JP2017096632A - 流量センサ - Google Patents

Abstract

【課題】高感度および高精度の流量センサを実現する。【解決手段】流量センサは、第１発熱抵抗体３と、第１発熱抵抗体３から離隔して、第１発熱抵抗体３の上流側に設けられた上流側測温抵抗体４と、第１発熱抵抗体３から離隔して、第１発熱抵抗体３の下流側に設けられた下流側測温抵抗体５とを備え、さらに、上流側測温抵抗体４の上方に、絶縁膜を介して上流側測温抵抗体４を加熱する第２発熱抵抗体６を備える。そして、第２発熱抵抗体６を給電により発熱させて上流側測温抵抗体４を加熱し、上流側測温抵抗体４の抵抗値と下流側測温抵抗体５の抵抗値との差を許容範囲内とすることによって、流量センサのゼロ点補正を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、流量センサに関する。

現在、自動車などの内燃機関の電子制御燃料噴射装置に設けられる流量センサとして、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems：微小電気機械システム）技術により製造された熱式流量センサが、コストを低減でき、かつ低電力で駆動できることから注目されている。

本技術分野の背景技術として、特許第５２１０４９１号公報（特許文献１）および特開２０１２−７８２２８号公報がある。

特許第５２１０４９１号公報（特許文献１）には、発熱抵抗体と測温抵抗体を同一基板内に同一材料で形成した場合、抵抗体でブリッジ回路を構成すると発熱抵抗体のみ高温で熱劣化が進みブリッジ回路のバランスが変化し、流量精度の低下につながる課題が記載されている。この対策として、発熱抵抗体と測温抵抗体との間に低温の発熱抵抗体を追加し、測温抵抗体とブリッジ回路を形成することで、熱劣化が少ない発熱抵抗体で温度を正確にモニタでき、長期にわたり高性能を維持できることが記載されている。

また、特開２０１２−７８２２８号公報（特許文献２）には、発熱抵抗体に３つの端子を設け、これら端子を介して発熱抵抗体に通電することで、上流側発熱抵抗体と下流側発熱抵抗体との間に発熱量差を発生させ、上流側測温抵抗体が発熱抵抗体から受ける熱的影響と、下流側測温抵抗体が発熱抵抗体から受ける熱的影響とを異ならせる技術が記載されている。これにより、流量測定の基準となる温度差−流量特性を自在に変更し、適用誤差による検出値のシフトを相殺することができる。

特許第５２１０４９１号公報 特開２０１２−７８２２８号公報

発熱抵抗体と、上流側測温抵抗体と、下流側測温抵抗体とを有する熱式流量センサを、例えば自動車などの内燃機関に用いた場合、内燃機関が駆動している殆どの状態において、下流側測温抵抗体は発熱抵抗体と同程度の高温となることから、下流側測温抵抗体への熱影響が大きく、上流側測温抵抗体と比べて下流側測温抵抗体の方が経過時間に依存した抵抗値の変化が大きくなる。そのため、上流側測温抵抗体および下流側測温抵抗体から構成されるブリッジ回路の出力を無風時に合わせたゼロ点が、経過時間と共に変化し、流量精度が低下するという懸念があった。

上記課題を解決するために、本発明による流量センサは、第１発熱抵抗体と、第１発熱抵抗体から離隔して、第１発熱抵抗体の上流側に設けられた上流側測温抵抗体と、第１発熱抵抗体から離隔して、第１発熱抵抗体の下流側に設けられた下流側測温抵抗体と、上流側測温抵抗体に絶縁体を介して設けられた第２発熱抵抗体とを有する。そして、第２発熱抵抗体を給電により発熱させて上流側測温抵抗体を加熱して、上流側測温抵抗体の抵抗値と下流側測温抵抗体の抵抗値との差を許容範囲内とすることにより、流量センサのゼロ点補正を行う。

本発明によれば、高感度および高精度の流量センサを実現することができる。

上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施の形態の説明により明らかにされる。

実施例１によるセンサチップの要部平面図である。 図１のＡ−Ａ´線におけるセンサチップの要部断面図である。 図１のセンサチップを備えるセンサモジュールの要部平面図である。 図３のＢ−Ｂ´線におけるセンサモジュールの要部断面図である。 実施例１による熱式流体流量センサが取り付けられた内燃機関の吸気通路の要部断面図である。 実施例１の変形例によるセンサチップの要部断面図である。 実施例１による熱式流体流量センサの回路図である。 実施例１による熱式流体流量センサを自動車に組み込んだ際の熱式流体流量センサの動作フロー図である。 実施例１による熱式流体流量センサにおいて、測温抵抗体を直接加熱した場合の一定抵抗変化に要する加熱温度と加熱時間との関係を示すグラフ図である。 実施例２によるセンサチップの要部平面図である。 図１０のＣ−Ｃ´線におけるセンサチップの要部断面図である。 実施例３によるセンサチップの要部断面図である。 実施例４によるセンサチップの要部平面図である。 図１３のＤ−Ｄ´線におけるセンサチップの要部断面図である。 実施例５によるセンサチップの要部断面図である。 実施例５の変形例によるセンサチップの要部断面図である。

