JP2008026206A - 熱式ガス流量センサ及びそれを用いた内燃機関制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ダイヤフラム割れ防止の強度補強緩衝膜とダイヤフラム端部とが基板の厚み方向で互いに重なり合っているか否かを容易に判定可能な熱式ガス流量センサを実現する。
【解決手段】検出素子１は平板基板３２に保護膜３０ａ、３０ｂ、３１ａ、絶縁膜３１ｂ、３０ｃ、発熱抵抗体３、温度検出抵抗体４、コンタクト部３３、引き出し配線部３４、コンタクトバリアメタル膜３６、強度補強保護膜３７を形成する。その後、平板基板３２を裏面からエッチングすることでダイヤフラム２を形成する。強度補強緩衝膜３７の端部の基盤３２の厚み方向に対応する位置に目盛パターン３８が配置されている。ダイヤフラム２の端部と、強度補強緩衝膜３７の端部との間に位置ずれが発生していないか否かを目盛パターン３８により容易に判断することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体薄膜により発熱抵抗体を構成した熱式ガス流量センサに関する。

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の流量計や、半導体製造に用いる各種ガスおよび燃料電池に用いる水素／酸素の流量計として、熱式のガス流量計が質量ガス量を直接検知できることから主流である。

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ガス流量計が、コストが低減でき且つ低電力で駆動することができ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ガス流量計としては、例えば、特許文献１や特許文献２に記載されているように、発熱抵抗体として耐熱性および材料コストの利点から、従来使用されていた白金に置き換えて多結晶ケイ素（ポリシリコン）を用いたものが知られている。

特許第２８８０６５１号公報 特許第３６９８６７９号

熱式空気流量センサ等の熱式ガス流量センサでは、測定対象となるガスに含まれるダストが、ダイヤフラムに衝突し、ダイヤフラムを破壊することにより、ガス流量センサの特性を劣化させる場合がある。そこで、ダイヤフラム端部の強度を向上するため、ダイヤフラム端部と基板の厚み方向と重なり合う強度補強緩衝膜を形成している。

この強度補強緩衝膜は、平板基板上に発熱抵抗体、温度検出抵抗体、保護膜等を形成した後、その上部に形成される。そして、その後に、強度補強緩衝膜とダイヤフラム端部とが平板基板の厚み方向と重なり合うように、基板の裏面（強度補強緩衝膜が形成された面とは反対側の面）から、エッチングにより、凹部を形成し、ダイヤフラムが形成される。

しかしながら、ダイヤフラム形成後、強度補強緩衝膜の端部がダイヤフラム端部と、基板の厚み方向で重なりあっているか否かを容易に判定することができず、良不良の選別に長時間が必要となっていた。

本発明の目的は、ダイヤフラム割れを防止する強度補強緩衝膜とダイヤフラム端部とが基板の厚み方向で互いに重なり合っているか否かを容易に判定可能な熱式ガス流量センサ及びそれを用いた内燃機関制御装置を実現することである。

本発明の熱式ガス流量センサは、基板に形成されたダイヤフラム上に、発熱抵抗体と、温度検出抵抗体と、ダイヤフラムの強度を補強する強度補強緩衝膜と、上記基板の上記強度補強緩衝膜の端部に対応する位置に目盛が付された目盛パターンとが形成されている。

また、本発明の熱式ガス流量センサは、内燃機関の制御装置における空気流量計測手段に用いられる。

本発明によれば、ダイヤフラム割れを防止する強度補強緩衝膜とダイヤフラム端部とが基板の厚み方向で互いに重なり合っているか否かを容易に判定可能な熱式ガス流量センサ及びそれを用いた内燃機関制御装置を実現することができる。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して説明する。なお、以下に示す実施形態は、本発明を内燃機関の吸入空気量を測定する熱式空気流量センサに適用した場合の例である。

