JP2010185777A - Flow sensor and flow correction method - Google Patents

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洋平 湯川
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a flow sensor which can reduce map data for use in the correction of output and simplify calculation. <P>SOLUTION: A corrected value Va is determined by calculating Va=V-(VT2-VT1)×(T-T1)/(T2-T1), where V is a measured value, Va a corrected value obtained by correcting the measured value V, T a measured temperature (an ambient temperature), T1 a first standard temperature (fixed), T2 a second standard temperature (fixed), VT1 a measured value (fixed) at the first standard temperature, and VT2 a measured value (fixed) at the second standard temperature. Since it is a linear function, calculation can be simplified. Since the measured values V (measurement points) for creating map data are small in number, the map data can be reduced. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

この発明は、気体の流量を検出する流量センサおよび流量の補正方法に関し、たとえば、半導体製造装置におけるガス流量の検出、自動車エンジンの吸入空気量の検出などに用いるものである。   The present invention relates to a flow rate sensor for detecting a flow rate of gas and a method for correcting the flow rate, and is used, for example, for detection of a gas flow rate in a semiconductor manufacturing apparatus and detection of an intake air amount of an automobile engine.

従来、この種の流量センサとして、気体の流路に配置した発熱抵抗体の熱分布に基づいて気体の流量を検出するものが知られている。この流量センサの出力特性は、ノンリニア(曲線)の特性になるため、出力をリニア補正する手法では、補正の精度を高めることができない。
そこで、流量センサの出力補正の手法として、3次以上の高次元の演算式を用いてノンリニア補正を行い、補正後に決定された補正係数をマップデータとしてメモリに記憶することにより、出力特性に対応した補正を行うものが提案されている(例えば、特許文献1)。
2. Description of the Related Art Conventionally, as this type of flow sensor, one that detects a gas flow rate based on a heat distribution of a heating resistor disposed in a gas flow path is known. Since the output characteristics of the flow rate sensor are non-linear (curved) characteristics, the correction accuracy cannot be increased by the method of linearly correcting the output.
Therefore, as a method for correcting the output of the flow sensor, non-linear correction is performed using a higher-order arithmetic expression of the third or higher order, and the correction coefficient determined after correction is stored in the memory as map data, thereby corresponding to the output characteristics. A device that performs the correction is proposed (for example, Patent Document 1).

特開2007−71889号公報(第23,40段落、図1,3)。JP 2007-71889 A (23rd and 40th paragraphs, FIGS. 1 and 3).

しかし、前述した従来の流量センサは、3次以上の高次元の演算式を用いるため、出力の補正精度を高めようとすると、大量のマップデータが必要となる。このため、マップデータを作成するための労力が増大するという問題がある。また、マップデータを格納するためのメモリのサイズが大きくなるため、流量センサが大型化するという問題もある。さらに、高次元の演算式を用いて出力を補正するため、演算が複雑になるという問題もある。   However, since the conventional flow rate sensor described above uses a higher-order arithmetic expression of the third or higher order, a large amount of map data is required to increase the output correction accuracy. For this reason, there exists a problem that the effort for creating map data increases. Moreover, since the size of the memory for storing the map data is increased, there is a problem that the flow sensor is increased in size. Further, since the output is corrected using a high-dimensional arithmetic expression, there is a problem that the calculation becomes complicated.

そこでこの発明は、上述の諸問題を解決するためになされたものであり、出力の補正に用いるマップデータの削減および演算の簡易化を図ることのできる流量センサの実現を目的とする。   Accordingly, the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to realize a flow sensor capable of reducing map data used for output correction and simplifying calculation.

この発明は、上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明は、気体の流量を検出するセンサ部(20,31)と、前記センサ部から出力されるアナログの電圧信号をデジタル値に変換する変換部(35)と、を備える流量センサ(10)において、前記変換部から出力されるデジタルの出力値をV、周囲温度をT、定数をA、前記周囲温度が第1基準温度のときの前記出力値と、前記周囲温度が前記第1基準温度と異なる第2基準温度のときの前記出力値との差の絶対値をB、前記周囲温度と前記第1基準温度との差の絶対値をC、前記出力値を前記周囲温度に起因する誤差に応じて補正した値をVaとした場合に、Va=V−(B×C/A)を演算する補正回路(42)を備えることを特徴とする。   In order to achieve the above object, according to the present invention, the invention according to claim 1 is a sensor unit (20, 31) for detecting a gas flow rate, and an analog voltage signal output from the sensor unit is converted into a digital value. A flow rate sensor (10) including a conversion unit (35) for conversion, wherein a digital output value output from the conversion unit is V, an ambient temperature is T, a constant is A, and the ambient temperature is a first reference temperature. The absolute value of the difference between the output value at the time and the output value when the ambient temperature is a second reference temperature different from the first reference temperature is B, and the difference between the ambient temperature and the first reference temperature is Provided is a correction circuit (42) for calculating Va = V− (B × C / A), where C is an absolute value and Va is a value obtained by correcting the output value according to an error caused by the ambient temperature. It is characterized by that.

請求項2に記載の発明では、請求項1に記載の流量センサ(10)において、前記定数Aは、前記第1および第2基準温度の差の絶対値であることを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, in the flow rate sensor (10) according to the first aspect, the constant A is an absolute value of a difference between the first and second reference temperatures.

請求項3に記載の発明では、請求項1または請求項2に記載の流量センサ(10)において、前記変換部(35)は、前記アナログの電圧信号を、2進数のデジタル値に変換するA/D変換回路であって、入力信号を反転して出力すると共に反転動作時間が電源電圧により変化する反転回路(36a,36b)が複数個連結されると共に、前記反転回路の一つが反転動作を外部から制御可能な起動用反転回路(36a)として構成されており、前記起動用反転回路の動作開始に伴いパルス信号を走行させるパルス走行回路(36)と、前記パルス走行回路内の各反転回路の電源ライン(L1)に接続され、前記電圧信号を各反転回路の電源電圧として印加する電圧信号入力端子(35a)と、相互に電圧の異なる複数の基準電圧信号を発生する基準電圧信号発生回路(32)と、前記電圧信号入力端子に、A/D変換用の電圧信号と、前記基準電圧信号発生回路が発生した複数の基準電圧信号とを切り換えて入力する入力電圧切換手段(33)と、前記各反転回路からの出力信号に基づき前記パルス走行回路内での前記パルス信号の走行位置を検出し、その走行位置に応じたデータを発生する走行位置検出手段(38)と、前記起動用反転回路を動作させて前記パルス走行回路の走行動作を起動し、その後所定時間経過した時点で上記走行位置検出手段を動作させる制御手段(34)と、前記走行位置検出手段からのデータを含むデジタルデータをA/D変換結果として出力するデータ出力ライン(L2)と、前記データ出力ラインから出力される前記A/D変換用の電圧信号および複数の基準電圧信号の各デジタルデータのうち、いずれか2つのデジタルデータの差である第1差分と、その第1差分を求めるデジタルデータの組み合わせとは異なる2つのデジタルデータの差である第2差分との比に基づいて、前記流量に対応したデジタル値を算出する信号処理回路(41)と、を備えることを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the flow sensor (10) according to the first or second aspect, the converter (35) converts the analog voltage signal into a binary digital value A. A plurality of inverting circuits (36a, 36b) that invert and output an input signal and whose inverting operation time varies depending on the power supply voltage, and one of the inverting circuits performs an inverting operation. It is configured as a starting inversion circuit (36a) that can be controlled from the outside, and a pulse running circuit (36) that runs a pulse signal when the starting inversion circuit starts to operate, and each inversion circuit in the pulse running circuit And a voltage signal input terminal (35a) for applying the voltage signal as a power supply voltage for each inverting circuit, and generating a plurality of reference voltage signals having mutually different voltages. A reference voltage signal generation circuit (32), and an input voltage switch for switching and inputting a voltage signal for A / D conversion and a plurality of reference voltage signals generated by the reference voltage signal generation circuit to the voltage signal input terminal Means (33) and travel position detection means (38) for detecting the travel position of the pulse signal in the pulse travel circuit based on the output signal from each inverting circuit and generating data corresponding to the travel position And a control means (34) for activating the driving operation of the pulse traveling circuit by operating the inversion circuit for starting, and operating the traveling position detecting means when a predetermined time has passed thereafter, and the traveling position detecting means A data output line (L2) for outputting digital data including the data as an A / D conversion result, and the voltage signal for A / D conversion output from the data output line and Of the digital data of the plurality of reference voltage signals, the first difference that is the difference between any two of the digital data and the second difference that is the difference between the two digital data that is different from the combination of the digital data for obtaining the first difference. And a signal processing circuit (41) for calculating a digital value corresponding to the flow rate based on a ratio to the difference.

