JP2007304041A

JP2007304041A - 感熱式流量センサの流量検出素子

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Publication number: JP2007304041A
Application number: JP2006135021A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Kawai; 正浩河合
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-05-15
Filing date: 2006-05-15
Publication date: 2007-11-22
Anticipated expiration: 2026-05-15
Also published as: US7426857B2; DE102006060343A1; DE102006060343B4; US20070295083A1; JP4205116B2; KR100849011B1; KR20070110763A

Abstract

【課題】流体の温度が変動したり、あるいは流体の温度と感熱式流量センサの周りの温度との間に差が生じた場合でも流量の検出精度を高くするようにする。
【解決手段】平板状基材２の表面に絶縁性の支持膜３を形成し、この支持膜３上に感熱抵抗膜よりなる発熱抵抗４と流体温度測定抵抗５が形成されており、この感熱抵抗膜上に絶縁性の保護膜７を形成し、それぞれの感熱抵抗着膜の下部には平板状基材２を部分的に除去することにより、キャビティ９ａ、９ｂを形成し、発熱抵抗４によって加熱された部分から流体への熱伝達現象に基づいて流体の流速を計測するものであって、流体温度測定抵抗５の下部に設けられたキャビティ９ｂの上面部が流体温度測定抵抗５が配置されている部分の内側に位置するように形成する。
【選択図】図２

Description

この発明は、例えば内燃機関の吸入空気量を計測するための感熱式流量センサに関するものであり、特に発熱体または発熱体によって加熱された部分から流体への熱伝達現象に基づいて流体の流速ないしは流量を計測する感熱式流量センサの流量検出素子に関するものである。

従来の感熱式流量センサとしては、基板上に発熱抵抗と流体温度測定抵抗が配置され、基板を部分的に除去することによって形成されたキャビティが発熱抵抗の下部に位置しているものがあった（特許文献１参照）。

また別の従来の感熱式流量センサにおいては、基板上に発熱抵抗と流体温度測定抵抗が配置され、これら発熱抵抗と流体温度測定抵抗のそれぞれの下部にキャビティが形成されているものがあった（特許文献２参照）。

特許第３４５５４７３号特開平６−２４９６９３号公報

上記に示されたような感熱式流量センサを自動車に装着してエンジンの制御を行う場合、一定の温度の下でアイドル運転状態を継続させ、エンジンルーム内の温度が充分上昇した状態からスロットルを全開させて急発進するようなことがある。

この場合、アイドル運転において、エンジンルーム内は高温となり、エンジンルーム内に装着されている感熱式流量センサにおいては、感熱式流量センサ部を流れる気流の温度、および感熱式流量センサのエレメント支持部の温度も高温状態になっている。このようなときに急発進急加速が行なわれると、エンジンルーム内は高温のままであるが、感熱式流量センサを流れる気流、およびエレメント支持部は冷却されることとなる。

ここで上記特許文献１においては、基板上に発熱抵抗と流体温度測定抵抗が形成され、発熱抵抗の下部にのみキャビティが設置されているので、流体温度測定抵抗部においては熱容量が大きくなり、従って流体温度測定抵抗においては気流の温度変化に対して熱応答遅れが発生し、流体温度検出誤差が発生することとなり、流量の検出値に誤差が生じることとなる。

また、上記特許文献２においては、流体温度測定抵抗の下部にも発熱抵抗の下部と同様にキャビティが配置されているので、流体の温度が変動しても流体温度測定抵抗における検出誤差を低減することができるが、流体温度測定抵抗における熱応答が早くなりすぎてしまうという問題点があった。

即ちエレメント支持部における熱容量は大きいので、エレメント支持部において熱応答遅れが発生してしまい、流体温度測定抵抗とエレメント支持部の間における熱応答のバランスが崩れてしまう。その結果流量の検出値に誤差が生じてしまうという問題点があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、流体温度測定抵抗が位置している範囲よりも内側の範囲にキャビティを形成することにより、流体の温度が変動したり、あるいは流体の温度と感熱式流量センサの周りの温度との間に差が生じた場合でも流量の検出精度を高くすることができるともに、さらにキャビティ部における強度を高くして、信頼性の高い感熱式流量センサを提供することを目的とする。

この発明に係る感熱式流量センサにおける流量検出素子は、基材の表面に支持膜を形成するとともに、この支持膜上に感熱抵抗膜よりなる発熱抵抗と流体温度測定抵抗が形成されており、発熱抵抗と流体温度測定抵抗の下部には、基材を部分的に除去することにより形成されたキャビティが設けられたものであって、流体温度測定抵抗の下部に設けられたキャビティの上面部が流体温度測定抵抗が配置されている部分の内側に形成されているものである。

