JP2012078324A - 流量計測装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 ブリッジ回路(X)の第1直列回路の中点電位を取り出すための第1配線31を、第1中間接続部33からセンサチップ3上で分岐させている。また、ブリッジ回路(X)の第2直列回路の中点電位を取り出すための第2配線34を、第2中間接続部36からセンサチップ3上で分岐させている。そして、第1直列回路の中点電位の取り出し位置を、2つの温度センサ抵抗体6、7の中間地点に設け、且つヒータ抵抗体5の中心線上に第1中間接続部33を設けている。また、第2直列回路の中点電位の取り出し位置を、2つの温度センサ抵抗体8、9の中間地点に設け、且つヒータ抵抗体5の中心線上に第2中間接続部36を設けている。
【選択図】 図2
Description
従来より、温度により抵抗値が変化する発熱抵抗体および感温抵抗体を用いて空気の流量を検出する熱式空気流量計を備えた流量計測装置(例えば、特許文献1及び2参照)が公知である。
熱式空気流量計は、シリコン基板上にメンブレン(薄肉部)および電極パッド群が形成されたセンサチップと、加熱電流を供給すると発熱するヒータ抵抗体(発熱抵抗体)と、ヒータ抵抗体よりも空気流方向の上流側に配置される2つの上流側温度センサ抵抗体(上流側感温抵抗体)と、ヒータ抵抗体よりも空気流方向の下流側に配置される2つの下流側温度センサ抵抗体(下流側感温抵抗体)と、周囲の温度(吸気温度)を検出する吸気温度センサ抵抗体とを備えている。
ここで、センサチップのメンブレンは、センサチップの他の場所と比べて膜厚が薄く形成されているので、熱容量が小さいため、流量変化に対して高速な熱応答を得ることができる。
また、上流側温度センサ抵抗体と下流側温度センサ抵抗体との第1接続部、および下流側温度センサ抵抗体と上流側温度センサ抵抗体との第2接続部は、センサチップ以外の場所、例えば回路チップ上の配線に設けられている。つまりブリッジ回路の中点電位差を取り出すための配線を、回路チップ上の第1、第2接続部から分岐させている。
また、ヒータ抵抗体と第3抵抗体との第3接続部、および吸気温度センサ抵抗体と第4抵抗体との第4接続部は、センサチップ以外の場所、例えば回路チップ上の配線に設けられている。つまりブリッジ回路の中点電位差を取り出すための配線を、回路チップ上の第3、第4接続部から分岐させている。
ところが、特許文献1及び2に記載の流量計測装置においては、各温度センサ抵抗体からブリッジ回路の中点電位差を取り出すための配線までの抵抗配線(センサチップ上の電極パッド、回路チップ上の電極パッド、ボンディングワイヤ、回路チップ上の接続配線)が非常に長く、ブリッジ回路に余分な配線抵抗がのるため、空気流量の検出感度が落ちるという問題がある。
また、同様に、ヒータ抵抗体や吸気温度センサ抵抗体からブリッジ回路の中点電位差を取り出すための配線までの抵抗配線(センサチップ上の電極パッド、回路チップ上の電極パッド、ボンディングワイヤ、回路チップ上の接続配線)が非常に長く、ブリッジ回路に余分な配線抵抗がのるため、ヒータ抵抗体の発熱温度(ヒータ温度)の制御感度が落ちるという問題がある。
ここで、空気流量の検出感度を向上させるという目的で、ヒータ抵抗体の温度を現状のものよりも上昇させることが考えられるが、ヒータ抵抗体を流れる加熱電流が増加するので、電流消費量の増加を招くという問題が生じる。また、ヒータ抵抗体の温度が低いものよりもヒータ抵抗体の熱劣化が促進されるので、ヒータ抵抗体の耐久寿命が低下するという問題が生じる。
また、特許文献5には、流量検出回路に使用されるブリッジ回路が、2つの第1、第2上流側温度センサ抵抗体、2つの第1、第2抵抗体により構成される点も開示されている。そして、シリコンチップの絶縁膜上には、第1上流側温度センサ抵抗体と第1抵抗体との第1接続点、この第1接続点から中点電位を第1電極パッドへ取り出すための第1リード配線、第2上流側温度センサ抵抗体と第2抵抗体との第2接続点、この第2接続点から中点電位を第2電極パッドへ取り出すための第2リード配線が形成されている。
したがって、上述した第1〜第5特許文献に記載の流量計測装置のように、流量検出回路に使用されるブリッジ回路が、抵抗値の温度特性のペア性が必要な2組の温度センサ抵抗体(直列接続される温度センサ抵抗体)で構成されている場合、各組の温度センサ抵抗体の抵抗値の温度特性のペア性を保つことができず、空気流量の検出感度が落ちるという問題が生じる。
発熱抵抗体は、加熱電流が流れると発熱するヒータ抵抗体(電気ヒータ)である。
第1、第2上流側感温抵抗体は、温度により抵抗値が変化する上流側温度センサ抵抗体(上流側温度センサ)である。
第1、第2下流側感温抵抗体は、温度により抵抗値が変化する下流側温度センサ抵抗体(下流側温度センサ)である。
そして、流量計測装置(空気流量計の流量検出回路)は、2つの第1、第2直列回路を並列接続したブリッジ回路(X)を備えている。第1直列回路は、第1上流側感温抵抗体と第1下流側感温抵抗体とを直列接続した回路である。第2直列回路は、第2下流側感温抵抗体と第2上流側感温抵抗体とを直列接続した回路である。
