JP2013525756A - 空気質量流量計 - Google Patents

Abstract

本発明は、センサチップ（２）を備えた空気質量流量計（１）であって、前記センサチップ（２）は、マイクロエレクトロメカニカルシステムとして構成され、センサ素子（４）と電子評価回路（５）と電子発振器（３）とを有し、さらに、接着剤（６）を用いて支持体要素（７）上に固定されている空気質量流量計に関している。ここでは、前記センサチップ（２）が第１の領域（１０）と第２の領域（９）とに分割され、前記支持体要素（７）における前記センサチップ（２）の固定が接着剤（６）を用いて専ら前記第１の領域（１０）内で行われ、さらに前記センサ素子（４）と発振器（３）とが第２の領域（９）内に配設されている。

Description

本発明は、センサチップを備えた空気質量流量計であって、
前記センサチップは、マイクロエレクトロメカニカルシステムとして構成され、
前記センサチップは、センサ素子と電子評価回路と電子発振器とを有しており、
さらに前記センサチップは、接着剤を用いて支持体要素上に固定されている、空気質量流量計に関している。

空気質量流量計は、流路内の媒体の質量流量を検出するのに適している。この種の流路は、例えば内燃機関の吸気管路であり得る。この空気質量流量計によって検出された測定流量に依存して、例えば内燃機関の運転モードの診断を実施し、さらに内燃機関の制御を行うことが可能である。このような目的のためには、異なる運転条件のもとでも測定流量実際値のできるだけ高精度でかつ信頼性の高い検出が重要となってくる。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９７ ２４ ６５９号明細書からは、センサ素子が唯一つのチップ上に配置されて集積されている、センサ素子を含んだ測定流量センサ装置が開示されている。ここではさらに次のような電子評価ユニットも開示されている。すなわち、電子評価ユニット自体は別個に構成されているが、センサユニットと電気的に接続されている電子評価ユニットである。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０１ ３５ １４２号明細書からは、ハウジング本体を備え、該ハウジング本体内に質量流量センサのセンサ素子が配置されている、質量流量測定装置が開示されている。前記ハウジング本体は、センサ素子が配設されている測定管路内へ、媒体流が流れこんでゆく入口領域を有している。さらに前記ハウジング本体は、そこから液体粒子と固体粒子が流れ出し、それによって測定管路を通過するように媒体が流れてゆく吐出開口部を有している。

本発明の課題は、特に信頼性が高くて正確なデータの評価が可能な空気質量流量計を提供することである。

前記課題は、独立請求項の特徴部分に記載されている本発明によって解決される。本発明の有利な実施形態は従属請求項に記載されている。

本発明は、センサチップが、第１の領域と第２の領域に分割され、支持体要素におけるセンサチップの固定が、接着剤を用いて専ら第１の領域内で行われ、さらにセンサ素子と発振器とが第２の領域内に配設されていることを特徴としている。但しこのようなセンサチップと支持体要素との接着は、第１の領域に対して、熱的影響の結果としての著しい材料ストレスが発生し得ることをもたらす。ここで、支持体要素材料とセンサチップ材料の異なる熱膨張係数によって、材料ストレスがもたらされると、それは特定の電子回路にも影響を及ぼすことを意味する。しかしながら本発明では、発振器とセンサ素子が第２の領域に配設されていることによって、熱的材料ストレスによる影響を受けることはない。このことにより発振器は特に安定して動作し、その結果としてデータ処理に対し、高品質な時間基準が得られるようになる。またセンサ素子も、ストレスのない配置構成によって機械的な負荷から保護される。このことは、一方ではセンサ素子の寿命を高めると同時に、他方では質量流量の非常に正確な測定を可能にする。

本発明の別の有利な実施形態によれば、支持体要素が打抜板金パーツとして構成されている。この打抜板金パーツは、リードフレームとしても公知であり、その有利な製造コストに基づいて多岐に亘る利用が考えられる。この打抜板金パーツは、自動車メーカー側にとっても、センサ素子と電子回路のための支持体として特に好適であることが判明している。

さらに別の有利な実施形態によれば、前記センサ素子が膜構造部として構成されている。この膜構造部には、第１の温度センサと第２の温度センサ、並びに加熱素子が形成されていてもよい。そのように形成されたセンサ素子は、特に良好なセンサ特性を有するようになる。通過する空気質量流量は、このセンサ素子によって、非常に正確かつ迅速に検出されるようになる。

