性微粒子が付着することを防止することが出来る。
【0015】
また、前記発熱抵抗体の上下流方向に離間して、前記空洞部上電気絶縁膜上に少なくとも一対の測温抵抗体を形成し、前記一対の測温抵抗体の温度差から流量を計測する構成においても、上記のカーボン等の浮遊性微粒子が付着することを防止することが出来る。
【0016】
更に、前記空洞部上電気絶縁膜は略矩形形状で、空気の流れ方向の幅(W)に対して空洞部の中央部の幅が一部広がった略十字型形状としたことにより、より効果的に上記のカーボン等の浮遊性微粒子が熱泳動効果により付着することを防止することが出来る。
【0017】
また、前記空洞部上電気絶縁膜は略矩形形状で、前記電気絶縁膜の上流側端部および下流側端部に補助発熱抵抗体を形成し、前記補助発熱抵抗体により前記電気絶縁膜の上下流端部境界を加熱する構成とすることにより、上記のカーボン等の浮遊性微粒子が熱泳動効果により付着することを防止することが出来るとともに、前記補助発熱抵抗体の電気導通状態から前記電気絶縁膜の破断状況を自己診断することが出来る。
【0018】
被計測媒体の流速が常用の最低流速で0.25m/sec 以上になるように設定された内燃機関の吸入空気量を計測において、前記熱式流量センサを用いることにより、燃料噴射量を制御する低コストで高信頼性の内燃機関制御装置が実現される。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について、図面を参照して説明する。
【0020】
図1は、本発明の実施例の熱式流量センサ素子1を示す平面図、図2は、図1の測定素子1のA−A′断面図、図3は、図1の空洞部上の電気絶縁膜(ダイヤフラム部)3の拡大図である。
【0021】
図1,図2,図3において、素子1は、基板表面にて略矩形形状(長さ(L),幅(W))の空洞7を有する単結晶ケイ素(Si)等の半導体基板2,空洞7上の電気絶縁膜8aおよび各抵抗体を保護するための電気絶縁膜8bからなるダイヤフラム部3,幅(Wh)の発熱抵抗体4,上流側測温抵抗体5a,5bと下流側測温抵抗体5c,5d,基板2の上流部に形成され発熱抵抗体4とブリッジ回路(図示せず)を構成し媒体温度を計測する為の媒体温度測温抵抗体6,素子1の信号を駆動制御回路と接続するための端子12(12a,12b,12c,12d,12e,12f,12g,12h),各抵抗体と端子12を接続するための配線接続部11(11a,11b,11c,11d,11e,11f,11g,11h,11i,11j,11k,11l)よりなる。
【0022】
ここで、各抵抗体4,5a,5b,5c,5d,6は不純物ドープ処理された多結晶または単結晶ケイ素(Si)半導体薄膜層よりなり、発熱抵抗体4はダイヤフラム部3の中央部に媒体の流れに対して直交方向にほぼ一直線上に配置される。また、ダイヤフラム部3を形成する電気絶縁膜8a,8bは、二酸化ケイ素(SiO2 )や窒化ケイ素(Si3N4)により約2ミクロン厚に薄肉に形成されており、熱絶縁効果が十分得られる構造と成っている。
【0023】
本発明の実施例である熱式流量センサは、以下の様な動作を行う。
【0024】
空洞7および電気絶縁膜8a,8bにより熱絶縁され、電気絶縁膜8a上に形成された発熱抵抗体4には、発熱抵抗体4の温度(Th)が媒体流10の温度を示す媒体温度測温抵抗体6の温度(Ta)より一定温度(ΔTh=Th−Ta)高くなるように、加熱電流が流されている。
【0025】
媒体流10の流量および流れ方向は、発熱抵抗体4の上下流に形成された上流側測温抵抗体5a,5bと下流側測温抵抗体5c,5dの温度(抵抗値)を比較することにより検知される。つまり、上流側測温抵抗体5a,5bと下流側測温抵抗体5c,5dは、媒体流がゼロのときはほぼ同じ温度を示し温度差が生じない。
【0026】
