JP2010281758A

JP2010281758A - 熱式空気流量計

Info

Publication number: JP2010281758A
Application number: JP2009136807A
Authority: JP
Inventors: Ryosuke Doi; 良介土井; Noriyuki Sakuma; 憲之佐久間
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2009-06-08
Filing date: 2009-06-08
Publication date: 2010-12-16

Abstract

【課題】抵抗温度係数が２０００［ppm／℃］を超える値の材料を用いて薄膜抵抗体を形成する場合においても、周囲温度の変化に対する発熱抵抗体の過温度の変化量を軽減させ、周囲温度の変化によらず高精度な空気流量を計測する熱式空気流量計を提供する。
【解決手段】薄膜抵抗体から構成されるブリッジ回路を有する熱式空気流量計において、ブリッジ回路を構成する薄膜抵抗体を、少なくとも２種類以上の異なる膜厚の薄膜抵抗体５１ａ，５１ｂ，５２ａ，５２ｂ，５３，５４，５５と６０とで構成する。
【選択図】図５

Description

本発明は、発熱抵抗体式空気流量計（エアフローセンサ）に関するものである。

従来、自動車などの内燃機関の吸入空気通路に設けられ、吸入空気量を測定する空気流量計として、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。最近では特に半導体マイクロマシニング技術により製造された空気流量計が高速応答性を有することや、その応答性の速さを利用して逆流検出も可能であ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空気流量センサの技術は、例えば特許文献１に開示されている。従来、上流側測温抵抗体と下流側測温抵抗体との間に配置された発熱抵抗体に電流を流して発熱させ、上流側測温抵抗体と下流側測温抵抗体との出力信号の差により流量信号を得る構成が用いられている。

特許文献１に記載の技術では、熱式空気流量計の特性曲線の温度依存性を一層良好に補正するために、発熱抵抗体の過温度、即ち被計測媒体の温度に対する温度差を前記被計測媒体の熱伝導，熱容量および粘性の温度依存性の影響を考慮して、被計測媒体の温度が上昇するに従って過温度が高くなるように調整する構成としている。

しかし、上記従来例では、上記過温度の周囲（環境）温度依存性に関して十分に考慮されていないため、熱式空気流量計の特性曲線の温度依存性が不十分なものとなっている。

特開平６−１６０１４２号公報

解決しようとする問題点は、熱式空気流量センサにおいて、周囲温度によって空気流量計の感度が変化してしまい、計測流量に誤差が生じてしまう点である。

以下に上記の問題点について説明する。

熱式空気流量計において、ある特定の周囲温度（Ｔａ１）に対し、発熱抵抗体の温度（Ｔｈ）が上記の周囲温度（Ｔａ１）からある一定温度分だけ上昇した過温度（ΔＴｈ）になるような駆動回路を有していることが一般的であるが、上記の周囲温度（Ｔａ１）が、Ｔａ１と異なる周囲温度（Ｔａｘ）に変わったときに、上記のΔＴｈが周囲温度の関数として変化してしまい、その結果周囲温度によって空気流量計の信号（感度）が変化してしまい、計測流量に誤差が生じてしまう。

ここで、上記に挙げた３つの温度Ｔａ１，Ｔｈ，ΔＴｈの関係をまとめると以下のように表すことができる。

ΔＴｈ＝Ｔｈ−Ｔａ１

従来例による熱式空気流量計の一実施形態の回路図を示す図１において、フィードバック回路の各薄膜抵抗体が、白金（Ｐｔ）やモリブデン（Ｍｏ），タンタル（Ｔａ），シリコン（Ｓｉ）のように抵抗温度係数（ＴＣＲ）の一次項が１０００［ppm／℃］を超えるような材料で形成されている場合を例にあげる。

上記の例に対し、周囲温度Ｔａ１＝２５℃で発熱抵抗体温度Ｔｈ＝２２５℃程度（ΔＴｈ＝２００℃程度）となるように駆動する回路において、各抵抗体のＴＣＲの一次係数（α）が３０００［ppm／℃］程度であり、２次係数（β）が１［ppm／(℃)²］程度であるとする。

上記の条件において、周囲温度は−４０℃から１３０℃の範囲内で変化する場合を考える。

上記の条件で駆動した場合のΔＴｈと周囲温度の関係を図２に示す。

図２に示すようにΔＴｈの変化は約８０℃程度になる。

ここで上記の周囲温度の範囲を−４０℃から１３０℃までとしているのは、上記の範囲が車載部品として使用される環境を考慮した場合の一般的な温度範囲であることに起因している。

以下に発熱抵抗体の温度が周囲温度によって変化する原理について説明する。

図１の４つの抵抗体１０〜１３とオペアンプ２０から構成されるフィードバックにおいて、各薄膜抵抗体の膜厚が全て同じ膜厚で形成されており、抵抗温度係数が同じ値である場合、各抵抗体１０〜１３の抵抗値は一般的に以下の式で表される。