以下の明細書では、本発明の実施例を、図面に基づいて詳細に説明する。これらの図面中、構造の同じ若しくは機能の同じ構成要素には、同じ符号が付される。

空気質量流量計の側面を示した側面図 図１の空気質量流量計を上から見た平面図 図１及び図２による空気質量流量計の通流管路内での取り付け位置を示した図

図１には、センサチップ２と支持体要素７を備えた空気質量流量計１が示されている。この支持体要素７は、リードフレームとして構成されていてもよい。センサチップ２は、電子評価回路５と、センサ素子４と、発振器３とを有している。センサ素子４は、マイクロメカニカル処理によって膜構造部としてセンサチップ２に設けられていてもよい。発振器３は、電子回路として構成され、精度の高い正確なデータ処理のために必要である。その際には、発振器３を非常に正確に、いつも同じ周波数で振動させ続けることが重要である。センサチップ２は、接着剤６を用いて支持体要素７に被着されている。この支持体要素７は例えば金属から形成され、センサチップ２は珪素からなっていてもよい。この金属と珪素は、異なる熱膨張係数を有しているため、温度変化が生じた場合には、第１の領域１０において、センサチップ２上に機械的ストレスを引き起こす。この機械的ストレスは電子回路の機能に障害をもたらす。センサチップ２は第２の領域９を有しており、この第２の領域９はストレスから解放されている。なぜなら支持体要素７への接着結合箇所を持っていないからである。この第２の領域９においては、発振器３とセンサ素子４が形成されている。このストレスのない第２の領域８内のセンサ素子４と発振器３の配置構成は、当該の空気質量流量計に非常に正確な測定結果をもたらす。一方で、この発振器３は正確に設定された固定（一定）の周波数で振動され、他方では、センサ素子４内にマウントされた電子素子は機械的負荷を受けることはないので、それによって空気質量流量の特に正確な検出を行うことができるようになる。さらに図１には、ボンディングワイヤ８が示されており、このボンディングワイヤ８はセンサチップ２と支持体要素７とを電気的に接続している。リードフレームとして構成されていてもよい支持体要素７上には、自動車内の後続する電子回路への接続が形成される。この場合の後続する電子回路とは、例えば電子式エンジン制御装置であってもよい。

図２には、図１による空気質量流量計１の平面図が示されている。図２からは、発振器３とセンサ素子４と電子評価回路５とを備えたセンサチップ２が見て取れる。電子評価回路５の下方には、接着剤６が示されており、この接着剤６によってセンサチップ２が支持体要素７に接合されている。この接着剤６を用いた、センサチップ２と支持体要素７との間の接合によって、温度変化に基づく機械的なストレスにさらされる第１の領域が形成される。機械的なストレスから完全に開放される第２の領域９には、発振器３とセンサ素子４とが配置されている。その上さらにこの図からは、複数のボンディングワイヤ８が識別でき、それらのボンディングワイヤ８は、センサチップ２と支持体要素７との間で電気的な接続を形成している。

図３には、例えば自動車内に配設が可能な空気質量流量計１が示されている。この空気質量流量計１は、通流管路１１内に配設され、当該通流管路１１内で媒体流、例えば空気流にさらされている。通流管路１１は、例えばハウジング本体１３のバイパス管路として構成されていてもよい。前記ハウジング本体１３は、例えば自動車の内燃機関の吸気管路内でエアーフィルタに対して下流側に配設されている。通流管路１１は、ハウジング本体１３の上方の管路壁部と下方の管路壁部によって区切られている。ハウジング本体１３は、典型的には、次のように構成されている。すなわち、吸気管路内の空気流量の一部を、予め定められたバイパス管路の経過を介して空気質量流量計１に誘導し、その際には例えば砂や埃などの比較的大きな粒子状物質は一緒に運ばないように構成されている。この種の粒子状物質は、空気質量流量計１に障害をもたらし、使用できないようにしてしまうものである。

図３では通流管路１１内の媒体流の所定の通流方向１２は、矢印によって示されている。

空気質量流量計１のセンサチップ２は、有利には、マイクロエレクトロメカニカルシステムとして構成されている（ＭＥＭＳ）。センサチップ２には電子評価回路５とセンサ素子４と発振器３とが集積されている。

センサ素子４は、片持式の膜構造部（メンブレン）を有しており、該膜構造部は、例えば窒化珪素膜及び／又は酸化珪素膜として形成され、例えば５μｍの膜厚を有していてもよい。この膜構造部は、センサチップ２のフレーム内に配置されている。前記膜構造部の作成は、例えば窒化珪素膜及び／又は酸化珪素膜がコーティングされているシリコンウエハのエッチング処理を用いて行われてもよい。前記膜構造部には、例えば第１の温度センサと第２の温度センサ並びに加熱素子が配設されている。前記第１の温度センサと第２の温度センサは、例えばゼーベック効果に基づいて、そのつどの温度を表わしそれぞれの各温度センサによって検出される各電圧を得ることのできる熱電素子として構成されている。但し基本的には、当該第１の温度センサと第２の温度センサの当業者に公知のその他の実施形態、例えば温度依存性の抵抗を用いた実施形態なども可能である。加熱素子は、例えば温度依存性の抵抗素子として構成されていてもよい。この加熱素子は、有利には、空気質量流量計１の中央の長手軸線に沿って膜構造部上に配置されてもよい。抵抗素子は、少なくとも１つの導体線路を含んでいる。この導体線路は、少なくとも１つの導体路の電流通流に基づいて膜構造部を加熱する。有利には、第１の温度センサと第２の温度センサは、膜構造部の表面に配設される。この膜構造部の表面には、加熱素子も配設されている。第１の温度センサと第２の温度センサは、加熱素子の側方において、当該加熱素子の種々異なる側に配置されてもよい。