請求項4に記載の発明では、気体の流量を検出するセンサ部(20,31)と、前記センサ部から出力されるアナログの電圧信号をデジタルの出力値に変換する変換部(35)と、を備える流量センサ(10)の前記出力値を周囲温度に起因する誤差に応じて補正する流量補正方法において、前記出力値をV、周囲温度をT、定数をA、前記周囲温度が第1基準温度のときの前記出力値と、前記周囲温度が前記第1基準温度と異なる第2基準温度のときの前記出力値との差の絶対値をB、前記周囲温度と前記第1基準温度との差の絶対値をC、前記出力値を前記周囲温度に起因する誤差に応じて補正した値をVaとした場合に、Va=V−(B×C/A)を演算することを特徴とする。   In invention of Claim 4, the sensor part (20, 31) which detects the flow volume of gas, The conversion part (35) which converts the analog voltage signal output from the said sensor part into a digital output value, In the flow rate correction method for correcting the output value of the flow rate sensor (10) according to the error caused by the ambient temperature, the output value is V, the ambient temperature is T, the constant is A, and the ambient temperature is the first reference. The absolute value of the difference between the output value at the time of temperature and the output value when the ambient temperature is a second reference temperature different from the first reference temperature is B, and the ambient temperature and the first reference temperature are Va = V− (B × C / A) is calculated, where C is the absolute value of the difference and Va is the value obtained by correcting the output value according to the error caused by the ambient temperature. .

請求項5に記載の発明では、請求項4に記載の流量補正方法において、前記定数Aは、前記第1および第2基準温度の差の絶対値であることを特徴とする。   According to a fifth aspect of the present invention, in the flow rate correction method according to the fourth aspect, the constant A is an absolute value of a difference between the first and second reference temperatures.

なお、上記各括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。   In addition, the code | symbol in each said parenthesis shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.

(請求項1および請求項4に係る発明の効果)
センサ部から出力されるアナログの電圧信号をデジタル値に変換する変換部から出力されるデジタル値をV、周囲温度をT、定数をA、周囲温度が第1基準温度のときのデジタル値と、周囲温度が第1基準温度と異なる第2基準温度のときのデジタル値との差の絶対値をB、周囲温度と第1基準温度との差の絶対値をC、変換部から出力されるデジタル値を周囲温度に起因する誤差に応じて補正した値をVaとした場合に、Va=V−(B×C/A)という1次元の演算式を用いてデジタル値を補正することができる。
したがって、従来のように、3次以上の高次元の演算式を用いてデジタル値を補正するものよりもマップデータを少なくすることができ、かつ、演算を簡易化することができる。
(Effect of the invention according to claims 1 and 4)
A digital value output from the conversion unit that converts an analog voltage signal output from the sensor unit into a digital value is V, an ambient temperature is T, a constant is A, a digital value when the ambient temperature is the first reference temperature, and The absolute value of the difference from the digital value when the ambient temperature is a second reference temperature different from the first reference temperature is B, the absolute value of the difference between the ambient temperature and the first reference temperature is C, and the digital output from the conversion unit When a value obtained by correcting the value according to an error caused by the ambient temperature is Va, the digital value can be corrected using a one-dimensional arithmetic expression Va = V− (B × C / A).
Therefore, the map data can be reduced and the calculation can be simplified as compared with the conventional method in which the digital value is corrected using a higher-order arithmetic expression of the third or higher order.

(請求項2および請求項5に係る発明の効果)
定数Aは、第1および第2基準温度の差の絶対値であるため、定数Aを簡単に求めることができる。
(Effects of inventions according to claims 2 and 5)
Since the constant A is an absolute value of the difference between the first and second reference temperatures, the constant A can be easily obtained.

(請求項3に係る発明の作用)
パルス走行回路では、反転回路が複数個連結されているため、たとえば起動用反転回路出力がローレベルであれば、次段の反転回路出力がハイレベルとなり、さらにその次の反転回路出力がローレベルとなるというように、各反転回路出力が所定の反転動作時間で順次反転する。そして、パルス走行回路内では、後段の反転回路と出力レベルが同一となっている反転回路の位置がパルス信号の走行位置となる。
(Operation of the Invention of Claim 3)
In the pulse running circuit, since a plurality of inverting circuits are connected, for example, if the output of the starting inverting circuit is low level, the next inverting circuit output is high level, and the next inverting circuit output is low level. As described above, the output of each inverting circuit is sequentially inverted at a predetermined inverting operation time. In the pulse traveling circuit, the position of the inverting circuit whose output level is the same as that of the subsequent inverting circuit is the traveling position of the pulse signal.

一方、パルス走行回路内の各反転回路の電源ラインには、電圧信号入力端子を介して、A/D変換すべき電圧信号が各反転回路の電源電圧として印加されているため、この電圧信号の電圧レベルに応じて各反転回路の反転動作時間が変化する。
したがって、パルス走行回路内でのパルス信号の走行時間及び走行位置は、電圧信号入力端子に入力される電圧信号により決定されることとなる。
On the other hand, since the voltage signal to be A / D converted is applied to the power supply line of each inverting circuit in the pulse traveling circuit as the power supply voltage of each inverting circuit via the voltage signal input terminal, The inversion operation time of each inversion circuit changes according to the voltage level.
Therefore, the travel time and travel position of the pulse signal in the pulse travel circuit are determined by the voltage signal input to the voltage signal input terminal.

上記のように当該A/D変換回路においては、走行位置検出手段が、各反転回路からの出力信号に基づきパルス走行回路内でのパルス信号の走行位置を検出して、その走行位置に応じたデータを発生し、データ出力ラインが、走行位置検出手段からのデータを含むデジタルデータをA/D変換結果として出力する。またパルス走行回路内での起動用反転回路と走行位置検出手段の動作タイミングは、制御手段により制御され、この制御手段により、パルス走行回路の走行動作開始後、走行位置検出手段がパルス信号の走行位置を検出するまでの時間(サンプリング時間)が、所定時間に設定される。   As described above, in the A / D conversion circuit, the travel position detecting means detects the travel position of the pulse signal in the pulse travel circuit based on the output signal from each inversion circuit, and according to the travel position. Data is generated, and the data output line outputs digital data including data from the traveling position detection means as an A / D conversion result. In addition, the operation timing of the start inversion circuit and the travel position detection means in the pulse travel circuit is controlled by the control means, and after the start of the travel operation of the pulse travel circuit by this control means, the travel position detection means causes the travel of the pulse signal. The time until the position is detected (sampling time) is set to a predetermined time.

(請求項3に係る発明の効果)
請求項3に記載のA/D変換回路においては、パルス走行回路内に設けられた反転回路の電源電圧としてA/D変換の対象となる電圧信号を使用することにより、パルス走行回路内でのパルス信号の走行時間を電圧信号により変化させ、パルス走行回路が所定のサンプリング時間走行動作する間の、パルス走行回路内でのパルス信号の走行位置を検出することにより、電圧信号をデジタルデータに変換する。
したがって、従来のように電圧信号を増幅するアナログ増幅回路を使用することなく、電圧信号の微小な変化を数値化することが可能となり、周囲温度が高温であっても正常にA/D変換を行なうことができる。
(Effect of the invention according to claim 3)
In the A / D conversion circuit according to claim 3, by using a voltage signal to be A / D converted as a power supply voltage of an inverting circuit provided in the pulse traveling circuit, The voltage signal is converted into digital data by detecting the travel position of the pulse signal within the pulse travel circuit while the travel time of the pulse signal is changed by the voltage signal and the pulse travel circuit travels for a predetermined sampling time. To do.
Therefore, it is possible to digitize minute changes in the voltage signal without using an analog amplification circuit that amplifies the voltage signal as in the prior art, so that A / D conversion can be performed normally even when the ambient temperature is high. Can be done.

また、反転回路が複数個連結されたパルス走行回路を備えるA/D変換回路は、温度特性を持っているため、周囲温度によってゲインおよびオフセットが変動する。
しかし、請求項3に記載のA/D変換回路が備える信号処理回路は、データ出力ラインから出力されるA/D変換用の電圧信号および複数の基準電圧信号の各デジタルデータのうち、いずれか2つのデジタルデータの差である第1差分と、その第1差分を求めるデジタルデータの組み合わせとは異なる2つのデジタルデータの差である第2差分との比に基づいて、流量に対応したデジタル値を算出する。
In addition, since an A / D conversion circuit including a pulse traveling circuit in which a plurality of inverting circuits are connected has a temperature characteristic, the gain and the offset vary depending on the ambient temperature.
However, the signal processing circuit included in the A / D conversion circuit according to claim 3 is any one of the voltage signal for A / D conversion output from the data output line and each digital data of the plurality of reference voltage signals. A digital value corresponding to the flow rate based on a ratio between a first difference that is a difference between two digital data and a second difference that is a difference between two digital data different from a combination of digital data for which the first difference is obtained. Is calculated.

このとき、A/D変換用の電圧信号および複数の基準電圧信号に含まれるA/D変換回路のオフセット分はいずれも同一であることから、第1差分および第2差分はA/D変換回路のオフセット分が消去された値となる。そして、さらに、それら第1差分と第2差分との比が算出され、これによりA/D変換回路のゲインの温度による変動を除去することができる。
したがって、温度検出回路を必要とせず、周囲温度の影響を受けない高精度な出力値を得ることができる。
At this time, since the offsets of the A / D conversion circuit included in the voltage signal for A / D conversion and the plurality of reference voltage signals are both the same, the first difference and the second difference are the A / D conversion circuit. The offset is the value that is deleted. Further, the ratio between the first difference and the second difference is calculated, whereby the fluctuation of the gain of the A / D conversion circuit due to the temperature can be removed.
Therefore, a temperature detection circuit is not required, and a highly accurate output value that is not affected by the ambient temperature can be obtained.