一方、図1の媒体流10の方向(順流)ではおもに上流側に配置された上流側測温抵抗体5a,5bの方が下流側に配置された下流側測温抵抗体5c,5dより媒体流10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の温度に差が生じ、この温度差から流量が計測される。
【0027】
一方、媒体流10が図1の方向と反対(逆流)のときには、今度は下流側測温抵抗体5c,5dの温度の方が上流側測温抵抗体5a,5bの温度より低くなり、上流側測温抵抗体5a,5bと下流側測温抵抗体5c,5dの温度差の符号が逆転する。温度差から流量が、また温度差の符号から媒体流10の方向が検知できる。
【0028】
図4は、図1の素子1を実装した熱式流量センサの実施例を示す断面図である。例えば、自動車等の内燃機関の吸気通路に実装した熱式流量センサの実施例を示す断面図である。熱式流量センサは、図のように、素子1と支持体14と外部回路15とを含み構成される。そして吸気通路9の内部にある副通路13に素子1が配置される。外部回路15は支持体14を介して測定素子1の端子12に電気的に接続されている。
【0029】
次に、図5を参照し、本発明の実施例の回路動作について説明する。図5は、図1の素子1の抵抗体4,5a,5b,5c,5d,6と駆動制御回路を示したものである。図中、18は電源、19は発熱抵抗体4に加熱電流を流すためのトランジスタ、20a,20bは抵抗、16はA/D変換器等を含む入力回路とD/A変換器等を含む出力回路と演算処理等を行うCPUからなる制御回路、17はメモリ回路である。
【0030】
ここで、発熱抵抗体4,媒体温度測温抵抗体6,抵抗20a,20bよりなるブリッジ回路の端子12a,12cの電圧が制御回路16に入力され、加熱抵抗体4の温度(Th)が媒体温度に対応する媒体温度測温抵抗体6の温度(Ta)よりある一定温度(ΔTh=Th−Ta)高くなるよう各抵抗値20a,20bが設定され制御回路16により制御される。
【0031】
上流側測温抵抗体5a,5bと下流側測温抵抗体5c,5dの温度差は、上流側測温抵抗体5a,5b,下流側測温抵抗体5c,5dのブリッジ回路の端子12g,12eの電位差より検出する。
【0032】
流量の計測には、予め流量(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17にマップとして記憶しておけば、端子12g,12eの電位差および大小関係から流量および流れの方向を計測し出力することが出来る。
【0033】
次に、上記の様に構成された熱式流量センサを自動車などの内燃機関に搭載して、過酷な環境条件にて長期間使用した場合におけるカーボン等の浮遊性微粒子の熱泳動効果により付着する現象に関して説明する。
【0034】
図6は、長時間使用後においてカーボン等の浮遊性微粒子の付着が見られた、熱式流量センサのダイヤフラム部3の拡大平面図であり、図7は、その断面図である。
【0035】
21が、付着したカーボン等の浮遊性微粒子であり、長時間使用後において特にダイヤフラム3の上流側の基板2との境界で、且つ、中央部に集中して付着する。また、付着量は空気の流れが遅い場合に多く、下流側には殆ど付着していないのが特徴である。
【0036】
図7に見るように、ダイヤフラム3の上流側に付着したカーボン等の浮遊性微粒子21は、使用時間の経過とともに堆積して、付着高さ(H)は最悪の場合数十μmの厚さに達する。このように大量に付着した場合、図7の22に示す様に、空気の流れ10が付着したカーボン等の浮遊性微粒子21が障害となって乱れる。ダイヤフラム3に形成した発熱抵抗体4および測温抵抗体5b,5dに対して、空気の流れ10が適切に到達しなくなることにより、流量の検出精度が悪くなる。
【0037】
このようにカーボン等の浮遊性微粒子21がダイヤフラム部3に特徴的に付着する現象(熱泳動効果)に関して以下説明する。
【0038】
カーボン等の浮遊性微粒子21は、大きさが数μm程度であり、この程度の粒径になると、粒子の重力沈降による速度は極めて小さくなり、空気の流れに追随して浮遊する。
