JP2017020982A - 熱式空気流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】計測精度を向上させた熱式空気流量計を提供する。
【解決手段】半導体基板に形成された空洞部２８と、空洞部を覆うように形成されたダイアフラム２７とを有し、副通路に配置され被計測流体の流量を計測するセンサチップ４と、センサチップにより検出した流体流量を電気信号に変換する回路部３と、回路部と電気的に接続され外部に信号を出力するコネクタ部と、センサチップ及び回路部を支持する筐体と、センサチップが実装されるプレート２と、プレートが実装されるリードフレーム１を有する熱式空気流量計において、センサチップ及びプレートはセンサチップのダイアフラム及びプレートの一部が露出するように樹脂２４でモールドされ、プレートは、ダイアフラム部裏面をセンサアセンブリ外部と連通するための空気通路１３を有しており、空気通路はプレートの短手方向におけるセンサチップに押しつけられる箇所よりも内側に形成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は被測定気体の流量を計測する流量計に係り、特に、内燃機関の吸入空気量を計測する熱式空気流量計に関する。

気体流量を計測する熱式空気流量計は、流量を計測するための流量検出部を備え、流量検出部と計測対象である気体との間で熱伝達を行うことにより、気体の流量を計測するように構成されている。熱式空気流量計が計測する流量は、様々な装置において重要な制御パラメータとして広く使用されている。熱式空気流量計の特徴は、他方式の流量計に比べ相対的に高い精度で気体流量、例えば質量流量を計測できることである。

しかし、さらなる気体流量計測精度の向上が望まれている。例えば、内燃機関を搭載した車両では、省燃費の要望や排気ガス浄化の要望が非常に高い。これらの要望に応えるには、内燃機関の主要パラメータである吸入空気量の計測高精度化、高速応答化が求められている。内燃機関に導かれる吸入空気量を計測する熱式空気流量計は、吸入空気量の一部を取り込む副通路と副通路に配置されたセンサチップを備え、センサチップに備えられる流量検出部が被計測気体との間で熱伝達を行うことにより、副通路を流れる被計測気体の状態を計測して、内燃機関に導かれる吸入空気量を表す電気信号を出力する。センサチップは半導体マシニング技術により半導体基板に形成された部分的な空洞部と空洞部を覆うように設けられた薄膜部を有する。薄膜部をダイアフラムと呼び、ダイアフラム上に流量検出部を形成することで熱式空気流量計の応答速度の更なる高速化が可能となる。しかし、ダイアフラム上に配置された抵抗体に応力がかかると、ピエゾ効果により抵抗値が変化するため、流量計測時の誤差要因となる。そのため、ダイアフラム上に発生する応力を抑制する技術が必要となる。このような技術は、例えば特許文献１に開示されている。

ＷＯ２０１３０８４２５９Ａ１

特許文献１に記載の技術は、流量検出部である薄膜部からなるダイアフラム構造を有するセンサチップをプレートに搭載し、ダイアフラム裏面の空洞部と外気をプレートに形成された空気通路及び空気孔を介して接続する。そして、センサチップ及びプレートを、流量検出部であるダイアフラム表面を露出した状態で樹脂封止した後、流量を測定する副通路にダイアフラム表面を配置し、ダイアフラム裏面と外気を接続する空気孔を副通路の外に配置する。この技術によれば、流量測定時の温度変化によって生じるダイアフラム表裏面の圧力差を低減でき、ダイアフラムに発生する反りを抑制することができる。そのため、ダイアフラムに発生する応力を低減でき、計測精度低下を抑制することができる。しかし、上記構造では、樹脂封止時にセンサチップがプレートを押すことによって、プレートに曲げ変形が生じ、センサチップが変形するおそれがある。これにより、ダイアフラムに応力が発生し、計測精度が低下するおそれがある。