この発明の実施形態に係る流量センサの主要構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the main structures of the flow sensor which concerns on embodiment of this invention. センサチップ20の後端部分を省略して示す平面図である。3 is a plan view showing a sensor chip 20 with a rear end portion omitted. FIG. 図2のA−A矢視断面図である。It is AA arrow sectional drawing of FIG. 回路チップ30の電気的構成を示す回路図である。2 is a circuit diagram showing an electrical configuration of a circuit chip 30. FIG. A/D変換回路35における各信号のタイミングチャートである。3 is a timing chart of each signal in an A / D conversion circuit 35. 入力電圧Vinと、A/D変換回路35により変換された入力電圧Vinのデジタル値との関係を示す図である。4 is a diagram illustrating a relationship between an input voltage Vin and a digital value of the input voltage Vin converted by an A / D conversion circuit 35. FIG. 電圧信号VinをA/D変換するときに上記の補正曲線を用いて補正を行った場合の誤差を示す図である。It is a figure which shows the error at the time of correct | amending using said correction curve when carrying out A / D conversion of the voltage signal Vin. 図6に示した補正曲線に基づいて補正を行った補正値と流量との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the correction value and the flow volume which correct | amended based on the correction curve shown in FIG. A/D変換回路35の出力が、+2%変動したときの検出誤差を示す図である。It is a figure which shows a detection error when the output of the A / D conversion circuit 35 fluctuates + 2%. A/D変換回路35の出力が、−2%変動したときの検出誤差を示す図である。It is a figure which shows a detection error when the output of the A / D conversion circuit 35 fluctuates -2%. 補正の手順を示す工程図である。It is process drawing which shows the procedure of correction | amendment.

この発明に係る実施形態について図を参照して説明する。以下の各実施形態では、この発明に係る流量センサとして、自動車用エンジンなどの内燃機関の空気吸入量を検出する流量センサを説明する。   An embodiment according to the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, a flow sensor for detecting an air intake amount of an internal combustion engine such as an automobile engine will be described as a flow sensor according to the present invention.

[流量センサの構成]
(主要構成)
この実施形態に係る流量センサの主要構成について図を参照して説明する。図1は、この実施形態に係る流量センサの主要構成を示す斜視図である。
[Configuration of flow sensor]
(Main composition)
The main configuration of the flow sensor according to this embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view showing the main configuration of the flow sensor according to this embodiment.

流量センサ10は、ハウジング11を備える。ハウジング11には、センサチップ20および回路チップ30が収容されている。センサチップ20は、半導体基板28(図2)を用いて構成されており、回路チップ30は、回路基板(たとえば、セラミック基板)13に搭載されている。回路チップ30は、回路基板13に形成された配線(図示省略)およびボンディングワイヤ15を介してセンサチップ20と電気的に接続されている。   The flow sensor 10 includes a housing 11. The housing 11 accommodates the sensor chip 20 and the circuit chip 30. The sensor chip 20 is configured using a semiconductor substrate 28 (FIG. 2), and the circuit chip 30 is mounted on a circuit substrate (for example, a ceramic substrate) 13. The circuit chip 30 is electrically connected to the sensor chip 20 via wiring (not shown) formed on the circuit board 13 and bonding wires 15.

このように、センサチップ20および回路基板13をそれぞれ異なる材料で形成し、かつ、別個独立に配置することにより、両者の熱的な絶縁を図っている。センサチップ20の先端近傍には、メンブレン(薄肉部)26が形成されている。メンブレン26には、空気の流量を検出するセンシング部27(図2,図3)が配置されている。   As described above, the sensor chip 20 and the circuit board 13 are formed of different materials, and are arranged separately and independently to achieve thermal insulation between the two. A membrane (thin wall portion) 26 is formed in the vicinity of the tip of the sensor chip 20. The membrane 26 is provided with a sensing unit 27 (FIGS. 2 and 3) for detecting the air flow rate.

ハウジング11の相対向する側壁16,16には、開口部12がそれぞれ相対向して形成されている。符号F1で示す白抜き矢印の向きが空気の流れる方向を示す。流量センサ10の検出対象である空気は、一方の開口部12から流入し、他方の開口部12から流出する。センシング部27は、その空気の流路内に配置されている。   Openings 12 are formed on the side walls 16, 16 of the housing 11 that face each other. The direction of the white arrow indicated by reference numeral F1 indicates the direction in which air flows. Air that is a detection target of the flow sensor 10 flows in from one opening 12 and flows out from the other opening 12. The sensing unit 27 is disposed in the air flow path.

回路チップ30は、センシング部27の入出力を制御するセンサ制御回路31、このセンサ制御回路31からのアナログ信号をデジタル信号に変換するA/D変換回路35(図4)などを備える。それらの各回路は、半導体基板にMOSトランジスタおよびダイオードなどの半導体素子、抵抗素子並びに配線を形成することで構成されている。   The circuit chip 30 includes a sensor control circuit 31 that controls input / output of the sensing unit 27, an A / D conversion circuit 35 (FIG. 4) that converts an analog signal from the sensor control circuit 31 into a digital signal, and the like. Each of these circuits is configured by forming semiconductor elements such as MOS transistors and diodes, resistance elements, and wirings on a semiconductor substrate.

回路チップ30は、回路基板13に形成された配線(図示省略)を介してリード14と電気的に接続されている。リード14は、配線(図示省略)を介して、車両に搭載されたECU(Electronic Control Unit:電子制御装置)と電気的に接続される。回路チップ30からボンディングワイヤ15にかけての範囲は、エポキシ樹脂などの封止材料(図示省略)によって封止されている。   The circuit chip 30 is electrically connected to the leads 14 via wiring (not shown) formed on the circuit board 13. The lead 14 is electrically connected to an ECU (Electronic Control Unit) mounted on the vehicle via wiring (not shown). The range from the circuit chip 30 to the bonding wire 15 is sealed with a sealing material (not shown) such as an epoxy resin.

(センサチップ20の構成)
センサチップ20の構成について図を参照して説明する。図2は、センサチップ20の後端部分を省略して示す平面図である。図3は、図2のA−A矢視断面図である。
(Configuration of sensor chip 20)
The configuration of the sensor chip 20 will be described with reference to the drawings. FIG. 2 is a plan view in which the rear end portion of the sensor chip 20 is omitted. 3 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.

センサチップ20は、半導体基板28を用いて構成される。図3に示すように、半導体基板28の裏面には、空洞部25が形成されている。その空洞部25の底部がメンブレン26になっている。そのメンブレン26の中央には、センシング部27を構成する発熱抵抗体21,22が並列に配置されている。その発熱抵抗体の両側には、温度計の役割を担う測温抵抗体23,24が配置されている。   The sensor chip 20 is configured using a semiconductor substrate 28. As shown in FIG. 3, a cavity 25 is formed on the back surface of the semiconductor substrate 28. The bottom of the cavity 25 is a membrane 26. In the center of the membrane 26, heating resistors 21 and 22 constituting the sensing unit 27 are arranged in parallel. Resistance thermometers 23 and 24 that function as thermometers are arranged on both sides of the heating resistor.

図2に示すように、発熱抵抗体21は、配線層29e,29dと電気的に接続されており、発熱抵抗体22は、配線層29b,29cと電気的に接続されている。測温抵抗体23は、配線層29fと電気的に接続されており、測温抵抗体24は、配線層29aと電気的に接続されている。各配線層29a〜29fは、ボンディングワイヤ15(図1)と電気的に接続されている。   As shown in FIG. 2, the heating resistor 21 is electrically connected to the wiring layers 29e and 29d, and the heating resistor 22 is electrically connected to the wiring layers 29b and 29c. The resistance temperature detector 23 is electrically connected to the wiring layer 29f, and the resistance temperature detector 24 is electrically connected to the wiring layer 29a. Each of the wiring layers 29a to 29f is electrically connected to the bonding wire 15 (FIG. 1).

発熱抵抗体21,22は、配線層29b〜29eおよびボンディングワイヤ15を通じて回路チップ30に備えられたセンサ制御回路31(図4)と電気的に接続されている。また、測温抵抗体23,24は、配線層29f,29aおよびボンディングワイヤ15を通じてセンサ制御回路31と電気的に接続されている。   The heating resistors 21 and 22 are electrically connected to the sensor control circuit 31 (FIG. 4) provided in the circuit chip 30 through the wiring layers 29 b to 29 e and the bonding wires 15. Further, the resistance temperature detectors 23 and 24 are electrically connected to the sensor control circuit 31 through the wiring layers 29 f and 29 a and the bonding wires 15.

この実施形態では、半導体基板28としてSOI(silicon on insulator)基板を用いる。発熱抵抗体21,22、測温抵抗体23,24および配線層29a〜29fは、SOI層である半導体層に不純物をイオン注入によってドーピングし、それをエッチングして形成する。半導体層は図示しないBPSG(Boron-doped Phospho-Silicate Glass)によって封止されており、BPSGの上はシリコン窒化膜(図示省略)によって覆われている。つまり、センシング部27の表面は、BPSGおよびシリコン窒化膜からなる絶縁膜によって保護されている。   In this embodiment, an SOI (silicon on insulator) substrate is used as the semiconductor substrate 28. The heating resistors 21 and 22, the resistance temperature detectors 23 and 24, and the wiring layers 29 a to 29 f are formed by doping impurities into a semiconductor layer that is an SOI layer by ion implantation and etching it. The semiconductor layer is sealed with BPSG (Boron-doped Phospho-Silicate Glass) (not shown), and the BPSG is covered with a silicon nitride film (not shown). That is, the surface of the sensing unit 27 is protected by the insulating film made of BPSG and the silicon nitride film.