【0039】
このような浮遊性微粒子が、温度勾配により壁面へ付着する性質が熱泳動効果である。熱泳動効果は、ブラウン運動が重要となるような小さな粒径の粒子状物質に対して特に影響が顕著な現象であり、気相媒体に温度勾配が存在する場合に粒子状物質が低温部へと拡散し壁面に付着する現象である。すなわち気相媒体の温度が高く、壁面の温度が低い場合には通常の拡散,付着よりも熱泳動による拡散,付着がはるかに支配的となる。
【0040】
この現象は、気相媒体の分子運動が温度の高い方が活発であるため、粒子に衝突して与える運動量が温度の高い側の方が、低い側の方よりも大きく、結果として温度の違いによる分子運動の差から粒子状物資に熱泳動効果による作用力が生じる。この力により、粒子状物質に移動速度(v)が発生する。この移動速度(v)は、次式で与えられる。
【0041】
【数1】
v=−C×(νa/Ta)×grad(Ta)
ここでTaは媒体の温度、νaは媒体の動粘性係数である。またCは熱泳動の係数である。
【0042】
上式から熱泳動効果は、媒体の温度(Ta)が低温で、且つ、空間における媒体温度の勾配が大きい(温度分布が急峻)場合に効果が大きいことが分かる。
【0043】
この熱泳動効果により、図6および図7に示したカーボン等の浮遊性微粒子の特徴的な付着現象が説明できる。以下、この現象の原因について説明する。
【0044】
図8および図9は、熱式流量センサのダイヤフラム部3の温度分布を示したもので、図8は媒体流10が無い場合、図9は媒体流10がある場合である。
【0045】
図8の媒体流10が無い場合のダイヤフラム部3の温度分布は、発熱抵抗体4が配置されたダイヤフラム3の中央部分が最も温度が高く(Th)の温度で示された長楕円形状の等温度分布を示す。ダイヤフラム部の周辺に近づくに従い、T2,T3(Th>T2>T3)と同じく長楕円形状の等温度分布を保ちながら温度が下がる。ダイヤフラム部3周辺の基板2の温度は、基板2が熱伝導率の良い単結晶Si基板となっており、且つ、基板体積が十分に大きい(熱容量が大きい)ことからほぼ媒体温度(Ta)となる。
【0046】
図9の媒体流10がある場合のダイヤフラム部3の温度分布は、発熱抵抗体4の上流側が媒体の冷却効果により下がり、下流側が発熱抵抗体4により暖められることから、下流側に長楕円形状の等温度分布がシフトする。但し、発熱抵抗体4が配置されたダイヤフラム3の中央部分は常時加熱されている為に、図8の無風状態とほぼ同じく(Th)の温度で示された長楕円形状の等温度分布となる。
【0047】
図8および図9から、ダイヤフラム部3において最も温度勾配の大きいのは、中央部のB−B′で示された領域である。この部分に注目してB−B′のダイヤフラム部3の断面および温度分布を示したのが図10である。
【0048】
図10において、ダイヤフラム部3の幅がW、発熱抵抗体4の幅がWh、発熱抵抗体4の上流側端部からダイヤフラム部3の上流側端部までの最近接距離が
Ws、発熱抵抗体4の下流側端部からダイヤフラム部3の下流側端部までの距離がWdである。ここで、下流側距離Wdとしては、逆流および温度分布の対称性から、上流側端部までの最近接距離がWs寸法と同じように設計されていたほうが良い。図8に示した無風状態での温度分布に対応したダイヤフラム直上の媒体温度分布が実線23であり、図9に示した媒体流10がある場合の温度分布に対応したダイヤフラム直上の媒体温度分布が点線24である。基板2は空気の温度(Ta)に、発熱抵抗体4は温度(Ta)よりある一定温度(ΔTh=Th−Ta)高いThに加熱される。
【0049】
ここで、発熱抵抗体4の加熱温度(Th)としては、図8,図9に示した様にダイヤフラム部にて長楕円形状の等温度分布となることから、ダイヤフラム部3上の発熱抵抗体4の平均温度(発熱抵抗体4の抵抗値と抵抗温度係数から算出される平均温度)で定義している。
【0050】