Ｒｈ＝Ｒｈ０×（１＋αＴａ＋β(Ｔａ)²）

ここで、Ｒｈ０は周囲温度（Ｔａ）が０℃の時の抵抗値である。

上記の回路において、抵抗体１０のみが熱容量が小さく温度が大きく上昇するとする。

上記の条件に加えて、ある周囲温度（Ｔａ＝２５℃）時に抵抗体１０は２００℃上昇する（ΔＴｈ＝２００℃）よう各抵抗体１０〜１３の抵抗値が設計されているものとする。

上記の条件に加えて、各抵抗体１０〜１３の抵抗温度係数の一次係数（α）と二次係数（β）はそれぞれ全て共通とし、β＝０とする。

上記の条件において、ΔＴｈの周囲温度依存性をαの値別に示した結果が図３になる。

図３からわかるように、各抵抗体のβを０とした場合、ΔＴｈと周囲温度の関係は線形関係であり、αの値が０に近いほど、周囲温度の変化に対してΔＴｈの変化量は小さい。また、αの値が大きくなるにつれて、直線の傾きが回転し、その結果、ΔＴｈの変化量が大きくなる。

補足として説明すると、図３の結果からαが０に限りなく近い材料で抵抗体を形成すれば、ΔＴｈの周囲温度依存性はなく一定となるが、本特許で考えている熱式流量計においては、測温抵抗体の温度変化に対する抵抗値の変化を利用して流量を検出する場合は、αはある程度の値を持っていないと原理的に使用できない。

次にβが０でない場合を順に説明する。

熱式空気流量計の薄膜抵抗体に用いられる金属材料において、βはある値を持ち、その値は−３〜３［ppm／(℃)²］の範囲内であるのが一般的である。

図４に各抵抗体１０〜１３の抵抗温度係数（ＴＣＲ）がα＝１０００，２０００，３０００［ppm／℃］、β＝０.８［ppm／(℃)²］である場合のΔＴｈと周囲温度（Ｔａ）の関係を示す。ただし、図３で記載した条件のうち、β＝０以外の全ての条件を引き継ぐものとする。

ここで、上記の各薄膜抵抗膜のＴＣＲが全て同じということは、ウエハ上にある程度膜厚が均一に形成された後、エッチングなどのプロセスで抵抗体が形成される場合に相当する。

図４よりβの値がある値を持つと、ΔＴｈと周囲温度の関係は二次関数の関係となり、関係に曲がりが発生する。

したがって、上記のβ＝０の線形関係の場合と比較して、ΔＴｈの変化量はαとβの値の関係によって増加する場合もあれば、減少する場合もある。

しかし、図４の条件のようにα＝２０００［ppm／℃］を超える場合では、βがある値を持ったとしても、ΔＴｈは大きく変化してしまう。

本発明の目的は、上記の課題に対し、抵抗温度係数が２０００［ppm／℃］を超える値の材料を用いて薄膜抵抗体を形成する場合においても、周囲温度の変化に対するΔＴｈの変化量を軽減させ、周囲温度の変化によらず高精度な空気流量を計測することができる熱式空気流量計を提供することである。

上記目的は、薄膜抵抗体から構成されるブリッジ回路を有する熱式空気流量計において、ブリッジ回路が少なくとも２種類以上の異なる膜厚の薄膜抵抗体で構成されることにより達成することができる。

本発明によれば、薄膜抵抗体から構成されるブリッジ回路を有する熱式空気流量計において、ブリッジ回路が少なくとも２種類以上の異なる膜厚の薄膜抵抗体で構成されることにより、周囲温度の変化に対するΔＴｈの変化量を軽減させ、周囲温度の変化によらず高精度な空気流量を計測することができる。

従来例による熱式流量計の１実施形態における回路図である。従来例による熱式流量計のΔＴｈ−周囲温度の説明図である。従来例による熱式流量計のΔＴｈ−周囲温度の説明図である。従来例による熱式流量計のΔＴｈ−周囲温度の説明図である。本発明による熱式流量計の１実施形態における回路図である。ＴＣＲの膜厚依存性の図である。本発明による熱式流量計のΔＴｈ−周囲温度の図である。

以下、本発明に係る実施例を説明する。

図５に本発明の一実施形態における熱式流量計の回路図を示す。

図５の駆動回路について簡易に説明する。

図５の抵抗体６０を含むブリッジ回路の中間電位を一定に保つようオペアンプ７０が駆動する。ここで、図５の破線で囲まれる抵抗体５１ａ，５１ｂ，５２ａ，５２ｂ，５３は熱式流量計ではダイアフラム上に形成されており、発熱抵抗体５３の熱伝導によって隣接抵抗体５１ａ，５１ｂ，５２ａ，５２ｂは加熱される。したがって抵抗体５３は、ある一定温度になるように発熱する。ここで抵抗体５３の発熱温度（Ｔｈ）は
Ｔｈ＝ΔＴｈ＋周囲温度（Ｔａ）
で定義される。発熱抵抗体５３の上流側に測温抵抗体５１ａ，５２ｂが、発熱抵抗体５３の下流側に測温抵抗体５１ｂ，５２ａがダイアフラム上に配置されている。測温抵抗体５１ａ，５１ｂ，５２ａ，５２ｂは発熱抵抗体５３からの伝熱によって加熱される。