空洞部25は、支持基板であるシリコン基板の裏面をエッチングして形成する。エッチングは、SOI基板の埋め込み層(BO層)である絶縁膜が露出するまで行う。メンブレン26はシリコン基板に比べて非常に薄く形成されているため、メンブレン26の熱容量は低く抑えられ、メンブレン26ではシリコン基板との熱的な絶縁が確保される。また、センシング部27は、メンブレン26に形成されているため、センシング部27の高感が高い。メンブレン26の厚さdは、たとえば約2μmである。 The cavity 25 is formed by etching the back surface of the silicon substrate that is the support substrate. Etching is performed until the insulating film is a buried layer of the SOI substrate (BO X layer) is exposed. Since the membrane 26 is very thin compared to the silicon substrate, the heat capacity of the membrane 26 is kept low, and the membrane 26 ensures thermal insulation from the silicon substrate. In addition, since the sensing unit 27 is formed on the membrane 26, the sense of the sensing unit 27 is high. The thickness d of the membrane 26 is about 2 μm, for example.

[動作]
次に、流量センサの動作について説明する。
回路チップ30に備えられたセンサ制御回路31は、測温抵抗体23,24の抵抗値の変化に基づいて環境温度を測定する。発熱抵抗体21,22は、センサ制御回路31から流れる電流によって加熱される。
[Operation]
Next, the operation of the flow sensor will be described.
A sensor control circuit 31 provided in the circuit chip 30 measures the environmental temperature based on changes in resistance values of the resistance temperature detectors 23 and 24. The heating resistors 21 and 22 are heated by the current flowing from the sensor control circuit 31.

そして、図1に示したように、空気の流れによって、発熱抵抗体21,22の熱が奪われる。図3に示すように、空気の流れがないとき(μ=0)には、発熱抵抗体21,22の周囲の温度分布は発熱抵抗体を中心として対称であるが、空気が流れると(μ>0)、温度分布が変化する。センサ制御回路31は、発熱抵抗体21,22が常に一定の温度になるように、発熱抵抗体に流す電流の大きさを調整する。   And as shown in FIG. 1, the heat of the heating resistors 21 and 22 is taken away by the flow of air. As shown in FIG. 3, when there is no air flow (μ = 0), the temperature distribution around the heating resistors 21 and 22 is symmetrical about the heating resistor, but when air flows (μ > 0), the temperature distribution changes. The sensor control circuit 31 adjusts the magnitude of the current flowing through the heating resistor so that the heating resistors 21 and 22 are always at a constant temperature.

センサ制御回路31が上記の調整を行ったときの電流値の変化は、その変化に対応する電圧変化を有するセンサ信号Sf(図4)として出力され、A/D変換回路35によってデジタル値に変換された後にECUへ出力される。そして、ECUは、入力したデジタル値に基づいて空気の流量を算出する。また、空気の流れる方向によって、発熱抵抗体の周囲の温度分布が異なる。つまり、空気の下流側に比べて上流側の方が熱の奪われ方が激しく、より多くの電流が必要になってくる。この両者の差から、空気の流量と同時に、空気の流れの方向を検知することができる。   The change in the current value when the sensor control circuit 31 performs the above adjustment is output as a sensor signal Sf (FIG. 4) having a voltage change corresponding to the change, and is converted into a digital value by the A / D conversion circuit 35. Is output to the ECU. Then, the ECU calculates the air flow rate based on the input digital value. Further, the temperature distribution around the heating resistor varies depending on the direction of air flow. In other words, heat is taken away more intensely on the upstream side than on the downstream side of the air, and more current is required. From the difference between the two, the air flow direction can be detected simultaneously with the air flow rate.

たとえば、図3においてF1で示す白抜き矢印の方向(順流)から空気が流れてくるとする。ここで、空気の上流側に位置する発熱抵抗体21は、下流に位置する発熱抵抗体22よりも多く熱を奪われるため、制御回路が発熱抵抗体21の温度(抵抗値)を一定に保とうと発熱抵抗体21への通電量を大きくする。逆に、上流に位置する発熱抵抗体21から発生する熱によって暖められた空気が、下流に位置する発熱抵抗体22の上を通過するため、下流に位置する発熱抵抗体22の放熱量が減少するので、下流に位置する発熱抵抗体22への通電量を小さくする。
したがって、発熱抵抗体21,22への通電量に基づいて、空気の流量および流れの方向を検出することが可能となる。
For example, it is assumed that air flows from the direction indicated by F1 in FIG. 3 (forward flow). Here, since the heating resistor 21 located upstream of the air is deprived of heat more than the heating resistor 22 located downstream, the control circuit keeps the temperature (resistance value) of the heating resistor 21 constant. Finally, the energization amount to the heating resistor 21 is increased. On the contrary, since the air heated by the heat generated from the heating resistor 21 located upstream passes over the heating resistor 22 located downstream, the heat radiation amount of the heating resistor 22 located downstream is reduced. Therefore, the energization amount to the heating resistor 22 located downstream is reduced.
Therefore, the flow rate of air and the direction of flow can be detected based on the energization amount to the heating resistors 21 and 22.

[回路チップ30の電気的構成]
次に、回路チップ30の電気的構成について図を参照して説明する。図4は、回路チップ30の電気的構成を示す回路図である。
[Electrical Configuration of Circuit Chip 30]
Next, the electrical configuration of the circuit chip 30 will be described with reference to the drawings. FIG. 4 is a circuit diagram showing an electrical configuration of the circuit chip 30.

回路チップ30は、センサ制御回路31と、基準電圧信号発生回路32と、アナログマルチプレクサ33と、制御回路34と、A/D変換回路35とを備える。センサ制御回路31は、アナログのセンサ信号Sfをアナログマルチプレクサ33へ出力する。センサ信号Sfは、センサチップ20の発熱抵抗体21,22への通電量に対応する電圧信号である。   The circuit chip 30 includes a sensor control circuit 31, a reference voltage signal generation circuit 32, an analog multiplexer 33, a control circuit 34, and an A / D conversion circuit 35. The sensor control circuit 31 outputs an analog sensor signal Sf to the analog multiplexer 33. The sensor signal Sf is a voltage signal corresponding to the energization amount to the heating resistors 21 and 22 of the sensor chip 20.

基準電圧信号発生回路32は、定電圧電源Vccおよびグランド間に抵抗R1〜R4を直列接続して構成される。このため、抵抗R1,R2間の出力端子a、抵抗R2,R3間の出力端子bおよび抵抗R3,R4間の出力端子cからは、それぞれ基準電圧Vref1,Vref2,Vref3が、センサ信号Sfとは無関係に出力される。   The reference voltage signal generation circuit 32 is configured by connecting resistors R1 to R4 in series between the constant voltage power supply Vcc and the ground. Therefore, the reference voltages Vref1, Vref2, and Vref3 are respectively output from the output terminal a between the resistors R1 and R2, the output terminal b between the resistors R2 and R3, and the output terminal c between the resistors R3 and R4, and the sensor signal Sf. Output regardless.

これら3つの基準電圧は、後述するA/D変換特性の非直線性補正を行うために用いる。抵抗R2および抵抗R3は抵抗温度係数が等しいため、周囲温度の変化に対する抵抗値の変化率ΔRも同じである。したがって、周囲温度の変化によらず、(Vref2−Vref1):(Vref3−Vref1)は常に一定の比率である。また、抵抗R2および抵抗R3の抵抗値も等しいため、上記比率は1:2となる。また、基準電圧Vref1およびVref3は、センサ信号Sfの変動範囲の下限および上限付近に、基準電圧Vref2は、その下限および上限の中間付近にそれぞれ設定されている。   These three reference voltages are used to perform non-linearity correction of A / D conversion characteristics described later. Since the resistance R2 and the resistance R3 have the same resistance temperature coefficient, the rate of change ΔR of the resistance value with respect to the change in the ambient temperature is the same. Therefore, (Vref2-Vref1) :( Vref3-Vref1) is always a constant ratio regardless of changes in ambient temperature. Moreover, since the resistance values of the resistor R2 and the resistor R3 are also equal, the ratio is 1: 2. The reference voltages Vref1 and Vref3 are set near the lower limit and the upper limit of the fluctuation range of the sensor signal Sf, and the reference voltage Vref2 is set near the middle between the lower limit and the upper limit.

アナログマルチプレクサ33は、センサ制御回路31からのセンサ信号Sfと、基準電圧信号発生回路32からの基準電圧Vref1〜Vref3とを電圧信号Vinとして電圧信号入力端子35aを介してA/D変換回路35へ出力する。制御回路34は、セレクト信号をアナログマルチプレクサ33へ出力する。また、制御回路34は、パルス信号PAをNAND回路36aへ出力し、パルス信号PBをパルスセレクタ38およびラッチ回路39へ出力する。パルス信号PBは、一定のサンプリング周期Δt(例えば〜100μ秒)を得るためのパルス信号である。   The analog multiplexer 33 uses the sensor signal Sf from the sensor control circuit 31 and the reference voltages Vref1 to Vref3 from the reference voltage signal generation circuit 32 as a voltage signal Vin to the A / D conversion circuit 35 via the voltage signal input terminal 35a. Output. The control circuit 34 outputs a select signal to the analog multiplexer 33. Further, the control circuit 34 outputs the pulse signal PA to the NAND circuit 36 a and outputs the pulse signal PB to the pulse selector 38 and the latch circuit 39. The pulse signal PB is a pulse signal for obtaining a constant sampling period Δt (for example, ˜100 μsec).