図１は、本発明の第１の実施形態である熱式空気流量センサの検出素子１の平面図、図２は図１のＡ−Ａ'線に沿った断面図、図３は図１のＢ−Ｂ'線に沿った断面図である。

図１〜図３において、検出素子１はシリコンやセラミック等の熱伝導率の良い材料で構成される平板基板３２に保護膜３０ａ、３０ｂ、３１ａ、絶縁膜３１ｂ、３０ｃ、発熱抵抗体３、温度検出抵抗体４、コンタクト部３３、引き出し配線部３４、コンタクトバリアメタル膜３６、強度補強保護膜３７を形成する。

その後、平板基板３２を裏面からアルカリエッチ、例えば、ＫＯＨやＴＭＡＨ溶液などでエッチングすることで絶縁膜３０ｃの下部に空間３５を形成し、平板基板３２に薄肉部（ダイヤフラム）２を形成する。強度補強保護膜３７は、ダイヤフラム２上であって、このダイヤフラム２より小さな開口を有するように、形成されている。

つまり、ダイヤフラム２の端部は、強度補強保護膜３７により覆われ、これにより、ダイヤフラム２の端部強度が補強される。このため、ダイヤフラム２の端部が強度補強保護膜により覆われていなければ、ダイヤフラム２の端部強度は補強されないこととなる。

薄肉部２の表面には測定空気流量の温度と所定の温度差に加熱される発熱体として上述した発熱抵抗体３と、発熱抵抗体３の両側に温度検出手段として温度検出抵抗体４、１４を形成している。

なお、発熱抵抗体３はポリシリコン薄膜、白金薄膜、モリブデン膜などからなる抵抗体で、これらの抵抗体の抵抗値が温度により変化することを利用して、温度検出抵抗体４、１４が配置された場所の温度を検出する。

発熱抵抗体３及び温度検出抵抗体４、１４から信号線を引き出せるように電極引き出し配線部１８〜２３と、これら配線部１８〜２３に接続されるパッド８〜１３が形成されている。また、これらの発熱抵抗体部３および温度検出抵抗体４、１４と配線部１８〜２３が接するコンタクト部２４〜２９が形成されている。そして、パッド８〜１３を用いて外部に信号が取り出される。

発熱抵抗体３および温度検出抵抗体４、１４は、保護膜３０ａ、保護膜３０ｂ、保護膜３１ａ、絶縁膜３１ｂ、絶縁膜３０ｃ、最表面には強度補強保護膜３７などで被覆されている。

ここで、ダイヤフラム２の端部が、強度補強緩衝膜３７の端部と、基板３２の厚み方向で互いに重なりあうように形成されている。そして、強度補強緩衝膜３７の端部の基盤３２の厚み方向に対応する位置であって、強度補強緩衝膜３７に覆われるように目盛パターン３８が配置されている。つまり、強度補強緩衝膜３７に開口部に対応する位置（基板３２の厚み方向に対応する位置）には、目盛パターン３８は形成されていない。

この目盛パターン３８は、発熱抵抗体３と同様なポリシリコン薄膜、白金薄膜、モリブデン膜等により形成され、発熱敵後退３の形成と同時に形成することができる。

なお、強度補強緩衝膜３７としては樹脂材料、例えばポリイミドを用いる。また、５〜７、１５〜１７は配線部である。

図４は、強度補強緩衝膜３７の端部に位置する本発明の第１の実施形態である目盛パターン３８を示す図であり、図５は、目盛パターン３８とダイヤフラム２との位置関係を示す図である。図４において、目盛パターン３８は周囲の配線部５〜７、１５〜１７（配線材料には主に金属やポリイミド膜などを用いる）と電気的に絶縁されている。目盛パターン３８は、十字形状であり、この十字形状を形成する各線部に寸法目盛りが付けられている。

図５に示すように、強度補強緩衝膜３７の端部とダイヤフラム２の端部とが望ましい位置関係となっている場合には、図４に示したように、目盛パターン３８の十字形上を形成する目盛パターン３８の中央部がダイヤフラム２の端部と一致している。