本発明の目的は、計測精度の高い熱式空気流量計を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の熱式空気流量計は、前記センサチップ及び前記プレートは、前記センサチップのダイアフラム及び前記プレートの一部が露出するように樹脂でモールドされ、前記プレートは、前記ダイアフラム部裏面を前記センサアセンブリ外部と連通するための空気通路を有しており、前記空気通路は、前記プレートの短手方向における前記センサチップに押しつけられる箇所よりも内側に形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、計測精度の高い熱式空気流量計を提供することが可能となる。

本願に係る第１実施例におけるセンサアセンブリ内実装部品の平面図である。 本願に係る第１実施例におけるセンサアセンブリの平面図である。 本願に係る第１実施例におけるセンサアセンブリの断面図である。 本願に係る第１実施例におけるセンサアセンブリ作製時の断面図である。 本願に係る第１実施例における熱式空気流量計平面図である。 本願に係る第１実施例における熱式空気流量計断面図である。 本願に係る第１実施例におけるプレートの平面図及び断面図である。 本願に係る第１実施例におけるセンサアセンブリ作製時の断面図である。 本願に係る第１実施例におけるプレートの平面図及び断面図である。 本願に係る第１実施例におけるプレートの平面図及び断面図である。 本願に係る第２実施例におけるプレートの平面図及び断面図である。 本願に係る第２実施例におけるプレートの平面図である。 本願に係る第２実施例におけるプレートの平面図及び断面図である。 本願に係る第２実施例におけるプレートの平面図及び断面図である。 本願に係る第３実施例におけるプレートの平面図及び断面図である。 本願に係る第３実施例におけるプレートの平面図及び断面図である。 本願に係る第４実施例におけるプレートの平面図及び断面図である。 本願に係る第５実施例におけるプレートの断面図及び拡大図である。 本願に係る第５実施例におけるプレートの断面図及び拡大図である。 本願に係る第６実施例におけるプレートの平面図及び断面図である。 本願に係る第７実施例におけるプレートの平面図及び断面図である。 本願に係る第7実施例における空気通路部に発生する応力の空気通路位置依存性を示した図である。

以下、本発明の実施例について図を用いて説明する。

まず初めに熱式空気流量計の第１実施例について説明する。図１はセンサアセンブリ１０形成前の実装部品の平面図であり、図２はセンサアセンブリ１０形成後の平面図、図３（ａ）は図２上のＡ−Ａ断面図、図３（ｂ）は図２上のＢ−Ｂ断面図である。図１に示すように、センサアセンブリ１０はリードフレーム１、プレート２、ＬＳＩ３、センサチップ４を備えており、図２に示すように、これらが第１樹脂２４で覆われている。具体的な製造方法は、図３に示すように、まず、リードフレーム１上にプレート２を接着テープ５で接着し、さらにプレート２上にＬＳＩ３とセンサチップ４を接着テープ６、接着テープ７で接着する。プレート２は、例えば長方形などの長手方向と短手方向とを有する形状であり、長手方向に並ぶようにセンサチップ４とＬＳＩ３はプレート２上に配置される。なお、このプレート２には、ガラスやシリコンを用いても樹脂を用いても構わない。次に、ＬＳＩ３とセンサチップ４の間、及びＬＳＩ３とリードフレーム１の間をワイヤボンディングにより金線８、９を用いて電気的に結線する。これらを第１樹脂２４によって樹脂封止し、センサアセンブリ１０が完成する。流量検出時は、図２の矢印方向もしくは反対方向から空気２６がセンサチップ４の流量検出部を有するダイアフラム部２７上に流入することで流量を測定する。そのため、センサアセンブリ１０はセンサチップ４のダイアフラム部２７に第１樹脂２４が無い部分露出構造となっている。

図４は、部分露出構造を有するセンサアセンブリ１０の製造工程において、実装部品を上金型１６と下金型１５でクランプしたときの断面図である。金型クランプ後、第１樹脂２４を金型内に流し込むことでセンサアセンブリ１０を作製する。センサチップ４のダイアフラム部２７を上金型１６で押すことによって樹脂封止時の樹脂の流入を防ぐ。これにより、センサアセンブリ１０はダイアフラム部２７が露出する部分露出構造となる。