アナログマルチプレクサ33は、センサ信号Sfおよび基準電圧Vref1〜Vref3を、電圧信号入力端子35aを介して電源ラインL1へ出力する。センサ信号Sfおよび基準電圧Vref1〜Vrefは、制御回路34から与えられるセレクト信号に基づいて所定の順番で繰り返し選択出力される。   The analog multiplexer 33 outputs the sensor signal Sf and the reference voltages Vref1 to Vref3 to the power supply line L1 via the voltage signal input terminal 35a. The sensor signal Sf and the reference voltages Vref1 to Vref are repeatedly selected and output in a predetermined order based on a select signal supplied from the control circuit 34.

A/D変換回路35は、基本的には特開平5−259907号公報に記載されたA/D変換回路と同様の構成であり、アナログの電圧信号Vinを、2進数のデジタル値に変換する。A/D変換回路35は、パルス走行回路36と、カウンタ37と、ラッチ回路39と、パルスセレクタ38と、エンコーダ40と、信号処理回路41と、補正演算回路42と、EPROM43と、データ出力ラインL2とを備える。   The A / D conversion circuit 35 basically has the same configuration as the A / D conversion circuit described in Japanese Patent Laid-Open No. 5259907, and converts the analog voltage signal Vin into a binary digital value. . The A / D conversion circuit 35 includes a pulse running circuit 36, a counter 37, a latch circuit 39, a pulse selector 38, an encoder 40, a signal processing circuit 41, a correction arithmetic circuit 42, an EPROM 43, and a data output line. L2.

パルス走行回路36は、反転動作時間が電圧信号Vinに応じて変化するNAND回路36aと、同じく反転動作時間が電圧信号Vinに応じて変化する偶数個のインバータ36bとをリング状に連結して成る。電圧信号入力端子35aは、パルス走行回路36内のNAND回路36aおよびインバータ36bの電源ラインL1に接続されており、電圧信号VinをNAND回路36aおよびインバータ36bの電源電圧として印加する。   The pulse running circuit 36 is formed by connecting, in a ring shape, a NAND circuit 36a whose inversion operation time changes according to the voltage signal Vin and an even number of inverters 36b whose inversion operation time changes according to the voltage signal Vin. . The voltage signal input terminal 35a is connected to the power supply line L1 of the NAND circuit 36a and the inverter 36b in the pulse traveling circuit 36, and applies the voltage signal Vin as the power supply voltage of the NAND circuit 36a and the inverter 36b.

カウンタ37は、パルス走行回路36内のNAND回路36aの前段に設けられたインバータ36bの出力レベルの反転回数からパルス走行回路36内でのパルス信号の周回回数をカウントして2進数のデジタル値を発生する。ラッチ回路39は、カウンタ37から出力されるデジタル値をラッチする。パルスセレクタ38は、パルス走行回路36を構成する各反転回路(つまり、NAND回路36aおよびインバータ36b)の出力を取り込み、その出力レベルからパルス走行回路36内を周回中のパルス信号を抽出して、その位置を表す信号を発生する。   The counter 37 counts the number of circulations of the pulse signal in the pulse traveling circuit 36 from the number of inversions of the output level of the inverter 36b provided in the preceding stage of the NAND circuit 36a in the pulse traveling circuit 36, and obtains a binary digital value. appear. The latch circuit 39 latches the digital value output from the counter 37. The pulse selector 38 takes in the output of each inverting circuit (that is, the NAND circuit 36a and the inverter 36b) constituting the pulse traveling circuit 36, extracts a pulse signal that is circulating in the pulse traveling circuit 36 from the output level, A signal representing the position is generated.

エンコーダ40は、パルスセレクタ38からの出力信号に対応したデジタル値を発生する。信号処理回路41は、ラッチ回路39からのデジタル値を上位ビットとして、エンコーダ40からのデジタル値を下位ビットとして入力し、下位ビットのデータから上位ビットのデータを減じることによりパルス信号PA,PBの位相差を表す2進数のデジタル値を生成する。   The encoder 40 generates a digital value corresponding to the output signal from the pulse selector 38. The signal processing circuit 41 inputs the digital value from the latch circuit 39 as the upper bit and the digital value from the encoder 40 as the lower bit, and subtracts the upper bit data from the lower bit data to thereby generate the pulse signals PA and PB. A binary digital value representing a phase difference is generated.

ここで、上記のパルス信号PA,PBの位相差を表す2進数のデジタル値のうち、センサ信号Sfおよび基準電圧Vref1〜Vref3の各デジタル値を、それぞれDSf、DV1〜DV3とし、DSfおよびDV1〜DV3のいずれか2つの差を第1差分ΔD1とし、その第1差分を求めるデジタル値の組み合わせとは異なる2つのデジタル値の差を第2差分ΔD2とする。   Here, among the binary digital values representing the phase difference between the pulse signals PA and PB, the digital values of the sensor signal Sf and the reference voltages Vref1 to Vref3 are DSf and DV1 to DV3, respectively. A difference between any two of DV3 is defined as a first difference ΔD1, and a difference between two digital values different from a combination of digital values for obtaining the first difference is defined as a second difference ΔD2.

センサ信号Sfの電圧Vinと、そのデジタル値DSfとの関係が直線近似しているとすると、その直線は、次の式(1)で表すことができる。   Assuming that the relationship between the voltage Vin of the sensor signal Sf and the digital value DSf is a linear approximation, the straight line can be expressed by the following equation (1).

DSf=αVin+β ・・・(1)   DSf = αVin + β (1)

ただし、αはゲイン(傾き)であり、βはオフセット(切片)であり、共に定数である。したがって、同様にセンサ信号Sfおよび基準電圧Vref1〜Vref3のいずれか2つのデジタル値の差分を求めると、上記オフセットβが消去される。たとえば、第1差分ΔD1として、DV2からDV1を減算したものを求めると式(2)のようになり、第2差分ΔD2として、DSfからDV1を減算したものを求めると式(3)のようになる。   However, α is a gain (slope), β is an offset (intercept), and both are constants. Therefore, when the difference between any two digital values of the sensor signal Sf and the reference voltages Vref1 to Vref3 is obtained in the same manner, the offset β is deleted. For example, when the difference obtained by subtracting DV1 from DV2 is obtained as the first difference ΔD1, the result is as shown in Expression (2). Become.

ΔD1=DV2−DV1=α(Vref2−Vref1) ・・・(2)
ΔD2=DSf−DV1=α(Sf−Vref1) ・・・(3)
ΔD1 = DV2−DV1 = α (Vref2−Vref1) (2)
ΔD2 = DSf−DV1 = α (Sf−Vref1) (3)

そして、上記第1差分ΔD1と第2差分ΔD2との比Rを求めると、次の式(4)のようになる。   When the ratio R between the first difference ΔD1 and the second difference ΔD2 is obtained, the following equation (4) is obtained.

R=ΔD2/ΔD1=(Sf−Vref1)/(Vref2−Vref1) ・・(4) R = ΔD2 / ΔD1 = (Sf−Vref1) / (Vref2−Vref1) (4)

つまり、ゲインαも消去される。したがって、上記比Rを出力値とすれば、温度検出回路を必要とせず、周囲温度によって影響されない出力値を得ることができる。   That is, the gain α is also deleted. Therefore, if the ratio R is an output value, an output value that is not affected by the ambient temperature can be obtained without requiring a temperature detection circuit.

データ出力ラインL2は、信号処理回路41にて生成されたデジタル値を補正演算回路42へ出力する。補正演算回路42は、信号処理回路41から入力したデジタル値に対して、温度特性に起因するデジタル値のばらつきの補正(以下、温特補正という)、流量センサ10の個体差に起因するデジタル値のばらつきの補正(以下、個体差補正という)などの補正処理を行う。   The data output line L2 outputs the digital value generated by the signal processing circuit 41 to the correction arithmetic circuit 42. The correction calculation circuit 42 corrects a variation in digital value caused by temperature characteristics (hereinafter referred to as temperature characteristic correction) with respect to the digital value input from the signal processing circuit 41, and a digital value caused by individual differences in the flow rate sensor 10. Correction processing such as correction of variation (hereinafter referred to as individual difference correction).

EPROM43は、補正演算回路42が補正処理を行う際に用いるマップデータおよびコンピュータプログラムなどを書換え可能に格納している。なおラッチ回路39およびパルスセレクタ38は、制御回路34から出力されるパルス信号PBを受けて動作する。   The EPROM 43 stores rewritable map data and computer programs used when the correction calculation circuit 42 performs correction processing. Note that the latch circuit 39 and the pulse selector 38 operate in response to the pulse signal PB output from the control circuit 34.