流量計測装置(空気流量計の流量検出回路)に使用されるブリッジ回路(X)は、第1直列回路の中点電位を取り出すための第1配線、および第2直列回路の中点電位を取り出すための第2配線を有している。
そして、第1直列回路は、直列接続される2つの第1感温抵抗体間の中間地点に、第1配線が接続される第1接続部を有している。また、第2直列回路は、直列接続される2つの第2感温抵抗体間の中間地点に、第2配線が接続される第2接続部を有している。
そして、第1接続部または第2接続部は、センサチップ上に配置されている。また、第1配線または第2配線は、センサチップ上で第1直列回路または第2直列回路から分岐している。
また、第1接続部または第2接続部がセンサチップ上に配置されており、第1配線または第2配線がセンサチップ上で第1直列回路または第2直列回路から分岐している。これにより、センサチップ外に設けられる外部回路およびこの外部回路との接続のためのボンディングワイヤや電極パッド等を被覆して保護するモールド樹脂で第1接続部または第2接続部が被覆されなくなる。したがって、センサチップに加わる応力による各抵抗体の抵抗値変動(配線抵抗値変動や温度抵抗係数変動も含む)の影響を緩和することが可能となる。
温度検出抵抗体は、周囲の温度により抵抗値が変化する温度センサ抵抗体(空気温度センサ)である。
流量計測装置(発熱抵抗体の温度制御回路)は、2つの第3、第4直列回路を並列接続したブリッジ回路(Y)を備えている。第3直列回路は、発熱抵抗体と第3抵抗体とを直列接続した回路である。第4直列回路は、温度検出抵抗体と第4抵抗体とを直列接続した回路である。
そして、第3直列回路は、発熱抵抗体と第3抵抗体との間に、第3配線が接続される第3接続部を有している。また、第4直列回路は、温度検出抵抗体と第4抵抗体との中間地点に、第4配線が接続される第4接続部を有している。
そして、第3接続部または第4接続部は、センサチップ上に配置されている。また、第3配線または第4配線は、センサチップ上で第3直列回路または第4直列回路から分岐している。
請求項3に記載の発明によれば、発熱抵抗体と第3抵抗体とを直列接続する接続配線を短くして接続配線の配線抵抗を低減することにより、空気流量の検出感度および発熱抵抗体の制御感度を向上することが可能となる。あるいは温度検出抵抗体と第4抵抗体とを直列接続する接続配線を短くして接続配線の配線抵抗を低減することにより、空気流量の検出感度および発熱抵抗体の制御感度を向上することが可能となる。
例えば温度検出抵抗体で検出される周囲の温度よりも発熱抵抗体の温度が一定温度(上昇温度:+ΔT度)高くなるように発熱抵抗体を流れる加熱電流を制御する流量計測装置では、発熱抵抗体に直列接続される第3抵抗体を異なる抵抗値の抵抗体に取り替えた場合、発熱抵抗体の上昇温度の設定値を自由に変更できる。
例えば発熱抵抗体の上昇温度が現状のもの(従来品)よりも低くなると、発熱抵抗体の熱劣化の進行が抑えられるので、発熱抵抗体の耐久寿命を向上することができる。また、発熱抵抗体の上昇温度が現状のもの(従来品)よりも高くなると、空気の流量が微少流量であっても2つの第1、第2上流側感温抵抗体および2つの第1、第2下流側感温抵抗体で検出される温度変化が大きくなるので、微少流量時の流量検出精度を向上することができる。
傍熱抵抗体は、発熱抵抗体の熱により抵抗値が変化する温度センサ抵抗体(加熱温度センサ)である。
温度検出抵抗体は、周囲の温度により抵抗値が変化する温度センサ抵抗体(空気温度センサ)である。
流量計測装置(発熱抵抗体の温度制御回路)は、2つの第3、第4直列回路を並列接続したブリッジ回路(Y)を備えている。第3直列回路は、傍熱抵抗体と第3抵抗体とを直列接続した回路である。第4直列回路は、温度検出抵抗体と第4抵抗体とを直列接続した回路である。
そして、第3直列回路は、傍熱抵抗体と第3抵抗体との間に、第3配線が接続される第3接続部を有している。また、第4直列回路は、温度検出抵抗体と第4抵抗体との中間地点に、第4配線が接続される第4接続部を有している。
そして、第3接続部または第4接続部は、センサチップ上に配置されている。また、第3配線または第4配線は、センサチップ上で第3直列回路または第4直列回路から分岐している。
請求項7に記載の発明によれば、傍熱抵抗体と第3抵抗体とを直列接続する接続配線を短くして接続配線の配線抵抗を低減することにより、空気流量の検出感度および発熱抵抗体の制御感度を向上することが可能となる。あるいは温度検出抵抗体と第4抵抗体とを直列接続する接続配線を短くして接続配線の配線抵抗を低減することにより、空気流量の検出感度および発熱抵抗体の制御感度を向上することが可能となる。
例えば温度検出抵抗体で検出される周囲の温度よりも発熱抵抗体の温度が一定温度(上昇温度:+ΔT度)高くなるように発熱抵抗体を流れる加熱電流を制御する流量計測装置では、傍熱抵抗体に直列接続される第3抵抗体を異なる抵抗値の抵抗体に取り替えた場合、傍熱抵抗体により温度が検出される発熱抵抗体の上昇温度の設定値を自由に変更できる。