図５は、副通路１２を含む筐体１１にセンサアセンブリ１０を実装したときの正面図であり、図６は図５上のＡ−Ａ断面図である。筐体１１は主通路を流れる空気をセンサチップ４に導くための副通路１２とセンサアセンブリ１０の保持部２０、２１（副通路の側壁となる）とリードフレーム１の保持部１４を備えており、第２樹脂からなる筐体１１形成と同時にセンサアセンブリ１０が固定される。この際、流量検出部を有するセンサチップ４は空気流量を測定する必要があるため、副通路１２中に配置される。図７はプレート２の正面図及び、図７上のＣ−Ｃ断面図及びＤ−Ｄ断面図である。図７に示すとおり、プレート２は、センサチップ４の搭載領域２９の外側かつ裏面側（リードフレーム側）に減肉部３０を有する。第１実施例における減肉部３０は、プレート２の短手方向終端まで設けられている。

次に、第１実施例による作用効果について説明する。図４に示すセンサアセンブリ１０の製造工程において、ダイアフラム部２７の部分露出構造形成のため、センサチップ４を上金型１６で押す。これにより、プレート２表面はセンサチップ４から押し荷重を受け、プレート２裏面は、リードフレーム１から上記押し荷重に伴う反力を受ける。プレート２に減肉部３０が形成されない場合、図８に示すように、プレート２とセンサチップ４との接触領域に比べプレート２とリードフレーム１との接触領域が大きく、リードフレーム１から受ける反力が分散するため、プレート２に曲げ変形が生じる。プレート２に曲げ変形が生じると、センサチップ４の変形を助長し、ダイアフラム部２７に応力が発生するため、計測精度が低下するおそれがある。本実施例では、プレート２のセンサチップ４の搭載領域２９の外側に減肉部３０を設けることで、プレート２とセンサチップ４との接触領域とプレート２とリードフレームとの接触領域の差をセンサチップ搭載領域２９近傍で小さくすることができ、プレートの曲げ変形を抑えることが可能となる。

図７に特に好ましい減肉部２０の構成を示す。減肉部３０は、減肉部３０のセンサ搭載領域側の側面と、センサチップ４の側面とがほぼ面一となるように、プレート２の裏面側（リードフレーム側）に設けられる。このように減肉部３０を形成することにより、図４（ｂ）の断面図に示すようにプレート２の表裏面の接触領域がほぼ同等となり、リードフレーム１から受ける反力がセンサチップ搭載領域２９近傍に集中する。そのため、図８に示すようなプレート２の曲げ変形をさらに抑制することができ、流量測定精度をより高精度に維持できる。

また、図９に示すように、プレート２に形成する空気通路１３を１本とした構成や、図１０に示すように、出口開口１７をセンサチップ４の搭載領域２９直下に形成した構成としても、同等の作用効果を奏することは言うまでもない。

次に、本発明第２実施例について図１１〜図１４を用いて説明する。第１実施例と同様の構成については説明を省略する。

第１実施例と異なる構成は、図１１〜１２に示すように、プレート２に形成する減肉部３０を、プレートの短手方向において、センサチップ４の搭載領域２９の外側且つ、プレート２の側面より内側に配置している点である。言い換えると、減肉部３０は、プレート２の短手方向終端まで設けられていない。プレート２は、例えばウエハー状のガラスや樹脂を小片化することで作製するが、切断面であるプレート２の側面が薄いと、小片化時にプレート２が欠けやすく、歩留まりが低下するおそれがある。本実施例では、プレート２の側面より内側に減肉部３０を設けるため、プレート２側面の薄肉化を抑制でき、小片化時の歩留まり低下を防止することができる。本構成でも先の実施例と同等の作用効果を奏することは言うまでもない。

さらなる変形例として、図１３〜図１４に示すように、プレート２に設けられる減肉部３０を空気通路１３と連結する構造とする。減肉部３０が密封されることを防止することにより、熱変化による空気の体積変動に起因するセンサチップの変形を抑えることが可能となる。