[A/D変換回路35の動作]
図5は、A/D変換回路35における各信号のタイミングチャートである。パルス走行回路36内のNAND回路36aに対し、図5に示すようなパルス信号PAを与えると、NAND回路36aおよび各インバータ36bが電圧信号Vinに応じた速度で逐次的に反転動作を開始し、そのパルス信号PAの入力期間中は信号周回動作が継続して行われ、そのようなパルス信号周回数を示す2進数のデジタルデータが、カウンタ37に対しリアルタイムで与えられる。
[Operation of A / D Conversion Circuit 35]
FIG. 5 is a timing chart of each signal in the A / D conversion circuit 35. When a pulse signal PA as shown in FIG. 5 is given to the NAND circuit 36a in the pulse running circuit 36, the NAND circuit 36a and each inverter 36b sequentially start an inverting operation at a speed according to the voltage signal Vin, During the input period of the pulse signal PA, the signal circulation operation is continuously performed, and binary digital data indicating the number of pulse signal circulations is given to the counter 37 in real time.

この後、ラッチ回路39が、パルス信号PBの立ち上がり毎にカウンタ37のデジタルデータをラッチし(図5)、それを信号処理回路41へ出力される。また、パルスセレクタ38が、パルス走行回路36内でのパルス信号の周回位置を検出し、エンコーダ40がその周回位置に対応したデジタルデータを発生し、それを信号処理回路41へ出力する。   Thereafter, the latch circuit 39 latches the digital data of the counter 37 every time the pulse signal PB rises (FIG. 5), and outputs it to the signal processing circuit 41. Further, the pulse selector 38 detects the rotation position of the pulse signal in the pulse traveling circuit 36, and the encoder 40 generates digital data corresponding to the rotation position and outputs it to the signal processing circuit 41.

そして、信号処理回路41は、パルス信号PA,PBの位相差を表す2進数のデジタルデータを生成する。
また、A/D変換回路35には、電圧信号Vinとしてセンサ信号Sfおよび基準電圧Vref1〜Vref3が順次供給されるので、A/D変換回路35では、センサ信号Sfおよび基準電圧Vref1〜Vref3が、上述の各処理を経て、順次、デジタルデータに変換される。
Then, the signal processing circuit 41 generates binary digital data representing the phase difference between the pulse signals PA and PB.
Further, since the sensor signal Sf and the reference voltages Vref1 to Vref3 are sequentially supplied to the A / D conversion circuit 35 as the voltage signal Vin, in the A / D conversion circuit 35, the sensor signal Sf and the reference voltages Vref1 to Vref3 are Through the above processes, the data is sequentially converted into digital data.

補正演算回路42は、信号処理回路41から入力したデジタルデータに対して温特補正および個体差補正などを行う。なお、補正演算回路42は、処理速度が速いという理由から、DSP(Digital Signal Processor)により構成することができる。   The correction calculation circuit 42 performs temperature characteristic correction and individual difference correction on the digital data input from the signal processing circuit 41. The correction calculation circuit 42 can be configured by a DSP (Digital Signal Processor) because of its high processing speed.

[A/D変換特性の補正]
図6は、入力電圧Vinと、A/D変換回路35により変換された入力電圧Vinのデジタル値との関係を示す図である。同図において破線で示すように、入力電圧Vinと、そのデジタル値との関係は、非直線性(曲線状)のA/D変換特性を有する。
[A / D conversion characteristics correction]
FIG. 6 is a diagram illustrating the relationship between the input voltage Vin and the digital value of the input voltage Vin converted by the A / D conversion circuit 35. As indicated by a broken line in the figure, the relationship between the input voltage Vin and its digital value has non-linear (curved) A / D conversion characteristics.

そこで、非直線性誤差を補正してA/D変換の精度を高める。この実施形態では、上記のA/D変換特性に対して2次関数式を用いた補正(放物線補正ともいう)を行う。この補正の具体的な手法としては、本願出願人が本願よりも先に提案した手法(特許第3979358号公報)を用いる。   Therefore, the non-linearity error is corrected to increase the accuracy of A / D conversion. In this embodiment, correction using a quadratic function equation (also referred to as parabolic correction) is performed on the A / D conversion characteristics. As a specific method of this correction, a method (Japanese Patent No. 3979358) proposed by the applicant of the present application prior to the present application is used.

その手法では、基準電圧Vref1〜Vref3について実際にA/D変換回路35でA/D変換を行い、その結果に基づいて直線補正式を設定し、その直線補正式に基づいてセンサ信号Sfのデジタル値(A/D変換結果)の補正を行うようにしている。このため、温度変化などの環境変化によらず、その時々の温度変化に応じた適切な直線補正式によって高精度に直線補正することができる。
図6において実線で示す曲線が、2次関数式を用いて補正を行った結果を示す補正曲線である。
In this method, the A / D conversion circuit 35 actually performs A / D conversion on the reference voltages Vref1 to Vref3, sets a linear correction formula based on the result, and digitally calculates the sensor signal Sf based on the linear correction formula. The value (A / D conversion result) is corrected. For this reason, it is possible to perform linear correction with high accuracy by an appropriate linear correction formula corresponding to the temperature change at any time, regardless of environmental changes such as temperature changes.
A curve indicated by a solid line in FIG. 6 is a correction curve indicating a result of correction using a quadratic function equation.

図7は、電圧信号VinをA/D変換するときに上記の補正曲線を用いて補正を行った場合の誤差を示す図である。電圧信号Vinを約2.5〜3.5Vに変化させ、複数の測定ポイントを設けた。図中、実線は周囲温度が、−40℃のときの誤差を示し、破線は周囲温度が、140℃のときの誤差を示す。周囲温度が、−40℃のときの誤差は約2%未満であり、周囲温度が、140℃のときの誤差は、約−2%未満であった。
つまり、上記の手法を用いれば、電圧信号Vinを高精度でA/D変換することができる。
FIG. 7 is a diagram illustrating an error when correction is performed using the above correction curve when the voltage signal Vin is A / D converted. The voltage signal Vin was changed to about 2.5 to 3.5 V, and a plurality of measurement points were provided. In the figure, a solid line indicates an error when the ambient temperature is −40 ° C., and a broken line indicates an error when the ambient temperature is 140 ° C. The error when the ambient temperature was −40 ° C. was less than about 2%, and the error when the ambient temperature was 140 ° C. was less than about −2%.
That is, if the above method is used, the voltage signal Vin can be A / D converted with high accuracy.

[センサチップ20の温特補正]
センサチップ20の出力は、検出対象の流量が同じ場合でもセンサチップ20の温度によって変化する。そこで、前述した回路チップ30の温特補正に加えて、センサチップ20の出力を温特補正することにより、流量センサ10の検出精度をより一層高精度にする。
[Temperature correction of sensor chip 20]
The output of the sensor chip 20 varies depending on the temperature of the sensor chip 20 even when the detection target flow rate is the same. Therefore, in addition to the above-described temperature characteristic correction of the circuit chip 30, the detection accuracy of the flow sensor 10 is further increased by correcting the temperature characteristic of the output of the sensor chip 20.

図8は、図6に示した補正曲線に基づいて補正を行った補正値と流量との関係を示す図である。図中破線で示す曲線は、センサチップ20が基準温度(たとえば、20℃)のときの補正値および流量の関係を示す曲線である。図中T2で示す曲線は、センサチップ20の温度が基準温度よりも高い温度T2のときの補正値および流量の関係を示す曲線である。図中T1で示す曲線は、センサチップ20の温度が基準温度よりも低い温度T1のときの補正値および流量の関係を示す曲線である。   FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the correction value corrected based on the correction curve shown in FIG. 6 and the flow rate. A curve indicated by a broken line in the drawing is a curve indicating a relationship between a correction value and a flow rate when the sensor chip 20 is at a reference temperature (for example, 20 ° C.). A curve indicated by T2 in the figure is a curve showing the relationship between the correction value and the flow rate when the temperature of the sensor chip 20 is a temperature T2 higher than the reference temperature. A curve indicated by T1 in the figure is a curve showing the relationship between the correction value and the flow rate when the temperature of the sensor chip 20 is a temperature T1 lower than the reference temperature.

センサチップ20の温度が基準温度よりも高い場合および低い場合のいずれの場合における補正値も、基準温度のときの補正値となるように補正する。この補正の手法が、本願発明の特徴である。本願発明者が研究した結果、次の式(5)に示す1次関数を用いることにより、補正を行うことができることが分かった。   The correction value in each case where the temperature of the sensor chip 20 is higher or lower than the reference temperature is corrected so as to be the correction value at the reference temperature. This correction method is a feature of the present invention. As a result of studies by the present inventors, it has been found that correction can be performed by using a linear function represented by the following equation (5).

式(5)においてVは測定値(信号処理回路41の出力値)、Vaは測定値Vを補正した補正値(補正演算回路42の出力値)、Tは測定温度(実際の周囲温度)、T1は第1基準温度(固定)、T2は第2基準温度(固定)、VT1は第1基準温度における測定値(固定)、VT2は第2基準温度における測定値(固定)である。   In Expression (5), V is a measured value (output value of the signal processing circuit 41), Va is a corrected value (output value of the correction arithmetic circuit 42) obtained by correcting the measured value V, T is a measured temperature (actual ambient temperature), T1 is a first reference temperature (fixed), T2 is a second reference temperature (fixed), VT1 is a measured value (fixed) at the first reference temperature, and VT2 is a measured value (fixed) at the second reference temperature.