例えば発熱抵抗体の上昇温度が現状のもの(従来品)よりも低くなると、発熱抵抗体および傍熱抵抗体の熱劣化の進行が抑えられるので、発熱抵抗体および傍熱抵抗体の耐久寿命を向上することができる。また、発熱抵抗体の上昇温度が現状のもの(従来品)よりも高くなると、空気の流量が微少流量であっても2つの第1、第2上流側感温抵抗体および2つの第1、第2下流側感温抵抗体で検出される温度変化が大きくなるので、微少流量時の流量検出精度を向上することができる。
請求項10に記載の発明によれば、センサチップ以外の場所(例えば回路チップ上)に、第3直列回路の中点電位と第4直列回路の中点電位との差がゼロになるように、発熱抵抗体を流れる加熱電流を制御する制御回路(発熱抵抗体の温度制御回路)を配置(形成)したことにより、発熱抵抗体の温度または傍熱抵抗体の温度が温度検出抵抗体により検出される温度よりも一定の温度だけ高くなるように制御される。
また、空気の流量が多い場合、センサチップのメンブレン上の温度分布は、発熱抵抗体を中心とする対称な温度分布に対して大きく移動するので、4つの感温抵抗体の抵抗値も大きく変化し、ブリッジ回路(X)の中点電位差も大きい電位差となる。このように、空気の流量とブリッジ回路の中点電位差には相関関係があり、ブリッジ回路の中点電位差の絶対値を計測(測定)することにより、空気の流量が検出される。
本発明は、空気流量の検出感度を向上するという目的を、直列接続される2つの感温抵抗体の抵抗値の温度特性のペア性を維持することで実現した。
また、空気流量の検出感度および発熱抵抗体の制御感度を向上するという目的を、2つの感温抵抗体を直列接続する接続配線の配線抵抗を低減することで実現した。
図1ないし図3は本発明の実施例1を示したもので、図1は空気流量計測装置を吸気管に取り付けた状態を示した図で、図2は空気流量計測装置のセンサチップを示した図で、図3は空気流量計測装置の回路構成を示した図である。
空気流量計測装置は、各種エンジン制御を行うエンジン制御ユニット(エンジン制御装置:以下ECUと呼ぶ)と、このECUのマイクロコンピュータへ空気流量電圧信号(アナログ信号)を出力する熱式のエアフロメータ(AFM)とを備えている。
ここで、エンジンは、複数の気筒を有するガソリンエンジンが採用されている。エンジンは、エアクリーナのエアフィルタで濾過された清浄な外気(吸入空気)と燃料との混合気を燃焼室内で燃焼させて得られる熱エネルギーにより出力を発生するものである。
なお、吸気管1の途中には、エアクリーナのエアフィルタ、空気流量計測装置のAFM、電子スロットル装置(スロットルボディ、スロットルバルブ、スロットル開度センサ)、サージタンク、インテークマニホールド等が設置されている。また、排気管の途中には、エキゾーストマニホールド、排気ガスセンサ(空燃比センサ、酸素濃度センサ)等が設置されている。
そして、ECUのマイクロコンピュータは、AFMより出力される空気流量電圧信号に基づいて空気の流量や空気の流れ方向を検出する。そして、マイクロコンピュータは、検出した空気流量に基づいて、エンジンの各気筒毎の吸気ポートまたは燃焼室に噴射供給する燃料噴射量を演算する。そして、この演算された燃料噴射量に応じてインジェクタの通電時間(開弁期間)を可変制御すると共に、インジェクタの通電時間を、電子スロットル装置、燃料供給装置(燃料ポンプ、燃料噴射装置)および点火装置等の各システムと関連して制御するように構成されている。
ここで、センサチップ3上には、空気の流量を検出する流量検出部(ヒータ抵抗体5、4つの温度センサ抵抗体6〜9、固定抵抗体12、温度センサ抵抗体13、固定抵抗体14)が形成されている。センサチップ3の長手方向の先端部(流量検出部以外の部位、図2において図示下端部)には、ボンディングワイヤが電気的に接続される電極パッド群が形成されている。
また、AFMは、センサチップ3の流量検出部が露出されるように配置される封止樹脂(モールド樹脂)を有している。このモールド樹脂は、センサチップ3上の電極パッド群、制御回路チップ4上の電極パッド群や回路、ボンディングワイヤを被覆している。なお、センサチップ3には、基板を裏面からエッチングすることによって形成されるメンブレン(薄肉部)25が形成されている。
ヒータ抵抗体5は、自身を流れる加熱電流により高温に発熱する薄膜状の発熱抵抗体である。このヒータ抵抗体5は、例えば白金(Pt)やポリシリコン(Poly−Si)や単結晶シリコン膜等を真空蒸着やスパッタリングによってセンサチップ3のメンブレン25上に薄膜形成される。
4つの温度センサ抵抗体6〜9および温度センサ抵抗体13は、周囲の温度により自身の抵抗値が変化する感温抵抗体であり、ヒータ抵抗体5と同様に、真空蒸着やスパッタリングによって形成された白金膜(Pt)やポリシリコン膜(Poly−Si)や単結晶シリコン膜等である。
2つの固定抵抗体12、14は、自身の抵抗値が固定された固定抵抗体であり、ヒータ抵抗体5と同様に、真空蒸着やスパッタリングによって形成された白金膜(Pt)やポリシリコン膜(Poly−Si)や単結晶シリコン膜等である。
ブリッジ回路(X)は、2つの第1、第2直列回路を並列接続することで構成されている。第1直列回路(A)は、温度センサ抵抗体6と温度センサ抵抗体7とを直列接続した回路である。また、第2直列回路(B)は、温度センサ抵抗体8と温度センサ抵抗体9とを直列接続した回路である。