空気質量流量計１は、有利には次のように通流管路１１内に配設される。すなわち、センサ素子４と電子評価回路５が配設されている、センサチップ２の１つの面が、媒体流の通流方向に対して実質的に平行に配向されるように配設される。

電子評価回路５は、第１の温度センサと第２の温度センサのそれぞれから得られる電圧と、該電圧によって表わされる検出温度とに依存して、温度の差分を求めることができ、さらに該温度差分に依存してセンサ信号が、センサチップ２に統合されている出力側の接続端子から得ることのできるように構成されている。このセンサ信号は、通流管路１１を通る媒体流の質量流量を表わすものである。前記接続端子は、例えばボンディングパッドとして構成されていてもよい。このボンディングパッドは、ボンディングワイヤ８を介して支持体要素７との電気的な接続を可能にすると共に、当該支持体要素に後置接続された車両側電子回路との接続を可能にし得る。

前記電子評価回路５は、センサチップ２上で、少なくとも領域毎に保護層Ｃでコーティングされていてもよい。これは空気媒体流中の粒子状汚染物質による損傷を回避させるためのものである。有利には、自動車の内燃機関の作動中に通流管路ＦＣ内の媒体流に直接さらされる電子評価回路５の領域のみが、特にこの保護層によってコーティングされてもよい。また代替的に、電子評価回路５の全ての領域がセンサチップ２上で前記保護層によってコーティングされるものであってもよい。但しその際には、当該保護層は、センサ素子４はコーティングしないようにセンサチップ２上に被着される。

有利には前記保護層は、ポリイミド層として構成され、ＭＥＭＳ処理ステップにおいて製造される質量流量センサＬＭＭの製造ステップ中に、センサチップ２の相応の領域上に被着される。その際、当該質量流量センサＬＭＭは、保護層の被着前に、有利には既に完成状態で実装ないしは作成されてもよいし、及び／又は、既に質量流量を求めるために使用可能な状態であってもよい。ここでは、例えばポリイミドレジンが溶剤に熔解され、それがセンサチップ２の相応する領域に吹き付けられてもよい。その後で、当該溶剤がセンサチップ２の加熱によって蒸発され、完成したポリイミド層への移行が行われる。例えば、媒体流中の湿度と粒子状汚染物質に対する十分な保護を保証するために、５μｍの層厚さで被着が行われてもよい。その際には、まずセンサチップ２全体が被着され、その後に続く製造ステップにおいて、センサ素子ＳＵの領域と、場合によってはセンサチップＳのさらなる別の領域とが選択的にポリイミド層から開放されるようにしてもよい。また代替的に、ポリイミド層は、唯一の製造ステップにおいて、少なくともセンサ素子２の領域を除いて既に選択的に、センサチップ２上に被着されてもよい。

本発明によれば、有利には、前記支持体要素は、打抜き板金パーツとして構成されている計。

また有利には、前記センサ素子４は、膜構造部（メンブレン）として構成されている。

また有利には、前記膜構造部（メンブレン）上に第１の温度センサと第２の温度センサと加熱素子とが形成されている。

Claims (4)

1. センサチップを備えた空気質量流量計（１）であって、
   前記センサチップ（２）は、マイクロエレクトロメカニカルシステムとして構成され、
   前記センサチップ（２）は、センサ素子（４）と電子評価回路（５）と電子発振器（３）とを有しており、
   さらに前記センサチップ（２）は、接着剤（６）を用いて支持体要素（７）上に固定されている、空気質量流量計（１）において、
   前記センサチップ（２）が、第１の領域（１０）と第２の領域（９）とに分割されており、
   前記支持体要素（７）における前記センサチップ（２）の固定が、接着剤（６）を用いて専ら前記第１の領域（１０）内で行われ、
   さらに前記センサ素子（４）と発振器（３）とが、前記第２の領域（９）内に配設されていることを特徴とする、空気質量流量計。
2. 前記支持体要素（７）は、打抜き板金パーツとして構成されている、請求項１記載の空気質量流量計。
3. 前記センサ素子（４）は、膜構造部（メンブレン）として構成されている、請求項１または２記載の空気質量流量計。
4. 前記膜構造部（メンブレン）上に第１の温度センサと第２の温度センサと加熱素子とが形成されている、請求項３記載の空気質量流量計。

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