以下の実施の形態において、便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。

また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。

また、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。

また、「Ａからなる」、「Ａよりなる」、「Ａを有する」、「Ａを含む」と言うときは、特にその要素のみである旨明示した場合等を除き、それ以外の要素を排除するものでないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。

また、以下の実施の形態で用いる図面においては、平面図であっても図面を見易くするためにハッチングを付す場合があり、断面図であっても図面を見易くするためにハッチングを省略する場合もある。また、断面図および平面図において、各部位の大きさは実デバイスと対応するものではなく、図面を分かりやすくするため、特定の部位を相対的に大きく表示する場合がある。また、断面図と平面図が対応する場合においても、図面を分かりやすくするため、特定の部位を相対的に大きく表示する場合がある。

また、以下の実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。以下、本実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

本実施例１による熱式流体流量センサについて説明する。本実施例１による熱式流体流量センサは、温度により抵抗体の抵抗値が変化する特性を利用して、流体流量を検出する熱抵抗方式の熱式流体流量センサである。

＜熱式流体流量センサの構造＞
本実施例１による熱式流体流量センサの構造について、図１〜図５を用いて説明する。図１は、本実施例１によるセンサチップの要部平面図である。図２は、図１のＡ−Ａ´線におけるセンサチップの要部断面図である。図３は、図１のセンサチップを備えるセンサモジュールの要部平面図である。図４は、図３のＢ−Ｂ´線におけるセンサモジュールの要部断面図である。図５は、本実施例１による熱式流体流量センサが取り付けられた内燃機関の吸気通路の要部断面図である。

図１および図２に示すように、熱式流体流量センサのセンサチップ１は、単結晶Ｓｉ（シリコン）からなる半導体基板２と、流量検出のため半導体基板２の一部が除去されたダイヤフラム部９とを有する。

半導体基板２上に、第１絶縁膜１０を介して第１発熱抵抗体３と、第１発熱抵抗体３の上流側に配置された上流側測温抵抗体４と、第１発熱抵抗体３の下流側に配置された下流側測温抵抗体５と、第１発熱抵抗体３の温度を測定する第１発熱抵抗体用測温抵抗体７とが形成されている。第１発熱抵抗体用測温抵抗体７は、第１発熱抵抗体３と上流側測温抵抗体４との間および第１発熱抵抗体３と下流側測温抵抗体５との間にそれぞれ配置されている。

第１発熱抵抗体３、上流側測温抵抗体４、下流側測温抵抗体５および第１発熱抵抗体用測温抵抗体７は第２絶縁膜１１により覆われており、上流側測温抵抗体４の上方に、第２絶縁膜１１を介して、例えば第１発熱抵抗体４と同一材料からなる第２発熱抵抗体６が形成されている。すなわち、平面視において第２発熱抵抗体６の一部は上流側測温抵抗体４と重なっている。第２発熱抵抗体６は第３絶縁膜１２により覆われている。なお、第２発熱抵抗体６は、第１発熱抵抗体３と異なる材料によって形成してもよい。

第１絶縁膜１０、第２絶縁膜１１および第３絶縁膜１２は、例えば酸化シリコンからなる単層膜、窒化シリコンからなる単層膜、酸化シリコンと窒化シリコンとを重ねた積層膜または酸化シリコンと窒化シリコンとを交互に複数重ねた積層膜からなる。

また、外部への入出力のため、第２絶縁膜１１および第３絶縁膜１２を除去して、各抵抗体（第１発熱抵抗体３、上流側測温抵抗体４、下流側測温抵抗体５、第２発熱抵抗体６および第１発熱抵抗体用測温抵抗体７）のそれぞれの一部を露出した複数の電極パッド８を有している。後述するワイヤボンディングを良好なものとするため、各抵抗体（第１発熱抵抗体３、上流側測温抵抗体４、下流側測温抵抗体５、第２発熱抵抗体６および第１発熱抵抗体用測温抵抗体７）のそれぞれの電極パッド８上に、例えばＡｌ（アルミニウム）からなる金属膜を設けてもよい。