この発明に係る感熱式流量センサにおける流量検出素子によれば、基材の表面に支持膜を形成するとともに、この支持膜上に感熱抵抗膜よりなる発熱抵抗と流体温度測定抵抗が形成されており、発熱抵抗と流体温度測定抵抗の下部には、基材を部分的に除去することにより形成されたキャビティが設けられたものであって、流体温度測定抵抗の下部に設けられたキャビティの上面部が流体温度測定抵抗が配置されている部分の内側に形成されているので、流体の温度が変動したり、あるいは流体の温度と感熱式流量センサの周りの温度との間に差が生じた場合でも流量の検出精度を高くすることができるともに、さらにキャビティ部における強度を高くすることができる。

実施の形態１．
以下、この発明の一実施形態を図について説明する。図１はこの発明の形態１による感熱式流量センサに使用される流量検出素子を示す平面図、図２は図１におけるＡ−Ａ線断面図であり、図１においては、保護膜を除去した状態を示している。なお、図１および図２では、構成を判り易く説明するために、実際の寸法比で描かれていない。このことは以下に示す各図においても同様である。

図１および図２において、流量検出素子１における基材２はシリコンより形成されており、窒化シリコンよりなる絶縁性の支持膜３が基材２の上面全面に形成されている。また感熱抵抗膜からなる発熱抵抗４、流体温度測定抵抗５およびリードパターン６ａ〜６ｄが支持膜３上に形成され、さらに窒化シリコンよりなる絶縁性の保護膜７が発熱抵抗４、流体温度測定抵抗５およびリードパターン６ａ〜６ｄを覆うように支持膜３上に形成されている。ここで感熱抵抗膜とは、抵抗値が温度依存性を有する材料からなる抵抗膜のことであり、例えば白金がある。

更に各リードパターン６ａ〜６ｄにおける端部の上に位置する保護膜７を除去し、リードパターンを露出させることにより、電極８ａ〜８ｄを形成する。そして、電極８ａ〜８ｄはワイヤボンドなどの周知の方法より外部と電気的に接続され、これにより発熱抵抗４と流体温度測定抵抗５は、リードパターン６ａ〜６ｄおよび電極８ａ〜８ｄを介して外部と電気的に接続される。

また発熱抵抗４及び流体温度測定抵抗５の下部に位置する基材２の一部が支持膜３に至るまで台形状に除去されており、空間部となるキャビティ９ａ及びキャビティ９ｂが形成されている。このようにして発熱抵抗４が支持膜３および保護膜７により挟み込まれることによって低熱容量部として機能するダイヤフラム１０ａが形成されることとなり、このダイヤフラム１０ａの周囲は基材２によって保持されることとなる。

また、流体温度測定抵抗５も同様に、支持膜３および保護膜７により挟み込まれることによって低熱容量部として機能するダイヤフラム１０ｂが形成されることとなり、このダイヤフラム１０ｂの周囲は基材２によって保持されている。

次にこのように構成される流量検出素子１の製造方法について説明する。まず厚さ０．４μｍの基材２の上面全面にスパッタ、ＣＶＤ（化学蒸着法）等の方法を用いて厚さ１μｍの窒化シリコン膜を形成することにより、基材２上に支持膜３を形成する。

ついで、支持膜３が形成された基材２の表面全面に蒸着、スパッタ等の方法を用いて厚さ０．２μｍの白金の膜を形成した後、写真製版、ウェットエッチングあるいはドライエッチング等の方法を用いて白金膜をパターニングすることにより、発熱抵抗４、流体温度測定抵抗５およびリードパターン６ａ〜６ｄを形成する。

さらに、基材２の表面全面にスパッタ、ＣＶＤ等の方法を用いて厚さ１μｍの窒化シリコン膜を形成することにより保護膜７を形成する。その後、写真製版、ウェットエッチングあるいはドライエッチング等の方法を用いてリードパターン６ａ〜６ｄの端部の上に位置する保護膜７を除去することにより、電極８ａ〜８ｄが形成される。

ついで、基材２の裏面全面に裏面保護膜１１としてレジストを塗布し、写真製版等を用いてエッチングホールを形成する。その後、例えばアルカリエッチングを施して、基材２の一部を裏面側から支持膜３に至るまで除去して、ダイヤフラム１０ａ，１０ｂを形成する。