次に、本発明の第３実施例について図１５〜図１６を用いて説明する。第１実施例と第２実施例と同様の構成については説明を省略する。

第１実施例および第２実施例と異なる構成は、図１５に示すようにセンサチップ４の搭載領域２９の側面とプレート２の側面が面一になるようにプレート２を形成している点である。

また、図１６に示す第３実施例の変形例では、センサチップ４の搭載領域２９側面とプレート２側面が搭載領域２９側面近傍においてのみ、面一になるようにプレート２を形成する構成としている。言い換えると、プレート２は、センサ搭載領域２９の短手方向の幅がセンサチップの短手方向（流量検出方向ともいう）の幅と等しい構成を有する。本構成でも先の実施例と同等の作用効果を奏することは言うまでもない。

次に、本発明の第４実施例について図１７を用いて説明する。第１実施例乃至第３実施例と同様の構成については説明を省略する。

図８に示すようなプレート２の曲げ変形は、プレート２の板厚の３乗に比例して減少する。そのため、空気通路１３の深さｄが大きくなると空気通路直上のプレート２の厚さは小さくなり、曲げ変形が大きくなる。したがって、図１７に示すように、プレート２の厚さＴを大きく、空気通路１３の深さｄを小さくすることで曲げ変形を抑制することができる。上記曲げ変形を抑制するには、ｄ＜T／２となることがのぞましい。一方、空気通路１３の深さｄがプレート２とリードフレーム１を接着する接着シート５の厚さｔより小さいと、センサアセンブリ１０作製時に、空気通路１３が接着シート５によって閉塞するおそれがあるため、空気通路１３の深さｄは、接着シート５の厚さｔよりも大きいこと（ｔ＜ｄ）が好ましい。以上より、プレート２の厚さＴ、空気通路の深さｄ、接着シートの厚さｔは、ｔ＜ｄ＜Ｔ／２となることが好ましい。

次に、本発明の第５実施例について図１８〜１９を用いて説明する。第１実施例乃至第４実施例と同様の構成については説明を省略する。

図１８はプレート２の断面図及び空気通路１３の拡大図である。例えば、プレート２にガラスを用いた場合、プレート２の空気通路１３及び減肉部３０は、サンドブラスト加工により形成するが、このとき、図１８の拡大図に示すような微小なクラックや傷が空気通路１３及び減肉部３０の表面上に生じる。一方、図８に示すようなプレート２の曲げ変化が生じると空気通路１３及び減肉部３０は応力集中部となるため、この応力集中を低減することが好ましい。本実施例では、図１９の拡大図に示すようにフッ酸処理等の表面処理によって、空気通路１３及び減肉部３０形成時に生じる微小なクラックや傷を除去し、応力集中を低減することができる。

次に、本発明の第６実施例について図２０を用いて説明する。

第１実施例乃至第５実施例では、プレート２に空気通路１３を設けてダイアフラム部２７の裏面を密封しない構成について説明した。しかしながら、本発明は空気通路１３を設けずに、ダイアフラム部２７の裏面を密封する構造においても有効である。ダイアフラム部２７の裏面側が密閉している場合、流量測定時の温度変化による空気の膨張収縮でダイアフラム部２７の表裏面に圧力差が生じ、この圧力差によりダイアフラム部２７に反り変形が生じることで流量測定誤差となり得る。そして、流量測定誤差の要因としては、更にプレートの変形に起因するダイアフラム部の反りが存在するところ、本発明の第１乃至第５実施例に記載の発明によると、プレートの変形を抑えることが可能となる。そのため、ダイアフラム部２７を密封した場合であっても、流量測定時の温度変化を計測し、ダイアフラム部２７に発生する反り変形に起因する測定誤差分を補正することで、測定精度の低下を抑制することが可能である。