さらに、第３絶縁膜１２上に有機絶縁膜を形成してもよく、その場合は、少なくとも各抵抗体（第１発熱抵抗体３、上流側測温抵抗体４、下流型測温抵抗体５、第２発熱抵抗体６および第１発熱抵抗体用測温抵抗体７）の上方の有機絶縁膜は除去する、または、ダイヤフラム部９の上方の有機絶縁膜全体を除去する。

第２発熱抵抗体６は、第１発熱抵抗体３よりも上流側測温抵抗体４に近接しており、熱伝達が良好な場所、例えば上流側測温抵抗体４の上方に設けられている。本実施例１では、第２発熱抵抗体６が、第２絶縁膜１１を介して上流側測温抵抗体４の上方に設けられているため、第２絶縁膜１１の厚さで、第２発熱抵抗体６と上流側測温抵抗体４との距離が決まる。第１絶縁膜１０の上面と第３絶縁膜１２の下面とに挟まれた第２絶縁膜１１の厚さＴ１は、例えば０．１μｍ〜１μｍの範囲である。

また、上流側測温抵抗体４と下流側測温抵抗体５とは、第１発熱抵抗体３を挟んで吸気の流れる方向に線対称となるように設けられており、これにより、無風時における上流側測温抵抗体４の熱分布と下流側測温抵抗体５の熱分布とが等しくなる。

なお、本実施例１では、平面視において第２発熱抵抗体６の一部が上流側測温抵抗体４と重なったセンサチップ１を例示したが、これに限定されるものではなく、上記重なりは必須の条件ではない。第１発熱抵抗体３と第２発熱抵抗体６とをむすぶ直線の中点が、上流側測温抵抗体４と下流側測温抵抗体５とをむすぶ直線の中点よりも上流側に位置するように、第２発熱抵抗体６が形成されていればよい。これは、後述する実施例２および３においても同様である。

次に、図３および図４に示すように、センサモジュール１３は、支持基板１４と、支持基板１４に形成された凹部１５とを有する。

凹部１５の内側に、センサチップ１が接着剤１６により固定されており、凹部１５が形成された領域以外の支持基板１４上に制御用回路チップ１７が搭載されている。さらに、制御用回路チップ１７の一部の電極パッド１８とセンサチップ１の電極パッド８とは、ボンディングワイヤ１９ａを介して電気的に接続されている。また、制御用回路チップ１７の他の一部の電極パッド（外部への入出力端子用の電極パッド）１８と支持基板１４上に形成された外部入出力端子２０とは、ボンディングワイヤ１９ｂを介して電気的に接続されている。

センサチップ１の電極パッド８および制御用回路チップ１７の電極パッド１８は腐食しやすいため、電極パッド８、電極パッド１８および制御用回路チップ１７は腐食防止用の樹脂２１で覆われている。

なお、ダイヤフラム部９は流体の検出部となるため、ダイヤフラム部９の表面側は腐食防止用の樹脂２１が覆わないようにし、かつダイヤフラム部９の支持基板１４に固定する裏面側は接着剤１６でダイヤフラム部９が密閉されないようにする。

次に、図５に示すように、熱式流体流量センサ２２は、ボディ２３と、ボディ２３の中に形成された副通路２４と、センサモジュール１３を固定する支持体２５と、支持体カバー２６とを有する。

センサモジュール１３の吸気流量検出部である、センサチップのダイヤフラム部９に吸気２９が流れるように、センサモジュール１３は、支持体２５および支持体カバー２６によって熱式流体流量センサ２２に固定してある。また、熱式流体流量センサ２２は、吸気管２７に貫通して装着され、主通路２８に流れる吸気２９が副通路２４内に取り込まれるように、吸気管２７に設けられている。図５には、副通路２４は、吸気管２７と並行で、かつ直線的に簡略化して示されているが、副通路２４は、ボディ２３内で曲線や分岐の形状を有していてもよい。

なお、本実施例１では、図２に示すように、上流側測温抵抗体４上に、第２絶縁膜１１を介して第２発熱抵抗体６を形成しているが、これに限定されるものではない。

例えば図６に示すように、第１絶縁膜１０上に第２発熱抵抗体６を形成し、第２発熱抵抗体６を第２絶縁膜１１により覆い、第２絶縁膜１１上に、第１発熱抵抗体３と、上流側測温抵抗体４と、下流側測温抵抗体５と、第１発熱抵抗体用測温抵抗体７とを形成してもよい。この場合、第２発熱抵抗体６の上方に、第２絶縁膜１１を介して上流側測温抵抗体４を配置する。すなわち、平面視において第２発熱抵抗体６の一部は上流側測温抵抗体４と重なっている。