ここで使われるエッチ液（エッチャント）としては、ＫＯＨ、ＴＭＡＨ（ＴｅｔｒａＭｅｔｈｙｌＡｍｍｏｎｉｕｍＨｙｄｒｏｘｉｄｅ）、ＮａＯＨ等がある。なお、ダイヤフラム１０ａの大きさは、縦１．５ｍｍ、横２ｍｍであり、ダイヤフラム１０ｂの大きさは縦０．５ｍｍ、横０．７ｍｍに形成されている。一方発熱抵抗４と流体温度測定抵抗５は、ダイヤフラム１０ａ、１０ｂと中央を同じくして縦０．８ｍｍ、横１ｍｍの大きさに形成されている。

即ち本発明においては、ダイヤフラム１０ｂはダイヤフラム１０ａよりも小さく構成されており、更にダイヤフラム１０ｂは流体温度測定抵抗５の内側に位置するように、流体温度測定抵抗５よりも小さくなるように形成されている。このようにしてキャビティ９ｂの上面部は流体温度測定抵抗５が配置されている部分の内側に位置するように構成される。

次に以上のように構成された流量検出素子１を用いた感熱式流量センサ１２の構成を図３および図４に基づいて説明する。図３はこの発明の形態１による感熱式流量センサ１２を示す正面図、図４は図３におけるＢ−Ｂ線断面側面図である。

図において、感熱式流量センサ１２は、検出管路１３と、計測される流体の通路となる主通路１４とを有し、検出管路１３と主通路１４とは同軸的に設置されている。更に感熱式流量センサ１２は制御回路基板１５が収容されたケース１６と、感熱式流量センサ１２に電力を供給するとともに、出力を取り出すためのコネクタ１７と、検出管路１３内に配設された流量検出素子１とから構成されている。

そして、流量検出素子１の電極８ａ〜８ｄと制御回路基板１５とがリード線１８により電気的に接続されている。流量検出素子１は、その平板状基材２の表面が流体の流れ方向Ｃと平行となるように、かつ平板状基材２の表面が流体にさらされるように、検出管路１３内に配設されている。

図５は感熱式流量センサ１２の制御回路を示す回路図であり、制御回路１９は流体温度測定抵抗５及び発熱抵抗４を含むブリッジ回路２０を構成している。そして制御回路１９は固定抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、演算増幅器ＯＰ１、トランジスタＴＲ１及び電源２１から構成されている。流体温度測定抵抗５と発熱抵抗４以外の制御回路は、制御回路基板１５上に装着されている。

そして制御回路１９は発熱抵抗４の温度を流体温度測定抵抗５によって検出される周囲温度よりも高い一定の温度に保つように構成されており、ここでは発熱抵抗４の温度が流体温度測定抵抗５で検出された周囲の温度より２００℃高い温度に維持されるように制御される。

そして流体温度測定抵抗５で検出される温度はほぼ周囲温度（流体温度測定抵抗５上を流れる流体の温度）と等しくなっており、流体温度測定抵抗５は測定信号に対する流体の温度の影響を抑制するために使用される。即ち演算増幅器ＯＰ１によって制御回路１９におけるＰ１点とＰ２点の電位は略等しくなるように制御され、流体の温度が変化しても流体温度測定抵抗５により修正されるので、発熱抵抗４においては流速のみにより影響されることとなる。

そして制御回路１９においては発熱抵抗４の加熱電流ＩＨが制御され、流体の流速が早くなると、発熱抵抗４から流体への熱伝達が多くなるため、発熱抵抗４の平均温度を所定の値に保つために加熱電流ＩＨは増加する。この加熱電流ＩＨを抵抗Ｒ２の両端で電圧Ｖｏｕｔとして検出することにより、流速あるいは所定の通路断面積を有する通路内を流れる流量が検出できる。

発熱抵抗４の抵抗値をＲＨ、発熱抵抗４の平均温度をＴＨ、計測流体温度をＴＡ、所定の通路断面積を有する通路内を流れる流量をＱとすると、式（１）が成り立つ。
ＩＨ^２×ＲＨ＝（ａ＋ｂ×Ｑ^ｎ）×（ＴＨ−Ｔａ）・・・（１）
ここでａ、ｂ、ｎは流量検出素子１の形態によって決まる定数である。

定数ａは流量に依存しない熱量に相当する係数であり、その大部分は発熱抵抗４から平板状基材２へ伝わる熱伝導損失である。定数ｂは強制対流熱伝達に相当する係数である。定数ｎは発熱抵抗４近傍の流れの状態によって決まる値であり、その値は０．５程度となる。
式（１）より明らかなように、定数ａに相当する熱量は流量とは関係がないものである。