ダイヤフラム２から目盛パターン３８までには絶縁膜３０ｃ、３１ｂが存在するが、これらは非常に薄く、ダイヤフラム２から、顕微鏡等で確認することにより、目盛パターン３８を確認することが可能である。

次に、ダイヤフラム２の端部と目盛パターン３８とが、エッチング加工などの影響で、互いに位置ズレを発生した場合を、図６、図７、図８に示す。図６、図７、図８に示すように、ダイヤフラム２の端部が目盛パターン３８とずれた場合には、ダイヤフイラム２の端部は、目盛パターン３８の端部付近で交差し、目盛パターン３８に形成された目盛りにより、そのズレ量を判定することができる。

ここで、ダストなどがダイヤフラム部２上に衝突した際、その衝撃力はダイヤフラム２の端部に集中することが知られている。図６に示した例の場合、強度補強膜３７は、ダイヤフラム２の端部とズレているため、ダイヤフラム２の強度が低下し、センサ特性が悪化する。

ダイヤルフラム２の加工位置ズレは、製造工程で発生するため、あらかじめ検出素子１を製造する際、目盛パターン３８を形成しておくと、製造工程での判定が容易となる。これより、市場に不良が流出するのを抑制することが可能になる。

つまり、本発明の第１の実施形態によれば、ダイヤフラム割れを防止する強度補強緩衝膜とダイヤフラム端部とが基板の厚み方向で互いに重なり合っているか否かを容易に判定可能な熱式空気流量センサを実現することができる。

次に、本発明の第２の実施形態である熱式空気流量センサを、図９、図１０、図１１を参照して説明する。検出素子は、第１の実施形態と同様であるので、詳細な説明は省略する。

本発明の第２の実施形態と第１の実施形態との相違点は、目盛パターン３８の形状である。第２の実施形態における目盛パターン３８は、ダイヤフラム２の回転方向のズレを判定可能としたものである。つまり、図９に示すように、本発明の第２の実施形態における目盛パターン３８は、所定の回転角度を示す複数の直線が角度目盛として形成されている。

図１１に示すように、検出素子１のチップサイズに対してダイヤフラム２の回転方向のズレに対しては、図１０のように扇形の目盛パターン３８により角度ズレ検出も可能である。このような目盛パターン３８を形成しておくと、製造工程での判定が可能になり、容易に不良品の選別が可能となる。

図１２は、上述した本発明による熱式空気流量センサが適用される内燃機関制御装置の要部概略構成図である。

図１２において、エアクリーナ１００から吸入された吸入空気１１６は、熱式空気流量センサ１１７が配置された主管１１８、吸気ダクト１０３、スロットルボディ１０４及び燃料が供給されるインジェクタ（燃料噴射弁）１０５を備えたインテークマニホールド１０６を経て、エンジンシリンダ１０７に吸入される。そして、エンジンシリンダ１０７で発生したガス１０８は排気マニホールド１０９を経て外部に排出される。

熱式空気流量センサ１１７は、エンジンルーム内のエアクリーナー１００と、スロットルボディ１０４との間に設置される。熱式空気流量センサ１１７から出力される空気流量信号、吸入空気温度信号、スロットル角度センサ１１１から出力されるスロットルバルブ角度信号、排気マニホールド１０９に設けられた酸素濃度計１１２から出力される酸素濃度信号、及びエンジン回転速度計１１３から出力されるエンジン回転速度信号等は、コントロールユニット１１４に送信される。

コントロールユニット１１４は、送信された信号を逐次演算して、最適な燃料噴射量とアイドルエアコントロールバルブ開度とを求め、その値を使ってインジェクタ１０５及びアイドルエアコントロールバルブ１１５を制御する。

本発明による熱式空気流量センサ１１７が適用された内燃機関の制御装置によれば、ダイヤフラム端部と、強度補強緩衝膜とが位置ズレ（回転ズレ）を発生しているのか否かを目盛パターン３８により確認することができるので、上記位置ズレが発生しているのか否かを確認することができない従来技術に比較して、エンジン制御システムの不具合発生時に、その不具合の発生がダイヤフラムの強度低下によるものか否かを容易に判断することができる。