あるいは、図示は省略するが、第１発熱抵抗体３よりも上流側測温抵抗体４に近接して、第１発熱抵抗体３と同一層の高耐熱材料、例えば高融点金属からなる第２発熱抵抗体６を形成してもよい。

＜熱式流体流量センサの動作フロー＞
本実施例１による熱式流体流量センサの動作フローについて図７および図８を用いて説明する。図７は、本実施例１による熱式流体流量センサの回路図である。図８は、本実施例１による熱式流体流量センサを自動車に組み込んだ際の熱式流体流量センサの動作フロー図である。

図７に示すように、第１発熱抵抗体３の温度は、第１発熱抵抗体用測温抵抗体７で温度モニタし、所望の温度になるようにコントローラ３４によって電圧または電流を制御する。上流側測温抵抗体４および下流側測温抵抗体５は、ダイヤフラム部以外のセンサチップ内または制御用回路チップ内に設けたブリッジ抵抗体３０とブリッジ回路を形成し、上流側測温抵抗体４と下流側測温抵抗体５との間に所定の電圧（Ｖｒｅｆ）を印加する。上流側測温抵抗体４とブリッジ抵抗体３０との中点と、下流側測温抵抗体５とブリッジ抵抗体３０との中点との差電圧を増幅器３１に接続した後、アナログ／デジタルコンバータ（ＡＤＣ）３３などの回路でデジタル変換して電子制御装置（Electronic Control Unit：ＥＣＵ）３６に出力する。

なお、本実施例１では、増幅器３１の後にゼロ点が許容範囲内であるかを否かを判定する比較器３２を設け、許容範囲内から外れた場合には、第２発熱抵抗体６に電圧を印加して、上流側測温抵抗体４を加熱する回路構成となっている。

初期の無風状態では、第１発熱抵抗体３で加熱した状態の上流側測温抵抗体４、下流側測温抵抗体５およびブリッジ抵抗体３０の抵抗値は等しくなるよう設計しており、電子制御装置３６への出力はゼロとなり、この状態を基準に吸気の流量と差電圧の相関をアナログ／デジタルコンバータ３３で変換して出力する。

次に、熱式流体流量センサの動作フローについて説明する。なお、以下の動作フローの説明では、図７に示す熱式流体流量センサの回路図を適宜参照する。図８に示す動作フローに従って、例えば自動車の電子制御燃料噴射装置に組み込まれた熱式流体流量センサにより、流体流量が出力される。

まず、自動車のエンジンを始動する前に、熱式流体流量センサおよび電子制御装置３６などに給電する（工程Ｓ１）。エンジンを始動する前とは、例えば鍵シリンダーに鍵を差し込んだだけの状態を言う。

次に、無風時のゼロ点を比較器３２で確認し、ゼロ点が許容範囲内にであるか否かを判断する（工程Ｓ２）。

許容範囲内（ＯＫ）の場合は、エンジンを始動する（工程Ｓ３）。そして吸気が流れて（工程Ｓ４）、吸気流量が出力される（工程Ｓ５）。

許容範囲外（ＮＧ）の場合は、第２発熱抵抗体６に瞬時に給電し、第２発熱抵抗体６の給電を止めた後（工程Ｓ６）、再度ゼロ点を比較器３２で確認し、ゼロ点が許容範囲内であるか否かを判断する（工程Ｓ２）。すなわち、本実施例１における熱式流体流量センサの動作フローは、ゼロ点を許容範囲内に収めることのできるゼロ点補正モードを有している。

なお、上記説明では、図８に示す動作フローに従って、自動車の最初のエンジンを始動する場合を例示したが、これに限定されるものではない。例えばアイドルストップ機能が装備されている自動車では、自動車が信号などで止まった際にエンジンが止まり、その後、エンジンが再始動する。この場合も、図８に示す動作フローに従って、ゼロ点を補正することができる。

また、他の動作モードとしては、ゼロ点を比較器３２で確認し、許容範囲外の場合は、変動した差電圧から計算して、上流側測温抵抗体４と下流側測温抵抗体５との抵抗変化分だけ、第２発熱抵抗体６を微小に加熱する。そして、再度ゼロ点を比較器３２で確認し、許容範囲内にゼロ点を補正した後、第２発熱抵抗体６の温度を固定して給電しながらエンジンを始動して、吸気流量を出力する。