図10において、無風での温度分布23では、ダイヤフラム部3の上流側および下流側端部において温度分布が急峻に変化するが、媒体流10がある場合の温度分布24では、ダイヤフラム部3の上流側端部C部でのみ温度分布が急峻に変化する。発熱抵抗体4に加熱された空気が、下流に流れ下流側端部の媒体温度が上昇し緩やかな温度分布となるからである。
【0051】
自動車などの内燃機関に搭載して使用する場合は、媒体流10として吸入空気が常用の最低流速で0.25m/sec以上となっている。このような条件では、ダイヤフラム部3の上流側端部C部でのみ温度分布が急峻に変化することになることから、前記(数1)式に示したgrad(Ta)項が大きくなり、熱泳動効果の作用力がC部に集中してカーボン等の浮遊性微粒子が付着することになる。このような理由により、上記の図6および図7に示した、長時間使用後におけるカーボン等の浮遊性微粒子の付着が、ダイヤフラム3の上流側の基板2との境界でのみ、且つ、中央部に集中して付着する現象が説明できる。
【0052】
長時間使用後におけるカーボン等の浮遊性微粒子の付着状況を、種々の条件にて検討した。その結果、前記(数1)式に示した熱泳動効果における、grad(Ta)の項、すなわち、空間における媒体(空気)温度の勾配(ダイヤフラム3の上流側温度分布)とカーボン等の浮遊性微粒子の付着量(高さH)との間に強い相関が見られた。
【0053】
図11の曲線25は、発熱抵抗体4の加熱温度(ΔTh=Th−Ta)と発熱抵抗体4の上流側端部からダイヤフラム部3の上流側端部までの最近接距離(Ws)を、種々変えた場合におけるカーボン等の浮遊性微粒子の付着量(高さH)をまとめた結果である。ダイヤフラム部3の上流側温度勾配(ΔTh/Ws)が大きくなるに従い、付着高さ(H)が序々に大きくなるが、特に、温度勾配(ΔTh/Ws)が800(℃/mm)を超えると急激に付着高さ(H)が増大する。
【0054】
温度勾配(ΔTh/Ws)が800(℃/mm)の領域は、恐らく自動車などの内燃機関での吸入空気の常用の最低流速が0.25m/sec以上であること、また、内燃機関から発生するカーボン等の浮遊性微粒子の粒径および質量と、前記(数1)式に示した熱泳動効果による作用力が釣り合う領域(閾値)になっているものと想定される。
【0055】
図11の温度勾配(ΔTh/Ws)が800(℃/mm)以下の領域26と成るように、発熱抵抗体4の加熱温度(ΔTh=Th−Ta)と発熱抵抗体4の上流側端部からダイヤフラム部3の上流側端部までの最近接距離(Ws)を設定することによりカーボン等の浮遊性微粒子の付着を防止することが出来る。
【0056】
特に、温度勾配(ΔTh/Ws)が800(℃/mm)以下としては、発熱抵抗体4の加熱温度(ΔTh)が160(℃)を超える高温度では特にカーボン等の浮遊性微粒子の付着が顕著となることから、発熱抵抗体4の加熱温度(ΔTh)が160(℃)以下で、且つ、発熱抵抗体4の上流側端部からダイヤフラム部3の上流側端部までの最近接距離(Ws)が0.2mm 以上の時に、カーボン等の浮遊性微粒子の付着が抑制された。
【0057】
但し、最近接距離(Ws)が大きくなり過ぎると、ダイヤフラム部3の幅(W)が大きくなり、ダイヤフラム部の機械強度の低下および熱容量の増加に伴う応答速度の低下につながるので注意を要する。
【0058】
上記の様に構成された本発明の実施例の熱式流量センサでは、ダイヤフラム部3の上流側温度勾配(ΔTh/Ws)を800(℃/mm)以下とすることにより、自動車などの内燃機関に搭載して過酷な環境条件にて長期間使用した場合においてもカーボン等の浮遊性微粒子の熱泳動効果による付着が防止でき信頼性の向上が図れる。また、従来例の様に、新たな追加部品(発光手段等)が不必要であることから、低コストで信頼性の高い熱式流量センサが提供できる。
【0059】
図12は、本発明の第二の実施例である熱式流量センサ素子1のダイヤフラム部3の拡大図である。図3の第一の実施例と異なるのは、ダイヤフラム部3の中央部に幅広部3a,3bを設けた略十字型のダイヤフラムとしたことである。