Va=V−(VT2−VT1)×(T−T1)/(T2−T1) ・・・(5)   Va = V- (VT2-VT1) * (T-T1) / (T2-T1) (5)

上記の式(5)において、(VT2−VT1)は、流量に比例する流量比例係数であり、(T−T1)/(T2−T1)は、温度に比例する温度比例係数である。
つまり、上記の式(5)に示す1次関数を用いてセンサチップ20の温特補正を行う。このとき、第1および第2基準温度は任意に選択することができる。
In the above formula (5), (VT2−VT1) is a flow rate proportional coefficient proportional to the flow rate, and (T−T1) / (T2−T1) is a temperature proportional coefficient proportional to the temperature.
That is, the temperature characteristic correction of the sensor chip 20 is performed using the linear function shown in the above equation (5). At this time, the first and second reference temperatures can be arbitrarily selected.

たとえば、第1基準温度を20℃とし、第2基準温度を90℃とすることができる。この場合、所定の流量に対して20℃のときの測定値を第1基準温度における測定値VT1とし、90℃のときの測定値を第2基準温度における測定値VT2とする。
この場合、温度比例係数は、(T−T1)/(T2−T1)=(25−20)/(90−20)=5/70になる。
For example, the first reference temperature can be 20 ° C. and the second reference temperature can be 90 ° C. In this case, the measured value at 20 ° C. for the predetermined flow rate is the measured value VT1 at the first reference temperature, and the measured value at 90 ° C. is the measured value VT2 at the second reference temperature.
In this case, the temperature proportionality coefficient is (T−T1) / (T2−T1) = (25−20) / (90−20) = 5/70.

図9および図10は、流量センサ10の検出誤差を示す図である。流量センサ10の周囲温度が、−30℃、−20℃、0℃、20℃、50℃、80℃、100℃の各周囲温度のときの流量センサ10の出力値を前述の式(5)に基づいて算出し、その値と、実際の流量との誤差を計算した。第1基準温度T1は20℃、第2基準温度T2は100℃であり、流量の測定ポイントは、各周囲温度毎に10個である。流量の範囲は、0〜250[g/s]である。また、図9は、A/D変換回路35の出力が、+2%変動したときの検出誤差を示し、図10は、A/D変換回路35の出力が、−2%変動したときの検出誤差を示す。   9 and 10 are diagrams illustrating detection errors of the flow sensor 10. The output value of the flow sensor 10 when the ambient temperature of the flow sensor 10 is −30 ° C., −20 ° C., 0 ° C., 20 ° C., 50 ° C., 80 ° C., and 100 ° C. is expressed by the above equation (5). And the error between the value and the actual flow rate was calculated. The first reference temperature T1 is 20 ° C., the second reference temperature T2 is 100 ° C., and the number of flow rate measurement points is 10 for each ambient temperature. The range of the flow rate is 0 to 250 [g / s]. 9 shows the detection error when the output of the A / D conversion circuit 35 fluctuates by + 2%, and FIG. 10 shows the detection error when the output of the A / D conversion circuit 35 fluctuates by −2%. Indicates.

図9および図10に示すように、流量センサ10の誤差は、A/D変換回路35の出力が±2%変動し、かつ、温度が、−30〜100℃に変化した場合であっても、0.6%未満であることが分かる。
つまり、回路チップ30においてA/D変換特性の補正および温度特性の補正を行い、さらに、センサチップ20の温度特性の補正を行うことにより、流量の検出精度をより一層高精度にすることができる。
As shown in FIGS. 9 and 10, the error of the flow sensor 10 is caused even when the output of the A / D conversion circuit 35 fluctuates ± 2% and the temperature changes to −30 to 100 ° C. It can be seen that it is less than 0.6%.
In other words, by correcting the A / D conversion characteristics and the temperature characteristics in the circuit chip 30 and further correcting the temperature characteristics of the sensor chip 20, the flow rate detection accuracy can be further improved. .

以上のように、1次関数を用いてセンサチップ20の温特補正を行うことができるため、従来の高次元の関数を用いるものよりも演算が簡易になるので、補正を行うための処理時間を短縮することができる。   As described above, since the temperature characteristic correction of the sensor chip 20 can be performed using a linear function, the calculation is simpler than the conventional one using a high-dimensional function, so the processing time for performing the correction Can be shortened.

しかも、上記の1次関数を用いて補正のためのマップデータを作成するため、流量の測定ポイントが各温度毎に10個と少なくて済み、従来の高次元の関数を用いて補正を行う場合のマップデータよりもデータ量を大幅に削減することができる。
したがって、マップデータを格納するためのメモリ領域を大幅に削減することができるため、流量センサ10を小型化することができる。
なお、従来の高次元の関数を用いて補正を行う手法により、この実施形態の手法と同じ精度の補正を行おうとすると、各温度毎に少なくとも100個の測定ポイントが必要であり、マップデータが膨大になる。
In addition, since map data for correction is created using the above linear function, the flow rate measurement point is reduced to 10 for each temperature, and correction is performed using a conventional high-dimensional function. The amount of data can be greatly reduced compared to the map data.
Therefore, since the memory area for storing the map data can be greatly reduced, the flow sensor 10 can be reduced in size.
Note that if correction using the conventional high-dimensional function is performed with the same accuracy as the method of this embodiment, at least 100 measurement points are required for each temperature, and the map data is Become enormous.

[個体差補正]
流量センサ10には、個体差が存在するため、各流量センサ間には、出力特性間にオフセットが存在する。そこで、基準となる流量センサ(マスターセンサ)を決定しておき、その流量センサの出力特性と他の流量センサの出力特性とのオフセット量を調整する。
[Individual difference correction]
Since there are individual differences in the flow sensor 10, there is an offset between the output characteristics between the flow sensors. Therefore, a reference flow sensor (master sensor) is determined, and the offset amount between the output characteristics of the flow sensor and the output characteristics of other flow sensors is adjusted.

[補正の手順]
図11は、補正の手順を示す工程図である。回路チップ30を補正した後に(工程1〜3)、センサチップ20を補正する(工程4〜6)。まず、周囲温度を基準温度(たとえば、20℃)に設定し、流量を変化させて複数の測定ポイント(たとえば、10個の測定ポイント)におけるデータ出力ラインL2からのデジタル値をメモリに格納する(工程1)。この測定を複数回実行し、その平均値を算出する(工程2)。
[Correction procedure]
FIG. 11 is a process diagram showing a correction procedure. After correcting the circuit chip 30 (steps 1 to 3), the sensor chip 20 is corrected (steps 4 to 6). First, the ambient temperature is set to a reference temperature (for example, 20 ° C.), the flow rate is changed, and digital values from the data output line L2 at a plurality of measurement points (for example, 10 measurement points) are stored in the memory ( Step 1). This measurement is performed a plurality of times, and the average value is calculated (step 2).

次に、工程2において求めた平均値と電圧信号Vinとの関係を求め、それを放物線補正する(工程3)。次に、工程3において放物線補正されたデータに対して、前述の1次関数を用いた補正を行い、センサチップ20の温特補正を行う(工程4)。次に、基準となる流量センサの出力特性とのオフセットを補正し、センサチップ20の固体差補正を行う(工程5)。   Next, the relationship between the average value obtained in step 2 and the voltage signal Vin is obtained, and the parabola is corrected (step 3). Next, the data subjected to the parabola correction in the step 3 is corrected using the above-described linear function, and the temperature characteristic correction of the sensor chip 20 is performed (step 4). Next, the offset with respect to the output characteristic of the reference flow rate sensor is corrected, and the solid difference of the sensor chip 20 is corrected (step 5).

そして、A/D変換回路35とECUとを接続するためのオフセットおよびゲインなどの出力調整を行う(工程6)。これは、車両によってECUの入力レンジが異なるためである。また、上記の工程1〜6を実行することにより補正および出力調整が行われた、電圧信号Vinおよび出力値の関係は、マップデータ化され、EPROM43に格納される。   Then, output adjustment such as offset and gain for connecting the A / D conversion circuit 35 and the ECU is performed (step 6). This is because the input range of the ECU differs depending on the vehicle. Further, the relationship between the voltage signal Vin and the output value, which have been corrected and adjusted by executing the above steps 1 to 6, is converted into map data and stored in the EPROM 43.

なお、実際に車両に取付けられた流量センサ10は、電圧信号Vinに対してEPROM43に格納されたマップデータを参照して出力値を選択し、それをECUへ出力する。そして、ECUは、流量センサ10から入力した上記出力値に基づいて内燃機関に吸入する空気量を制御する。   The flow sensor 10 actually attached to the vehicle selects an output value with reference to the map data stored in the EPROM 43 for the voltage signal Vin, and outputs it to the ECU. The ECU controls the amount of air taken into the internal combustion engine based on the output value input from the flow sensor 10.

<他の実施形態>
(1)前述の実施形態では、式(5)における温度比例係数(T−T1)/(T2−T1)の(T2−T1)が、第1基準温度T1および第2基準温度T2の差の絶対値であったが、任意の定数Aに置換えることもできる。この式を用いて流量の検出値を補正した場合も前述の実施形態と同じ効果を奏することができる。
<Other embodiments>
(1) In the above-described embodiment, (T2−T1) of the temperature proportionality coefficient (T−T1) / (T2−T1) in the equation (5) is the difference between the first reference temperature T1 and the second reference temperature T2. Although it was an absolute value, it can be replaced with an arbitrary constant A. Even when the flow rate detection value is corrected using this equation, the same effects as those of the above-described embodiment can be obtained.