温度センサ抵抗体6は、温度により抵抗値RU1が変化する温度検出抵抗体であって、ヒータ抵抗体5よりも空気流方向の上流側に配置されている。この温度センサ抵抗体6は、ヒータ抵抗体5近傍の上流温度を検出する第1上流側感温抵抗体を構成する。
温度センサ抵抗体7は、温度により抵抗値RD1が変化する温度検出抵抗体であって、ヒータ抵抗体5よりも空気流方向の下流側に配置されている。この温度センサ抵抗体7は、ヒータ抵抗体5近傍の下流温度を検出する第1下流側感温抵抗体を構成する。
温度センサ抵抗体9は、温度により抵抗値RU2が変化する温度検出抵抗体であって、温度センサ抵抗体6よりも空気流方向の上流側に配置されている。この温度センサ抵抗体9は、ヒータ抵抗体5近傍の上流温度を検出する第2上流側感温抵抗体を構成する。
そして、温度センサ抵抗体6と温度センサ抵抗体8との接続点には、電源電圧が印加されている。また、温度センサ抵抗体7と温度センサ抵抗体9との接続点の電位は、グランド(GND)電位となっている。
無風状態では、ヒータ抵抗体5を中心とする対称な温度分布が形成される。したがって、無風状態においては、ヒータ抵抗体5に対して対称な位置に形成されている温度センサ抵抗体6、7に伝達される熱量はほぼ等しく、また、温度センサ抵抗体8、9に伝達される熱量もほぼ等しくなる。これにより、温度センサ抵抗体6、7の抵抗値RU1、RD1は互いにほぼ等しく、温度センサ抵抗体8、9の抵抗値RD2、RU2も互いにほぼ等しくなる。したがって、無風状態では、第1直列回路の温度センサ抵抗体6、7間の中点電位VAと第2直列回路の温度センサ抵抗体8、9間の中点電位VBとは互いに等しく、ブリッジ回路(X)の中点電位差(VA−VB)はゼロとなる。
ブリッジ回路(X)の第1、第2直列回路間電位差(中点電位差:VA−VB)は、もはやゼロとはならず、この場合、ブリッジ回路(X)の中点電位差(VA−VB)は正の値をとる。
このように、空気の流れ方向に対して、ブリッジ回路(X)の中点電位差(VA−VB)が正負の値をとるので、この正負の値を判定することにより、空気の流れ方向は検出される。また、空気の流量が多い場合、センサチップ3のメンブレン25上に形成される温度分布は大きく移動するので、温度センサ抵抗体6〜9の抵抗値RU1、RD1、RD2、RU2も大きく変動し、ブリッジ回路の中点電位差(VA−VB)も大きく変動する。このように、空気の流量と中点電位差には相関関係があり、ブリッジ回路(X)の中点電位差(VA−VB)の絶対値を測定することにより、空気の流量が検出される。
なお、ブリッジ回路(X)、特に2つの第1、第2直列回路の詳細は後述する。
ブリッジ回路(Y)は、2つの第3、第4直列回路を並列接続することで構成されている。第3直列回路(C)は、ヒータ抵抗体5と固定抵抗体12とを直列接続した回路である。また、第4直列回路(D)は、温度センサ抵抗体13と固定抵抗体14とを直列接続した回路である。
ヒータ抵抗体5の温度制御回路は、ヒータ抵抗体5の発熱温度および温度センサ抵抗体13で検出される吸気温度に応じてヒータ抵抗体5を流れる加熱電流を制御するように構成されている。
具体的には、トランジスタ28を介して、ヒータ抵抗体5を流れる加熱電流を生成すると共に、差動増幅器27によりブリッジ回路(Y)のブリッジ出力電圧(ブリッジ間電位差:VC−VD)を求め、このブリッジ出力電圧が所定電圧値(例えば0V)となるようにトランジスタ28の動作を帰還制御してヒータ抵抗体5を流れる加熱電流を可変するように構成されている。この差動増幅器27によるトランジスタ28の帰還制御によりヒータ抵抗体5の発熱温度Thが、温度センサ抵抗体13により検出される雰囲気温度(吸気温度:TK)よりも常に一定温度ΔT(=Th−TK)だけ高く設定される。
2つの固定抵抗体12、14は、センサチップ3上においてヒータ抵抗体5の熱の影響を受けない場所(メンブレン25以外の場所)に配置されている。2つの固定抵抗体12、14は、ヒータ抵抗体5の中心線を中心にして対称的な位置で、且つ4回以上折り返したほぼ対称形状となるように構成されている。また、固定抵抗体14は、温度センサ抵抗体13との中間接続点を通る中心線(中間接続点の中心線)を中心にして対称的な位置で、且つ温度センサ抵抗体13と対称形状となるように構成されている。
なお、ブリッジ回路(Y)、特に2つの第3、第4直列回路の詳細は後述する。
ブリッジ回路(X)は、同一の形状で、同一の温度抵抗係数を有する2つの温度センサ抵抗体6、7を直列接続した第1直列回路と、同一の形状で、同一の温度抵抗係数を有する2つの温度センサ抵抗体8、9を直列接続した第2直列回路とを並列接続した回路である。
ここで、温度センサ抵抗体6は、温度センサ抵抗体7と同一のコの字形状で、しかも温度センサ抵抗体7の温度に対する抵抗値変化の特性と同一の温度特性を有している。また、温度センサ抵抗体8は、温度センサ抵抗体9と同一のコの字形状で、しかも温度センサ抵抗体9の温度に対する抵抗値変化の特性と同一の温度特性を有している。
以上により、第1配線31は、センサチップ3上で第1直列回路の第1接続配線32の中間地点から分岐している。つまりブリッジ回路(X)の第1直列回路では、中点電位VAの取り出し位置を、2つの温度センサ抵抗体6、7の中間地点に設けている。