上記説明においては発熱抵抗４と流体温度測定抵抗５がブリッジ回路２０を構成している直接加熱制御方式について説明したが、発熱抵抗４の近傍に測温抵抗を設け、測温抵抗と流体温度測定抵抗がブリッジ回路を構成している傍熱制御方式についても上記原理は共通するものである。

上記のような感熱式流量センサを自動車に装着してエンジン制御を行う場合において、アイドル運転状態を放置させ、エンジンルーム内の温度が十分上昇した状態からスロットルを全開させて急発進する場合について説明する。

エンジンルーム内に装着される感熱式流量センサ１２においては、アイドル運転状態においてエンジンルーム内は高温となり、感熱式流量センサ１２を流れる流体および感熱式流量センサ１２のエレメント支持部の温度は高温状態になっている。このような状態で急発進急加速を行うと、エンジンルーム内は高温のままであるが、感熱式流量センサ１２を流れる流体およびエレメント支持部は冷却されることとなる。

図６は上記のような場合における流量の経時変化を示す図である。さらに図７は基板に発熱抵抗と流体温度測定抵抗を形成するとともに、発熱抵抗と流体温度測定抵抗のそれぞれの下部に同じ大きさのキャビティを設けた感熱式流量センサにおける吸気温度、流体温度測定抵抗の温度及びエレメント支持部温度の経時変化を示す図である。

即ちこの場合においては、流体温度測定抵抗の下部に設けられたダイヤフラムは流体温度測定抵抗よりも大きく設定されたものである。図７に示すように、流体温度測定抵抗の温度は吸気温度に追従しているのに対し、エレメント支持部の温度は吸気温度の変化に対して遅れが生じている。

これは流体温度測定抵抗５が低熱容量部として機能するダイヤフラム１０ｂ上に形成されているため、熱容量が小さく、流体温度測定抵抗が冷却されて吸気温度に追従することとなるが、エレメント支持部は基材２ならびに基材２を組付ける部材から構成されるため、熱容量が大きくなり、吸気温度の変化に追従できないからである。

感熱式流量センサ１２の出力電圧Ｖｏｕｔは発熱抵抗４から流体への熱伝達量と、発熱抵抗４からエレメント支持部への熱伝導量によって決まり、発熱抵抗４から流体への熱伝達量は、発熱抵抗４と流体の温度差に比例し、発熱抵抗４からエレメント支持部への熱伝導量は発熱抵抗４とエレメント支持部の温度差に比例する。

そして流体温度測定抵抗５の温度変化とセンサエレメント支持部の温度変化との間でずれが生じると、流量検出誤差が生じることになる。即ちこのことを具体的に説明すると、センサエレメント支持部の温度変動は流体温度の変動に対して遅れが発生するため、発熱抵抗４とセンサエレメント支持部の温度差が小さくなり、上式（１）における定数ａの値が変動し、発熱抵抗４からエレメント支持部への熱伝導量が低下し、出力Ｖｏｕｔが低くなり流量検出誤差が発生してしまうのである。

このような場合、図８に示す流量検出素子のように、流体温度測定抵抗５の下部に設けられたダイヤフラム１０ｂを流体温度測定抵抗５よりも大きく設定することにより、流体温度測定抵抗５部の熱容量を小さく構成するとともに、熱容量の大きい基材２に形成されているリードパターン６ａ，６ｄの幅を小さくし、リードパターン６ａ，６ｄの抵抗値を大きくすることも考えられる。

これによりリードパターン６ａ，６ｄにおいて発熱量が多くなるので、流体温度測定抵抗５とリードパターン６ａ，６ｄ部における熱応答を図７の場合に比べて遅くすることができ、流体温度測定抵抗５とエレメント支持部の間における熱応答のずれを無くすことができるようになる。

しかしこのように構成した場合、図１に示した構造に比べてリードパターン６ａ，６ｄの抵抗は明らかに大きいので、図５のブリッジ回路に占めるリードパターン６ａ，６ｄの抵抗値の割合は図１に比べると大きくなり、外部からリードパターン６ａ，６ｄに熱が伝わると、抵抗値の変動が大きくなり流量検出誤差が発生してしまうこととなる。

即ち感熱式流量サンサ１２を流れる流体と感熱式流量センサ１２の周りの温度に差が生じた場合、コネクタ１７側からの熱が伝わって電極８ａ，８ｄに近い部分にあるリードパターン６ａ，６ｄは流量センサ１２の周りの熱影響を受けて昇温または降温するため、リードパターン６ａ，６ｄにおける抵抗値が図１に示した構造に比べると大きく変動してしまい、流体と流量センサ１２の周りの温度差によって流量検出誤差が発生してしまう。