【0060】
このような構成とすることにより、ダイヤフラム部3の中央部における発熱抵抗体4の上流側端部からダイヤフラム部3の上流側端部までの最近接距離(Ws)を確保しつつ、ダイヤフラム部3の周辺部の幅(W)を小さくすることができる。ダイヤフラム部3の周辺部の幅(W)を小さくすることにより、ダイヤフラム部の機械強度の低下および熱容量の増加に伴う応答速度の低下を伴うことなく、カーボン等の浮遊性微粒子の付着を防止することが可能となる。
【0061】
図13は、本発明の第三の実施例である熱式流量センサ素子1のダイヤフラム部3の拡大図である。図3の第一の実施例と異なるのは、ダイヤフラム部3の中央部における基板2との境界部周辺に、補助発熱抵抗体4a,4bを形成したことである。
【0062】
補助発熱抵抗体4a,4bを形成しダイヤフラム部3の中央部における基板2との境界部周辺を加熱することにより、図10に示した最もカーボン等の浮遊性微粒子の付着し易いC部における急峻な温度分布を和らげることが出来る。このため、C部における熱泳動効果が低減され、カーボン等の浮遊性微粒子の付着を防止することができる。
【0063】
また、上記の補助発熱抵抗体4a,4bの導通状態を監視しておくことにより、ダイヤフラム部3が不具合により破壊されたことを検知する自己診断情報を得ることも可能である。
【0064】
次に、本発明の実施例である熱式流量センサ素子1の製造方法に関して説明する。
【0065】
基板としては、単結晶ケイ素(Si)等の半導体基板2を用いる。ベースとなる単結晶ケイ素(Si)基板2の表面を、熱酸化あるいはCVD法等により所定の厚さ約1μmの電気絶縁膜8aとなる二酸化ケイ素(SiO2 )と窒化ケイ素(Si3N4)を形成する。次に、抵抗体として、厚さ約1μmの多結晶ケイ素(Si)半導体薄膜をCVD法等により積層する。
【0066】
次に、多結晶ケイ素(Si)半導体薄膜に不純物拡散を行い、所定の抵抗率となるように高濃度ドープ処理を行う。更に、公知のホトリソグラフィ技術によりレジストを所定の形状に形成した後反応性イオンエッチング等の方法により、多結晶ケイ素(Si)半導体薄膜をパターニングし、所定の抵抗体4,5a,5b,5c,5d,6と配線接続部11(11a,11b,11c,11d,11e,11f,11g,11h,11i,11j,11k,11l)が得られる。
【0067】
その後工程では、保護膜8bとして電気絶縁膜8aと同様に、二酸化ケイ素(SiO2)と窒化ケイ素(Si3N4)を約1ミクロン厚にCVD法等により形成する。
【0068】
次に、外部回路との接続のために端子12(12a,12b,12c,12d,12e,12f,12g,12h)の部分の保護膜8bを除去し、端子電極12が、アルミニウム,金等で形成される。また、各抵抗体と端子12を接続するための配線接続部11を、多結晶ケイ素(Si)半導体薄膜とアルミニウム,金等の多層膜構成としてもかまわない。
【0069】
最終工程では、単結晶ケイ素(Si)半導体基板2の裏面にエッチング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)等のエッチング液を用いて異方性エッチングすることにより空洞7を形成して、本実施例の熱式流量センサ素子1が完成する。
【0070】
本実施例では、抵抗体として多結晶ケイ素(Si)半導体薄膜を用いた実施例に関して説明したが、白金等の金属材料を用いた場合でも同様の効果が得られる。
【0071】
また、発熱抵抗体4として、ダイヤフラム部3上に略I字状に一直線形状としたが、略U字状の形状でも、ミアンダ状(蛇行状)でも同様の効果が得られる。
【0072】
また、本実施例では、発熱抵抗体4の上下流に配した二対の測温抵抗体5a,5b,5c,5dについて説明したが、一対の測温抵抗体の構成でも同様の効果が得られる。
【0073】