以上により、第2配線34は、センサチップ3上で第2直列回路の第2接続配線35の中間地点から分岐している。つまりブリッジ回路(X)の第2直列回路では、中点電位VBの取り出し位置を、2つの温度センサ抵抗体8、9の中間地点に設けている。
なお、2つの第1、第2中間接続部33、36は、センサチップ3上においてヒータ抵抗体5の熱の影響を受けない場所(メンブレン25以外の場所)で、しかもヒータ抵抗体5の中心線上に配置されている。また、ブリッジ回路(X)は、2つの第1、第2直列回路の中点電位VA、VBを取り出すための第1、第2配線31、34の配線幅を、2つの温度センサ抵抗体6、7を接続する第1接続配線32の配線幅および2つの温度センサ抵抗体8、9を接続する第2接続配線35の配線幅よりも狭く(細く)している。
第1、第2電極パッド37、38は、ボンディングワイヤ等を介して、制御回路チップ4上に配置される差動増幅器26に電気的に接続されている。つまりAFMの流量検出回路は、第1、第2配線31、34により取り出されたブリッジ回路(X)の中点電位差(VAーVB)が差動増幅器26の入力端子に入力されるように構成されている。
なお、2つの第1、第2配線31、34、2つの第1、第2接続配線32、35、4つの抵抗配線41〜44は、ヒータ抵抗体5と同様に、真空蒸着やスパッタリングによって形成された白金膜(Pt)やポリシリコン膜(Poly−Si)や単結晶シリコン膜等である。
ブリッジ回路(Y)は、ヒータ抵抗体5と固定抵抗体12とを直列接続した第3直列回路と、同一の形状で、同一の温度抵抗係数を有する温度センサ抵抗体13と固定抵抗体14とを直列接続した第4直列回路とを並列接続した回路である。
ここで、ヒータ抵抗体5は、センサチップ3の長手方向(空気流方向に垂直な方向)に延びる2つの垂直方向ヒータ抵抗部およびこれらの垂直方向ヒータ抵抗部の抵抗配線側に対して逆側端部を連結する空気流方向ヒータ抵抗部を有している。なお、ヒータ抵抗体5の中心線とは、空気流方向ヒータ抵抗部の中心を通り、空気流方向に垂直な方向に延びる直線のことである。
以上により、第3配線51は、センサチップ3上で第3直列回路の第3接続配線52の中間地点から分岐している。つまりブリッジ回路(Y)の第3直列回路では、中点電位VCの取り出し位置を、ヒータ抵抗体5と固定抵抗体12との中間地点に設けている。
以上により、第4配線54は、センサチップ3上で第4直列回路の第4接続配線55の中間地点から分岐している。つまりブリッジ回路(Y)の第4直列回路では、中点電位VDの取り出し位置を、温度センサ抵抗体13と固定抵抗体14との中間地点に設けている。
第3、第4電極パッド57、58は、ボンディングワイヤ等を介して、制御回路チップ4上に配置される差動増幅器27に電気的に接続されている。つまりヒータ抵抗体5の温度制御回路は、第3、第4配線51、54により取り出されたブリッジ回路(Y)の中点電位差(VCーVD)が差動増幅器27の入力端子に入力されるように構成されている。
なお、2つの第3、第4配線51、54、2つの第3、第4接続配線52、55、4つの抵抗配線61〜64は、ヒータ抵抗体5と同様に、真空蒸着やスパッタリングによって形成された白金膜(Pt)やポリシリコン膜(Poly−Si)や単結晶シリコン膜等である。
以上のように、本実施例の空気流量計測装置は、2つの第1、第2直列回路を並列接続したブリッジ回路(X)を有するAFMの流量検出回路と、2つの第3、第4直列回路を並列接続したブリッジ回路(Y)を有するヒータ抵抗体5の温度制御回路とを備えている。また、ブリッジ回路(X)およびブリッジ回路(Y)は、センサチップ3上に形成されている。また、センサチップ3のメンブレン25上には、電力の供給を受けて高温に発熱するヒータ抵抗体5と、このヒータ抵抗体5を跨ぎヒータ抵抗体5の上下流両側に配置されて直列接続される2つの温度センサ抵抗体6、7と、ヒータ抵抗体5を跨ぎヒータ抵抗体5の上下流両側に配置されて直列接続される2つの温度センサ抵抗体8、9とが白金膜(Pt)やポリシリコン膜(Poly−Si)や単結晶シリコン膜等により薄膜形成されている。
一方、第2直列回路の中点電位の取り出し位置(箇所)を、2つの温度センサ抵抗体8、9の中間地点に設け、且つヒータ抵抗体5の中心線上に第2中間接続部36を設けている。これにより、直列接続される2つの温度センサ抵抗体8、9の抵抗値の温度特性のペア性を維持できるので、空気流量の検出感度を向上することができる。また、2つの温度センサ抵抗体8、9を直列接続する第2接続配線35を現状(従来品)と比べて短くすることができるので、第2接続配線35の配線抵抗を低減することができる。これにより、空気流量の検出感度を向上することができる。
これによって、センサチップ3外に設けられる制御回路チップ4およびこの制御回路チップ4との接続のためのボンディングワイヤや電極パッド群等を被覆して保護するモールド樹脂によって各第1、第2中間接続部33、36が被覆されなくなる。したがって、センサチップ3に加わる応力による4つの温度センサ抵抗体6〜9等の抵抗値変動(配線抵抗値変動や温度抵抗係数変動も含む)の影響を緩和することができる。