なお、上述した例は発明を、熱式空気流量センサに適用した場合の例であるが、空気のならず、水素、酸素等の他のガス流量を測定するセンサにも適用可能である。

また、上述した目盛パターンは、寸法目盛と角度目盛との両者が形成されていてもよい。

本発明の第１の実施形態である熱式空気流量センサの検出素子の平面図である。 図１のＡ−Ａ'線に沿った断面図である。 図１のＢ−Ｂ'線に沿った断面図である。 本発明の第１の実施形態である目盛パターンを示す図である。 目盛パターンとダイヤフラムとの位置関係を示す図である。 ダイヤフラムの端部と目盛パターンとが互いに位置ズレを発生した場合の説明図である。 ダイヤフラムの端部と目盛パターンとが互いに位置ズレを発生した場合の説明図である。 ダイヤフラムの端部と目盛パターンとが互いに位置ズレを発生した場合の説明図である。 本発明の第２の実施形態である目盛パターンを示す図である。 ダイヤフラムの端部と目盛パターンとが互いに回転ズレを発生した場合の説明図である。 ダイヤフラムの端部と目盛パターンとが互いに回転ズレを発生した場合の説明図である。 本発明による熱式空気流量センサが適用される内燃機関制御装置の要部概略構成図である。

符号の説明

1・・・検出素子、２・・・薄肉部（ダイヤフラム）、３・・・発熱抵抗体、４・・・温度検出抵抗体、５〜７・・・配線部、８〜１３・・・パット部、１４〜１７・・・配線部、１８〜２３・・・電極引き出し配線部、２４〜２９・・・コンタクト部、３０ａ、３０ｂ、３１ａ・・・保護膜、３０ｃ、３１ｂ・・・絶縁膜、３２・・・平板基板、３３・・・コンタクト部、３４・・・引き出し配線部、３５・・・中空部、３６・・・コンタクトバリアメタル膜、３７・・・強度補強緩衝膜、３８・・・目盛パターン

Claims (7)

1. 基板に形成されたダイヤフラム上に、発熱抵抗体と、温度検出抵抗体と、ダイヤフラムの強度を補強する強度補強緩衝膜とを有する熱式ガス流量センサにおいて、
   上記基板の上記強度補強緩衝膜の端部に対応する位置に、目盛が付された目盛パターンが形成されていることを特徴とする熱式ガス流量センサ。
2. 請求項１記載の熱式ガス流量センサにおいて、上記目盛パターンの目盛は寸法目盛であることを特徴とする熱式ガス流量センサ。
3. 請求項１記載の熱式ガス流量センサにおいて、上記目盛パターンの目盛は角度目盛であることを特徴とする熱式ガス流量センサ。
4. 請求項１記載の熱式ガス流量センサにおいて、上記目盛パターンは、上記基板の厚み方向に関して、上記強度補強緩衝膜に覆われていることを特徴とする熱式ガス流量センサ。
5. 請求項１記載の熱式ガス流量センサにおいて、上記目盛パターンは、上記発熱抵抗体、温度検出抵抗体と電気的に絶縁されていることを特徴とする熱式ガス流量センサ。
6. 請求項１記載の熱式ガス流量センサにおいて、上記目盛パターン及び上記発熱抵抗体は、ポリシリコン膜、白金膜又はモリブデン膜により形成されていることを特徴とする熱式ガス流量センサ。
7. 内燃機関に供給する空気流量を計測する空気流量計測手段と、この流量計測手段により計測された流量に基づいて、空気流量を制御する手段とを備える内燃機関の制御装置において、
   上記流量計測手段は、
   基板に形成されたダイヤフラム上に、発熱抵抗体と、温度検出抵抗体と、ダイヤフラムの強度を補強する強度補強緩衝膜と、上記基板の上記強度補強緩衝膜の端部に対応する位置に目盛が付された目盛パターンとが形成されていることを特徴とする内燃機関の制御装置。

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