ダイアフラム上部に空気が流れる場合、上流測温抵抗体５１ａ，５２ｂの温度変化と下流測温抵抗体５１ｂ，５２ａの温度変化に差が生じ、その結果、出力端子４０，４１から、空気流量に依存した電圧が出力される。

ここで、本発明の１実施形態における薄膜抵抗体５１ａ，５１ｂ，５２ａ，５２ｂ，５３，５４，５５，６０の材料はバルク状態での抵抗温度係数（ＴＣＲ）の一次係数（α）が３０００［ppm／℃］程度である物質とする。

図６に薄膜抵抗体の膜厚とＴＣＲの関係を示す。ある膜厚よりも薄くなるとＴＣＲが低下することは一般的である。ここで抵抗体５１ａ，５１ｂ，５２ａ，５２ｂ，５３，５４，５５の膜厚は、抵抗温度係数（ＴＣＲ）の一次係数（α）が３０００［ppm／℃］程度になるような膜厚に設定する。また抵抗体６０の抵抗体の膜厚は、抵抗温度係数（ＴＣＲ）の一次係数（α）が２０００［ppm／℃］程度になるような膜厚に設定する。また上記の条件で形成された抵抗体５１ａ，５１ｂ，５２ａ，５２ｂ，５３，５４，５５および、抵抗体６０の抵抗温度係数（ＴＣＲ）の二次係数（β）はともに０.８［ppm／(℃)²］とする。

上記の条件において、図５に示す回路で駆動させたときの抵抗体５３のΔＴｈと周囲温度（Ｔａ）の関係を図７に示す。図７より、Ｔａが−４０℃から１３０℃の範囲で変化した場合のΔＴｈの変化量は、ブリッジ回路を構成する薄膜抵抗体のうち１つ以上の薄膜抵抗体膜厚を任意に変えることによって大幅に抑えることができる。

上記の説明では薄膜抵抗体６０の膜厚を変えているが、薄膜抵抗体５５あるいは、薄膜抵抗体５４の膜厚を変えた場合においても同様の効果が期待できる。

ここで本発明の有効性の補足として以下の説明を加える。

温度特性を良好にする手段の一つとして、上記ΔＴｈの変化量を予め見積もっておき、その結果を用いて熱式流量計内に搭載されている補正ＬＳＩ回路などで、ＡＤ／ＤＡ変換補正をかけて出力する方式が考えられる。

しかし、熱式流量センサ部は半導体プロセスによって形成されるため、回路を構成する抵抗値などがばらつく可能性があり、一様の補正方式では量産される製品全ての変化量を全く同じように補正することは難しい（個別に調整する場合だとコストおよび時間が増加してしまう）。したがって、製品に一律に補正をかけても補正した出力にはばらつきが出てしまうため、そのバラツキ量は補正前の値が周囲温度などによって変化する量が小さければ小さいほど良いことは明らかである。

１０薄膜発熱抵抗体
１１，１２，１３薄膜抵抗体
２０オペアンプ
４０，４１空気流量信号電圧
５１ａ，５１ｂ，５２ａ，５２ｂ，５３，５４，５５薄膜抵抗体（膜厚１５０ｎｍ）
６０薄膜抵抗体（膜厚４０ｎｍ）
７０オペアンプ
８０トランジスタ
９１，９２，９３電源

Claims

薄膜抵抗体から構成されるブリッジ回路を有する熱式空気流量計において、前記ブリッジ回路が少なくとも２種類以上の異なる膜厚の薄膜抵抗体で構成されていることを特徴とする熱式空気流量計。
請求項１に記載の熱式空気流量計において、ブリッジ回路を構成する薄膜抵抗体が同一膜材料で形成されることを特徴とする熱式空気流量計。
請求項１に記載の熱式空気流量計において、発熱抵抗体は、抵抗温度係数（ＴＣＲ）の一次係数が２０００［ppm／℃］以上の材料で形成されていることを特徴とする熱式空気流量計。
請求項１に記載の熱式空気流量計において、薄膜抵抗体が白金（Ｐｔ）やモリブデン（Ｍｏ），タンタル（Ｔａ），シリコン（Ｓｉ）のいずれかを含む金属材料で形成されていることを特徴とする熱式空気流量計。
請求項１に記載の熱式空気流量計において、薄膜抵抗体と、前記薄膜抵抗体の順流側に配置される上流温度センサと、前記薄膜抵抗体の逆流側に配置される下流温度センサとを有し、前記上流温度センサと前記下流温度センサに電圧を印加して、前記上流温度センサと前記下流温度センサにより発生する電位差を用いて流量を検出することを特徴とする熱式空気流量計。
請求項１に記載の熱式空気流量計において、少なくとも１つ以上の抵抗体の温度を一定に駆動させるためのフィードバック回路を有しており、前記フィードバック回路が少なくとも４つ以上の抵抗体で構成されることを特徴とする熱式空気流量計。