これによって、ヒータ抵抗体5と固定抵抗体12とを直列接続する第3接続配線52を現状(従来品)と比べて短くすることができるので、第3接続配線52の配線抵抗を低減することができる。これにより、空気流量の検出感度およびヒータ抵抗体5の制御感度を向上することができる。また、温度センサ抵抗体13と固定抵抗体14とを直列接続する第4接続配線55を現状(従来品)と比べて短くすることができるので、第4接続配線55の配線抵抗を低減することができる。これにより、空気流量の検出感度およびヒータ抵抗体5の制御感度を向上することができる。
また、センサチップ3外に設けられる制御回路チップ4およびこの制御回路チップ4との接続のためのボンディングワイヤや電極パッド群等を被覆して保護するモールド樹脂によって各第3、第4中間接続部53、56が被覆されなくなる。したがって、センサチップ3に加わる応力によるヒータ抵抗体5、温度センサ抵抗体13、2つの固定抵抗体12、14等の抵抗値変動(配線抵抗値変動や温度抵抗係数変動も含む)の影響を緩和することができる。
また、ヒータ抵抗体5の温度制御回路は、実施例1と同様に、2つの第3、第4直列回路を並列接続したブリッジ回路(Y)を備えている。
このブリッジ回路(Y)においては、第3直列回路の中点電位VCを取り出すための第3配線51の配線幅を、抵抗配線63、64の配線幅よりも狭く(細く)している。これにより、電流の流れない中点電位を取り出すための第3配線51の配線幅が狭くなるので、センサチップ3上に省スペースで第3配線51を配置することができる。
したがって、長方形状のセンサチップ3の横(幅)方向(空気流方向)のサイズを小さくすることができるので、AFMを小型化できる。
なお、第4直列回路の中点電位VDを取り出すための第4配線54の配線幅を、温度センサ抵抗体13と固定抵抗体14とを接続する第4接続配線55の配線幅よりも狭く(細く)しても良い。
ここで、傍熱抵抗体11は、ヒータ抵抗体5の熱を受けて抵抗値RIが変化する温度検出抵抗体であって、センサチップ3のメンブレン25上においてヒータ抵抗体5の発熱の影響を受ける場所に配置されている。
2つの固定抵抗体12、14の接続点には、所定の電源電圧が印加されている。また、傍熱抵抗体11と温度センサ抵抗体13との接続点の電位は、グランド(GND)電位となっている。
以上により、第3配線51は、センサチップ3上で第3直列回路の第3接続配線52の中間地点から分岐している。つまりブリッジ回路(Y)の第3直列回路では、中点電位VCの取り出し位置を、傍熱抵抗体11と固定抵抗体12との中間地点に設けている。
電極パッド65は、抵抗配線61を介して、温度センサ抵抗体13と電気的に接続されている。また、電極パッド66は、抵抗配線62を介して、固定抵抗体14と電気的に接続されている。また、電極パッド67は、抵抗配線63を介して、傍熱抵抗体11と電気的に接続されている。また、電極パッド68は、抵抗配線64を介して、固定抵抗体12と電気的に接続されている。
なお、2つの電極パッド71、72は、2つの第3、第4配線51、54、2つの第3、第4接続配線52、55、4つの抵抗配線61〜64と同様に、真空蒸着やスパッタリングによって形成された白金膜(Pt)やポリシリコン膜(Poly−Si)や単結晶シリコン膜等である。
具体的には、定電圧を受けて動作するトランジスタ28を介して、ヒータ抵抗体5を流れる加熱電流(またはヒータ抵抗体5に印加される駆動電圧)を生成すると共に、差動増幅器27によりブリッジ回路(Y)のブリッジ出力電圧である中点電位差(VC−VD)を求め、このブリッジ出力電圧が所定電圧値(例えば0V)となるようにトランジスタ28の動作を帰還制御してヒータ抵抗体5を流れる加熱電流を可変するように構成されている。この差動増幅器27によるトランジスタ28の帰還制御によりヒータ抵抗体5の発熱温度Thが、温度センサ抵抗体13により検出される雰囲気温度(吸気温度:TK)よりも常に一定温度ΔT(=Th−TK)だけ高く設定される。
具体的には、第3直列回路の中点電位VCを取り出すための第3配線51を、第3直列回路の第3中間接続部53からセンサチップ3上で分岐させている。つまり第3直列回路の中点電位の取り出し位置(箇所)を、傍熱抵抗体11と固定抵抗体12との中間地点に設けている。
これによって、傍熱抵抗体11と固定抵抗体12とを直列接続する第3接続配線52を現状(従来品)と比べて短くすることができるので、第3接続配線52の配線抵抗を低減することができる。これにより、空気流量の検出感度およびヒータ抵抗体5の制御感度を向上することができる。
また、センサチップ3外に設けられる制御回路チップ4およびこの制御回路チップ4との接続のためのボンディングワイヤや電極パッド群等を被覆して保護するモールド樹脂によって各第3、第4中間接続部53、56が被覆されなくなる。したがって、センサチップ3に加わる応力による傍熱抵抗体11、温度センサ抵抗体13、2つの固定抵抗体12、14等の抵抗値変動(配線抵抗値変動や温度抵抗係数変動も含む)の影響を緩和することができる。
このブリッジ回路(Y)においては、2つの第3、第4直列回路の中点電位VC、VDを取り出すための第3、第4配線51、54の配線幅を、抵抗配線63、64の配線幅および抵抗配線61、62の配線幅よりも狭く(細く)している。これにより、電流の流れない中点電位を取り出すための第3、第4配線51、54の配線幅が狭くなるので、センサチップ3上に省スペースで第3、第4配線51、54を配置することができる。