そこで本発明による流量検出素子１においては、図１に示すように、流体温度測定抵抗５より内側に位置するようにキャビティ１０ｂを形成することにより、流体温度測定抵抗５における熱容量を大きくしたものである。図９はこのように構成された感熱式流量センサ１２における吸気温度、流体温度測定抵抗５の温度及びエレメント支持部の温度の経時変化を示す図である。

図９に示すように、流体温度測定抵抗５よりキャビティ１０ｂを小さく構成することにより、流体温度測定抵抗５の温度変化は吸気温度の変化よりも遅くなっており、さらにエレメント支持部の温度変化とほぼ一致している。

このように流体温度測定抵抗５とエレメント支持部の温度変化が一致した場合、流体温度測定抵抗５とエレメント支持部の温度変動は吸気温度の変化に対して遅れが生じることとなるが、発熱抵抗４の温度は流体温度測定抵抗５の温度よりも常に所定値だけ高くなるように制御されているので、図７の場合に比べると、図９の場合には発熱抵抗４の温度は高いので、流体の温度が同じであると、発熱抵抗４から流体への熱伝達量は増加し、この発熱抵抗４から流体への熱伝達量の増加が、エレメント支持部の熱応答遅れによる発熱抵抗４からエレメント支持部への熱伝導量の減少を相殺し、流量検出誤差が低減することなる。

以上のように構成することにより、流体温度測定抵抗５とエレメント支持部の熱応答のずれを無くすことができ、流体温度が変動しても、流量検出精度を維持することができるようになる。

さらに、感熱式流量センサ１２の周りの熱影響を受け易い電極８ａ，８ｄの近くに形成されるリードパターン６ａ，６ｄの抵抗値を大きくすることがないため、感熱式流量センサ１２を流れる流体と感熱式流量センサ１２の周りの間で温度差が生じても、感熱式流量センサ１２の周りの熱の影響を受け難く、上記温度差が生じても、流量検出精度を維持することができる。

さらにまた、流体温度測定抵抗５の下部に形成されたキャビティ１０ｂの体積を小さくすることにより、流体に含まれる砂や塵埃などの固体粒子がキャビティ１０ｂに衝突することを防ぐことができるとともに、バックファイヤーによる圧力波に対しても十分耐えることができ、信頼性の高い感熱式流量センサ１２を提供することができる。

以上のようにこの発明によれば、流体温度測定抵抗５の抵抗値をコントロールしながら、基材２に設置された電極側の配線の影響を受けることなく、流体温度測定抵抗５の温度変化とエレメント支持部の温度変化のずれを無くすことができ、流体の温度が変化しても、流量検出精度を損なうことなく、又流体と感熱式流量センサ１２の周りとの間に温度差が生じても、流量検出精度を維持することのできる流量検出素子１を提供することができる。

また、キャビティ部を小さくすることができるので、キャビティ部の強度を高くし、信頼性の高い流量検出素子１を提供することができる。

この発明の実施の形態１による感熱式流量センサに使用される流量検出素子を示す平面図である。図１におけるＡ−Ａ線断面図である。この発明の実施の形態１による感熱式流量センサを示す正面図である。図３におけるＢ−Ｂ線断面図である。この発明の実施の形態１による感熱式流量センサの制御回路を示す回路図である。この発明の実施の形態１による感熱式流量センサの流量変化を示す図である。従来の感熱式流量センサにおける吸気温度、流体温度測定抵抗の温度及びエレメント支持部温度の経時変化を示す図である。感熱式流量センサに使用される流量検出素子を示す平面図である。この発明の実施の形態１による感熱式流量センサにおける吸気温度、流体温度測定抵抗の温度及びエレメント支持部の温度の経時変化を示す図である。

符号の説明

１流量センサ、２基材、３支持膜、４発熱抵抗、５流体温度測定抵抗、
９ａ，９ｂキャビティ。

Claims

基材の表面に支持膜を形成するとともに、この支持膜上に感熱抵抗膜よりなる発熱抵抗と流体温度測定抵抗が形成されており、上記発熱抵抗と上記流体温度測定抵抗の下部には、上記基材を部分的に除去することにより形成されたキャビティが設けられた流量検出素子において、上記流体温度測定抵抗の下部に設けられた上記キャビティの上面部が上記流体温度測定抵抗が配置されている部分の内側に形成されていることを特徴とする感熱式流量センサの流量検出素子。