次に、本発明の第７実施例について図２１、図２２を用いて説明する。

先の実施例と異なる構成は、プレート２に設ける空気通路１３を、センサチップ４がプレート２を押付ける領域３１より内側に設け、さらに空気通路１３をプレート２の長手方向のみに形成し、出口開口１７と連通している点である。

本実施例の作用効果について説明する。センサアセンブリ１０形成時には、下金型１５及び上金型１６のクランプにより、プレート２はセンサチップ４の押付け領域３１から圧縮荷重を受け、空気通路１３に応力が集中し、プレート２に曲げ変形が生じる。図２２は、図２１のD-D断面について、空気通路１３の中心からの距離W1とセンサチップ４の押付け領域３１の中心からの距離W2の比W1/W2と、空気通路１３に発生する応力(W1/W2＝1.1のときの発生応力の比)の関係である。図２２より、センサチップ押付け領域３１直下に空気通路１３を設ける(W1/W2=1.0)と、空気通路１３が応力集中しやすくなる。本実施例では、プレート２に設ける空気通路１３を、センサチップ４がプレート２を押付ける領域３１より内側に設けることとした。これにより、センサチップ押付け領域３１直下の高応力領域を避けるように空気通路１３を設けることができ、プレート２の曲げ変形を抑制できる。さらに、空気通路１３をプレート２の長手方向のみに形成し、出口開口１７と連通することで空気通路１３の形成によるプレート２の減肉領域を低減することができる。減肉領域が小さいほどプレート２の曲げ剛性は向上するため、センサアセンブリ１０形成時のプレート２の曲げ変形を抑制でき、より高信頼なセンサアセンブリ１０を提供できる。

本実施例による作用効果は、先の実施例と組み合わせることでも同等もしくはそれ以上の効果を奏することは言うまでもない。

１…リードフレーム
２…プレート
３…ＬＳＩ
４…センサチップ
５…接着テープ
６…接着テープ
７…接着テープ
８…金線
９…金線
１０…センサアセンブリ
１１…筐体
１２…副通路
１３…空気通路
１４…保持部
１５…下金型
１６…上金型
１７…出口開口
２０…保持部
２１…保持部
２４…第１樹脂
２６…空気
２７…ダイアフラム部
２８…空洞部
２９…センサチップ搭載領域
３０…減肉部
３１…センサチップ押付け領域

Claims (8)

1. リードフレームと、前記リードフレーム上に設けられるプレートと、前記プレート上に設けられるセンサチップと、前記センサチップのダイアフラム部を露出するよう設けられる樹脂と、を有するセンサアセンブリと、を備え、
   前記ダイアフラム部が副通路内に位置するように設けられる熱式空気流量計において、
   前記プレートは、前記ダイアフラム部裏面を前記センサアセンブリ外部と連通するための空気通路を有しており、
   前記空気通路は、前記プレートの短手方向における前記センサチップに押しつけられる箇所よりも内側に形成されていることを特徴とする熱式空気流量計。
2. 前記空気通路は、長手方向に延存する形状のみであることを特徴とする請求項１に記載の熱式空気流量計。
3. 前記プレートと前記リードフレームとを接着する接着シートの厚さｔと、前記プレートの厚さＴと、前記空気通路深さｄとの関係が、ｔ＜ｄ＜Ｔ／２なる関係となることを特徴とする請求項１乃至２に記載の熱式空気流量計。
4. 前記空気通路及び前記減肉部はフッ酸処理による表面処理が施されていることを特徴とする請求項１乃至３に記載の熱式空気流量計。
5. 前記プレートの側面は、少なくとも前記センサチップ搭載領域において、前記センサチップの側面とほぼ面一になることを特徴とする請求項１乃至４に記載の熱式空気流量計。
6. 前記プレートはシリコンであることを特徴とする請求項１乃至５に記載の熱式空気流量計。
7. 前記プレートはガラスであることを特徴とする請求項１乃至５に記載の熱式空気流量計。
8. 前記プレートは樹脂であることを特徴とする請求項１乃至５に記載の熱式空気流量計。

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