したがって、長方形状のセンサチップ3の横(幅)方向(空気流方向)のサイズを小さくすることができるので、AFMを小型化できる。
センサチップ3上に形成される電極パッド群、特にヒータ抵抗体5の温度制御回路の一部として使用される電極パッド群は、第4電極パッド58、4つの電極パッド65〜67の他に、2つの電極パッド71、72および電極パッド76を有している。
電極パッド76は、抵抗配線77を介して、傍熱抵抗体11と電気的に接続されている。この電極パッド76は、ボンディングワイヤを介して、センサチップ3以外の場所に設置された固定抵抗体12に電気的に接続されている。
なお、電極パッド76は、第4配線54、2つの第3、第4接続配線52、55、4つの抵抗配線61〜63、2つの電極パッド71、72と同様に、真空蒸着やスパッタリングによって形成された白金膜(Pt)やポリシリコン膜(Poly−Si)や単結晶シリコン膜等である。
例えば温度センサ抵抗体13で検出される周囲の吸気温度よりもヒータ抵抗体5の温度が一定温度(上昇温度:+ΔT度)だけ高くなるようにヒータ抵抗体5を流れる加熱電流を制御する温度制御回路(システム)では、ヒータ抵抗体5の熱を受ける傍熱抵抗体11に直列接続される固定抵抗体12を実施例3及び4のものと異なる抵抗値の抵抗体に取り替えた場合、ヒータ抵抗体5の上昇温度の設定値を自由に変更できる。
なお、ブリッジ回路(Y)の第3直列回路を構成する固定抵抗体12の代わりに、ブリッジ回路(Y)の第4直列回路を構成する固定抵抗体14をセンサチップ3以外の場所に設置しても良い。また、2つの固定抵抗体12、14の両方の抵抗体をセンサチップ3以外の場所に設置しても良い。
本実施例では、本発明の流量計測装置を、内燃機関(エンジン)の燃焼室に供給される空気の流量や空気の流れ方向を検出する空気流量計測装置に適用しているが、本発明の流量計測装置を、ガス器具に供給されるガスや内燃機関(エンジン)の燃焼室に供給される気体燃料または液体燃料等の流体の流量を検出する流量計測装置に適用しても良い。
本実施例のECUのマイクロコンピュータは、AFMより出力された空気流量電圧信号(Vout)に基づいて空気流量を演算(算出)し、この算出した空気流量を各種エンジン制御(例えば燃料噴射制御、空燃比制御、EGRバルブ開度制御)に使用している。なお、AFMの制御回路で空気流量電圧信号を周波数変換してECUへ周波数信号を出力するようにしても良い。
Y ヒータ抵抗体の温度制御回路のブリッジ回路
1 エンジン(内燃機関)の吸気管
3 センサチップ
4 制御回路チップ
5 ヒータ抵抗体(発熱抵抗体)
6 温度センサ抵抗体(第1上流側感温抵抗体)
7 温度センサ抵抗体(第1下流側感温抵抗体)
8 温度センサ抵抗体(第2下流側感温抵抗体)
9 温度センサ抵抗体(第2上流側感温抵抗体)
11 傍熱抵抗体(温度検出抵抗体)
12 固定抵抗体(第3抵抗体)
13 温度センサ抵抗体(温度検出抵抗体)
14 固定抵抗体(第4抵抗体)
25 センサチップのメンブレン(薄肉部)
31 第1配線
32 第1接続配線
33 第1中間接続部(第1接続部)
34 第2配線
35 第2接続配線
36 第2中間接続部(第2接続部)
41 抵抗配線
42 抵抗配線
43 抵抗配線
44 抵抗配線
51 第3配線
52 第3接続配線
53 第3中間接続部(第3接続部)
54 第4配線
55 第4接続配線
56 第4中間接続部(第4接続部)
61 抵抗配線
62 抵抗配線
63 抵抗配線
64 抵抗配線
Claims (13)
- (a)基板に薄肉部が形成されたセンサチップと、
(b)前記薄肉部上に配置されて、加熱電流が流れると発熱する発熱抵抗体と、
(c)前記薄肉部上において前記発熱抵抗体よりも流体の流れ方向の上流側に配置されて、温度により抵抗値が変化する2つの第1、第2上流側感温抵抗体と、
(d)前記薄肉部上において前記発熱抵抗体よりも流体の流れ方向の下流側に配置されて、温度により抵抗値が変化する2つの第1、第2下流側感温抵抗体と、
(e)前記第1上流側感温抵抗体と前記第1下流側感温抵抗体とを直列接続した第1直列回路と、
前記第2下流側感温抵抗体と前記第2上流側感温抵抗体とを直列接続した第2直列回路と
を並列接続したブリッジ回路(X)と
を備えた流量計測装置において、
前記第1上流側感温抵抗体は、前記第1下流側感温抵抗体の温度に対する抵抗値変化の特性と同一の温度特性を有し、
前記第2下流側感温抵抗体は、前記第2上流側感温抵抗体の温度に対する抵抗値変化の特性と同一の温度特性を有し、
前記ブリッジ回路(X)は、前記第1直列回路の中点電位を取り出すための第1配線、および前記第2直列回路の中点電位を取り出すための第2配線を有し、
前記第1直列回路は、前記第1上流側感温抵抗体と前記第1下流側感温抵抗体との中間地点に、前記第1配線が接続される第1接続部を有し、
前記第2直列回路は、前記第2下流側感温抵抗体と前記第2上流側感温抵抗体との中間地点に、前記第2配線が接続される第2接続部を有し、