(2)前述の実施形態では、この発明に係る流量センサとして、内燃機関に取り込まれる空気量を検出するものを説明したが、この発明は、半導体の製造工程で用いるガスの流量を検出する流量センサにも適用することができる。 (2) In the above-described embodiment, the flow sensor according to the present invention has been described as detecting the amount of air taken into the internal combustion engine. However, the present invention is a flow rate for detecting the flow rate of a gas used in a semiconductor manufacturing process. It can also be applied to sensors.

<参考例>
(1)測定値をV、測定値Vを補正した補正値をVa、20℃のときの測定値をVbとした場合に、Va=V−Vbという式を用いて補正値Vaを求めることもできる。この場合も従来の高次元の関数を用いるものよりも演算が簡易になるので、補正を行うための処理時間を短縮することができる。
<Reference example>
(1) When the measurement value is V, the correction value obtained by correcting the measurement value V is Va, and the measurement value at 20 ° C. is Vb, the correction value Va may be obtained using the equation Va = V−Vb. it can. Also in this case, since the calculation is simpler than that using a conventional high-dimensional function, the processing time for performing correction can be shortened.

(2)また、Va=(V−Vb)/Vbという式を用いて補正値Vaを求めることもできる。この場合も従来の高次元の関数を用いるものよりも演算が簡易になるので、補正を行うための処理時間を短縮することができる。 (2) The correction value Va can also be obtained using the equation Va = (V−Vb) / Vb. Also in this case, since the calculation is simpler than that using a conventional high-dimensional function, the processing time for performing correction can be shortened.

(3)さらに、80℃のときの測定値をVeとした場合に、Va=(V−Vb)/(Ve−Vb)という式を用いて補正値Vaを求めることもできる。この場合も従来の高次元の関数を用いるものよりも演算が簡易になるので、補正を行うための処理時間を短縮することができる。 (3) Furthermore, when the measured value at 80 ° C. is Ve, the correction value Va can be obtained using the equation Va = (V−Vb) / (Ve−Vb). Also in this case, since the calculation is simpler than that using a conventional high-dimensional function, the processing time for performing correction can be shortened.

10・・流量センサ、20・・センサチップ、21,22・・発熱抵抗体、
23,24・・測温抵抗体、26・・メンブレン、27・・センシング部、
28・・半導体基板、30・・回路チップ、32・・基準電圧信号発生回路、
35・・A/D変換回路、36・・パルス走行回路、42・・補正演算回路。
10 .... Flow sensor, 20 .... Sensor chip, 21,22 ... Heating resistor,
23, 24 ... Resistance temperature detector, 26 ... Membrane, 27 ... Sensing part,
28..Semiconductor substrate, 30..Circuit chip, 32..Reference voltage signal generation circuit,
35..A / D conversion circuit, 36..Pulse travel circuit, 42..Correction arithmetic circuit.

Claims (5)

気体の流量を検出するセンサ部と、
前記センサ部から出力されるアナログの電圧信号をデジタル値に変換する変換部と、を備える流量センサにおいて、
前記変換部から出力されるデジタルの出力値をV、周囲温度をT、定数をA、前記周囲温度が第1基準温度のときの前記出力値と、前記周囲温度が前記第1基準温度と異なる第2基準温度のときの前記出力値との差の絶対値をB、前記周囲温度と前記第1基準温度との差の絶対値をC、前記出力値を前記周囲温度に起因する誤差に応じて補正した値をVaとした場合に、
Va=V−(B×C/A)
を演算する補正回路を備えることを特徴とする流量センサ。
A sensor unit for detecting the flow rate of gas;
In a flow sensor comprising a conversion unit that converts an analog voltage signal output from the sensor unit into a digital value,
The digital output value output from the conversion unit is V, the ambient temperature is T, the constant is A, the output value when the ambient temperature is the first reference temperature, and the ambient temperature is different from the first reference temperature. The absolute value of the difference from the output value at the second reference temperature is B, the absolute value of the difference between the ambient temperature and the first reference temperature is C, and the output value is in accordance with an error caused by the ambient temperature. When the corrected value is Va,
Va = V− (B × C / A)
A flow sensor comprising a correction circuit for calculating
前記定数Aは、前記第1および第2基準温度の差の絶対値であることを特徴とする請求項1に記載の流量センサ。   The flow rate sensor according to claim 1, wherein the constant A is an absolute value of a difference between the first and second reference temperatures. 前記変換部は、
前記アナログの電圧信号を、2進数のデジタル値に変換するA/D変換回路であって、入力信号を反転して出力すると共に反転動作時間が電源電圧により変化する反転回路が複数個連結されると共に、前記反転回路の一つが反転動作を外部から制御可能な起動用反転回路として構成されており、前記起動用反転回路の動作開始に伴いパルス信号を走行させるパルス走行回路と、
前記パルス走行回路内の各反転回路の電源ラインに接続され、前記電圧信号を各反転回路の電源電圧として印加する電圧信号入力端子と、
相互に電圧の異なる複数の基準電圧信号を発生する基準電圧信号発生回路と、
前記電圧信号入力端子に、A/D変換用の電圧信号と、前記基準電圧信号発生回路が発生した複数の基準電圧信号とを切り換えて入力する入力電圧切換手段と、
前記各反転回路からの出力信号に基づき前記パルス走行回路内での前記パルス信号の走行位置を検出し、その走行位置に応じたデータを発生する走行位置検出手段と、
前記起動用反転回路を動作させて前記パルス走行回路の走行動作を開始させ、その後所定時間経過した時点で上記走行位置検出手段を動作させる制御手段と、
前記走行位置検出手段からのデータを含むデジタルデータをA/D変換結果として出力するデータ出力ラインと、
前記データ出力ラインから出力される前記A/D変換用の電圧信号および複数の基準電圧信号の各デジタルデータのうち、いずれか2つのデジタルデータの差である第1差分と、その第1差分を求めるデジタルデータの組み合わせとは異なる2つのデジタルデータの差である第2差分との比に基づいて、前記流量に対応したデジタル値を算出する信号処理回路と、
を備えることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の流量センサ。
The converter is
An A / D conversion circuit for converting the analog voltage signal into a binary digital value, wherein a plurality of inverting circuits that invert the input signal and output the inverting operation time depending on the power supply voltage are connected. In addition, one of the inverting circuits is configured as a starting inverting circuit that can control the inverting operation from the outside, and a pulse traveling circuit that travels a pulse signal when the starting inverting circuit starts operating,
A voltage signal input terminal connected to a power supply line of each inverting circuit in the pulse traveling circuit and applying the voltage signal as a power supply voltage of each inverting circuit;
A reference voltage signal generating circuit for generating a plurality of reference voltage signals having different voltages from each other;
Input voltage switching means for switching and inputting a voltage signal for A / D conversion and a plurality of reference voltage signals generated by the reference voltage signal generation circuit to the voltage signal input terminal;
Travel position detection means for detecting a travel position of the pulse signal in the pulse travel circuit based on an output signal from each inverting circuit and generating data corresponding to the travel position;
Control means for operating the starting inversion circuit to start the running operation of the pulse running circuit, and then operating the running position detecting means when a predetermined time has elapsed;
A data output line for outputting digital data including data from the running position detecting means as an A / D conversion result;
A first difference that is a difference between any two of the digital data of the A / D conversion voltage signal and the plurality of reference voltage signals output from the data output line, and the first difference. A signal processing circuit that calculates a digital value corresponding to the flow rate based on a ratio of a second difference that is a difference between two digital data different from a combination of digital data to be obtained;
The flow sensor according to claim 1, further comprising:
気体の流量を検出するセンサ部と、前記センサ部から出力されるアナログの電圧信号をデジタル値に変換する変換部と、を備える流量センサのデジタルの出力値を周囲温度に起因する誤差に応じて補正する流量補正方法において、
前記出力値をV、周囲温度をT、定数をA、前記周囲温度が第1基準温度のときの前記出力値と、前記周囲温度が前記第1基準温度と異なる第2基準温度のときの前記出力値との差の絶対値をB、前記周囲温度と前記第1基準温度との差の絶対値をC、前記出力値を前記周囲温度に起因する誤差に応じて補正した値をVaとした場合に、
Va=V−(B×C/A)
を演算することを特徴とする流量補正方法。
According to an error caused by the ambient temperature, the digital output value of the flow sensor includes a sensor unit that detects a gas flow rate and a conversion unit that converts an analog voltage signal output from the sensor unit into a digital value. In the flow correction method to correct,
The output value is V, the ambient temperature is T, the constant is A, the output value when the ambient temperature is the first reference temperature, and the ambient temperature is the second reference temperature different from the first reference temperature. The absolute value of the difference from the output value is B, the absolute value of the difference between the ambient temperature and the first reference temperature is C, and the output value is corrected according to the error caused by the ambient temperature, Va. In case,
Va = V− (B × C / A)
A flow rate correction method characterized by calculating
前記定数Aは、前記第1および第2基準温度の差の絶対値であることを特徴とする請求項4に記載の流量補正方法。   The flow rate correction method according to claim 4, wherein the constant A is an absolute value of a difference between the first and second reference temperatures.
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