また、本実施例では、発熱抵抗体4の上下流に配した測温抵抗体の温度差から流量および流れの方向を計測する温度差方式を説明したが、発熱抵抗体4の加熱電流から流量を計測する直熱方式においても、同様の効果が得られることは自明である。
【0074】
【発明の効果】
本発明によれば、熱泳動効果によるカーボン等の浮遊性微粒子が付着することを防止することが出来るとともに、低コストでより信頼性の高い熱式流量センサが提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例である熱式流量センサ素子1の平面を示す図である。
【図2】図1の素子のA−A′断面を示す図である。
【図3】図1の素子のダイヤフラム部3の拡大図である。
【図4】熱式流量センサ素子1の実装構造を示す図である。
【図5】抵抗体4,5a,5b,5c,5d,6の電気回路を示す図である。
【図6】ダイヤフラム部3の平面を示す説明図である。
【図7】図6のダイヤフラム部3の断面を示す説明図である。
【図8】無風でのダイヤフラム部3の温度分布を示す図である。
【図9】媒体流ありでのダイヤフラム部3の温度分布を示す図である。
【図10】図8,図9のダイヤフラム部3の断面の温度分布を示す説明図である。
【図11】温度勾配とカーボン付着高さの関係を示す図である。
【図12】本発明の第二の実施例である素子のダイヤフラム部3の拡大図である。
【図13】本発明の第三の実施例である素子のダイヤフラム部3の拡大図である。
【符号の説明】
1…素子、2…半導体基板、3…ダイヤフラム、4…発熱抵抗体、4a,4b…補助発熱抵抗体、5a,5b…上流側測温抵抗体、5c,5d…下流側測温抵抗体、6…媒体温度測温抵抗体、7…空洞、9…吸気通路、11,11a〜11l…配線接続部、12,12a〜12h…端子、13…副通路、14…支持体、15…外部回路。
Claims (7)
- 空洞部を有する半導体基板の前記空洞部上に電気絶縁膜を介して前記空洞部の中央近傍に少なくとも発熱抵抗体を形成し、前記発熱抵抗体の温度を被計測媒体温度より一定温度高く制御して流量を計測する熱式流量センサにおいて、
前記発熱抵抗体の温度(Th)は媒体温度(Ta)に対して一定温度(ΔTh=Th−Ta)高く制御されるとともに、前記発熱抵抗体の空気の流れ方向に対する上流側端部から前記空洞部上電気絶縁膜の上流側端部の最近接距離(Ws)と前記一定温度(ΔTh)が、
ΔTh/Ws≦800(℃/mm)
の関係を満たすように構成されたことを特徴とする熱式流量センサ。 - 請求項1に記載の前記一定温度(ΔTh)が160℃以下で、且つ、前記最近接距離(Ws)が0.2mm 以上であることを特徴とする熱式流量センサ。
- 請求項1ないし請求項2に記載の前記発熱抵抗体の上下流方向に離間して、前記空洞部上電気絶縁膜上に少なくとも一対の測温抵抗体を形成し、前記一対の測温抵抗体の温度差から流量を計測することを特徴とする熱式流量センサ。
- 請求項1ないし請求項3に記載の前記空洞部上電気絶縁膜は略矩形形状で、媒体の流れ方向の幅(W)に対して空洞部の中央部の幅が一部広がった略十字型形状としたことを特徴とする熱式流量センサ。
- 請求項1ないし請求項3に記載の前記空洞部上電気絶縁膜は略矩形形状で、前記電気絶縁膜の上流側端部および下流側端部に補助発熱抵抗体を形成し、前記補助発熱抵抗体により前記電気絶縁膜の上下流端部境界を加熱するとともに、前記補助発熱抵抗体の電気導通状態から前記電気絶縁膜の破断状況を自己診断することを特徴とする熱式流量センサ。
- 請求項1ないし請求項5に記載の前記熱式流量センサにおいて、被計測媒体の流速は、常用の最低流速で0.25m/sec以上になるように設定されていることを特徴とする熱式流量センサ。
- 請求項1ないし請求項6に記載の前記熱式流量センサを用いて内燃機関の吸入空気量を計測し、燃料噴射量を制御する内燃機関制御装置。
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