前記第1接続部または前記第2接続部は、前記センサチップ上に配置され、
前記第1配線または前記第2配線は、前記センサチップ上で前記第1直列回路または前記第2直列回路から分岐していることを特徴とする流量計測装置。 - 請求項1に記載の流量計測装置において、
(f)前記センサチップ上において前記発熱抵抗体の熱の影響を受けない場所に配置されて、周囲の温度により抵抗値が変化する温度検出抵抗体と、
(g)前記発熱抵抗体およびこの発熱抵抗体に直列接続される第3抵抗体よりなる第3直列回路と、
前記温度検出抵抗体およびこの温度検出抵抗体に直列接続される第4抵抗体よりなる第4直列回路と
を並列接続したブリッジ回路(Y)と
を備えたことを特徴とする流量計測装置。 - 請求項2に記載の流量計測装置において、
前記ブリッジ回路(Y)は、前記第3直列回路の中点電位を取り出すための第3配線、および前記第4直列回路の中点電位を取り出すための第4配線を有し、
前記第3直列回路は、前記発熱抵抗体と前記第3抵抗体との間に、前記第3配線が接続される第3接続部を有し、
前記第4直列回路は、前記温度検出抵抗体と前記第4抵抗体との中間地点に、前記第4配線が接続される第4接続部を有し、
前記第3接続部または前記第4接続部は、前記センサチップ上に配置され、
前記第3配線または前記第4配線は、前記センサチップ上で前記第3直列回路または前記第4直列回路から分岐していることを特徴とする流量計測装置。 - 請求項2または請求項3に記載の流量計測装置において、
前記第3抵抗体または前記第4抵抗体は、前記センサチップ以外の場所に配置されていることを特徴とする流量計測装置。 - 請求項3または請求項4に記載の流量計測装置において、
前記第3配線、あるいは前記第4配線は、その配線幅が、前記発熱抵抗体または前記第3抵抗体と外部回路とを接続する配線幅、あるいは前記温度検出抵抗体または前記第4抵抗体と外部回路とを接続する配線幅よりも狭いことを特徴とする流量計測装置。 - 請求項1に記載の流量計測装置において、
(f)前記センサチップ上において前記発熱抵抗体の熱の影響を受けない場所に配置されて、周囲の温度により抵抗値が変化する温度検出抵抗体と、
(g)前記薄肉部上において前記発熱抵抗体の熱の影響を受ける場所に配置されて、前記発熱抵抗体の熱により抵抗値が変化する傍熱抵抗体と、
(h)前記傍熱抵抗体およびこの傍熱抵抗体に直列接続される第3抵抗体よりなる第3直列回路と、
前記温度検出抵抗体およびこの温度検出抵抗体に直列接続される第4抵抗体よりなる第4直列回路と
を並列接続したブリッジ回路(Y)と
を備えたことを特徴とする流量計測装置。 - 請求項6に記載の流量計測装置において、
前記ブリッジ回路(Y)は、前記第3直列回路の中点電位を取り出すための第3配線、および前記第4直列回路の中点電位を取り出すための第4配線を有し、
前記第3直列回路は、前記傍熱抵抗体と前記第3抵抗体との間に、前記第3配線が接続される第3接続部を有し、
前記第4直列回路は、前記温度検出抵抗体と前記第4抵抗体との中間地点に、前記第4配線が接続される第4接続部を有し、
前記第3接続部または前記第4接続部は、前記センサチップ上に配置され、
前記第3配線または前記第4配線は、前記センサチップ上で前記第3直列回路または前記第4直列回路から分岐していることを特徴とする流量計測装置。 - 請求項6または請求項7に記載の流量計測装置において、
前記第3抵抗体または前記第4抵抗体は、前記センサチップ以外の場所に配置されていることを特徴とする流量計測装置。 - 請求項7または請求項8に記載の流量計測装置において、
前記第3配線、あるいは前記第4配線は、その配線幅が、前記傍熱抵抗体または前記第3抵抗体と外部回路とを接続する配線幅、あるいは前記温度検出抵抗体または前記第4抵抗体と外部回路とを接続する配線幅よりも狭いことを特徴とする流量計測装置。 - 請求項2ないし請求項8のうちのいずれか1つに記載の流量計測装置において、
前記センサチップ以外の場所には、前記第3直列回路の中点電位と前記第4直列回路の中点電位との差がゼロになるように、前記発熱抵抗体を流れる加熱電流を制御する制御回路が配置されていることを特徴とする流量計測装置。 - 請求項1ないし請求項10のうちのいずれか1つに記載の流量計測装置において、
前記センサチップ以外の場所には、前記第1直列回路の中点電位と前記第2直列回路の中点電位との差に基づいて流量電圧信号を出力する検出回路が配置されていることを特徴とする流量計測装置。 - 請求項1ないし請求項11のうちのいずれか1つに記載の流量計測装置において、
前記第1配線、あるいは前記第2配線は、その配線幅が、前記第1上流側感温抵抗体または前記第1下流側感温抵抗体と外部回路とを接続する配線幅、あるいは前記第2下流側感温抵抗体または前記第2上流側感温抵抗体と外部回路とを接続する配線幅よりも狭いことを特徴とする流量計測装置。 - 請求項1ないし請求項12のうちのいずれか1つに記載の流量計測装置において、
前記第1接続部または前記第2接続部は、前記発熱抵抗体の中心線上に設けられていることを特徴とする流量計測装置。
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