また、上流側測温抵抗体４の抵抗値と下流側測温抵抗体５の抵抗値とは、互いに等しくなるように設計されているが、製造時のばらつきおよび出荷前の信頼性試験などで無風時のゼロ点が許容範囲を超える熱式流体流量センサが製造されることもある。このような熱式流体流量センサに対しても、第２発熱抵抗体６を用いて、上流側測温抵抗体４の抵抗値と下流側測温抵抗体５の抵抗値とのバランスを改善することによりゼロ点が補正できるので、熱式流体流量センサの製造歩留まりが向上し、製造コストが低減する。

＜本実施の熱式流体流量センサの効果＞
本実施例１による熱式流体流量センサの効果を図１および図９を用いて説明する。図９は、本実施例１による熱式流体流量センサにおいて、測温抵抗体を直接加熱した場合の一定抵抗変化（数Ω）に要する加熱温度と加熱時間との関係を示すグラフ図である。

図９に示すように、加熱温度を１００℃高温にすることにより、加熱時間を約１／１０に低減することができる。

図８に示す動作フローにおいて、熱式流体流量センサでは、使用時間とともに第１発熱抵抗体３の加熱により、上流側測温抵抗体４よりも速く下流側測温抵抗体５の抵抗変化が進むため、ゼロ点が変動する。ゼロ点を補正するには、第２発熱抵抗体６の加熱温度が第１発熱抵抗体３の加熱温度と同等の場合、熱式流体流量センサの使用時間と同じ時間を上流側測温抵抗体４のみに加熱する必要があるが、長時間の加熱が必要となるため、流量検出に支障をきたす。

そこで、本実施例１では、第２発熱抵抗体６の加熱温度を、少なくとも第１発熱抵抗体３の加熱温度よりも高くして、短時間で下流側測温抵抗体５の抵抗値に上流側測温抵抗体４の抵抗値を近づけて、ゼロ点を許容範囲内に補正する。例えば第１発熱抵抗体３を２００℃で加熱している場合、第２発熱抵抗体６を５００℃で加熱することにより、約１／１,０００の時間で、ゼロ点の補正が可能となる。

また、図８に示す動作モードでは、エンジンの始動ごとにゼロ点を確認しているので、許容範囲外になった場合でも、その抵抗値変化は小さいため（例えば１Ω未満）、第２発熱抵抗体６を長時間加熱する必要はない。さらに、第２発熱抵抗体６のパターン（発熱する面積）を第１発熱抵抗体３のパターン（発熱する面積）より小さい面積にすることにより、消費電力を抑え、効率よくゼロ点を補正することが可能となる。

このように、本実施例１によれば、エンジンの使用時間によらず、熱式流体流量センサのゼロ点の変動を瞬時に許容範囲内に抑制できるので、熱式流体流量センサの流量精度を維持することができて、熱式流体流量センサの信頼性を確保することができる。

本実施例２によるセンサチップ１Ａと、前述の実施例１によるセンサチップ１との相違点は、下流側測温抵抗体５の上方に、第２絶縁膜１１を介して第２発熱抵抗体６と同様の抵抗体３５が形成されていることである。

本実施例２によるセンサチップの構造について、図１０および図１１を用いて説明する。図１０は、本実施例２によるセンサチップの要部平面図である。図１１は、図１０のＣ−Ｃ´線におけるセンサチップの要部断面図である。

ダイヤフラム部９内の残留応力は、積層した材料によって変化する。従って、上流側測温抵抗体４の上方のみに、第２絶縁膜１１を介して第２発熱抵抗体６を形成した場合は、センサチップ１Ａの残留応力のバランスが悪くなる可能性がある。

しかし、図１０および図１１に示すように、下流側測温抵抗体５の上方に、第２絶縁膜１１を介して抵抗体３５を形成することにより、第１発熱抵抗体３を挟んで、上流側と下流側とで構造に対象性を保つことができるので、センサチップ１Ａの残留応力のバランスが良好となる。これにより、ダイヤフラム部９の強度が向上し、センサチップ１Ａの信頼性を向上することができる。

平面視において抵抗体３５の一部は下流側測温抵抗体５と重なっており、第１発熱抵抗体３を挟んで吸気の流れる方向に線対称となるように第２発熱抵抗体６と抵抗体３５とは設けられている。

また、抵抗体３５は、独立した電極パッド８を有しており、通常はグランドに接続される。しかし、センサチップ１Ａでは、第１発熱抵抗体３を挟んで吸気の流れる方向に線対称となるように第２発熱抵抗体６と抵抗体３５とが設けられているので、吸気方向を逆に取り付ける仕様に変更した場合でも、抵抗体３５の結線と第２発熱抵抗体６の結線とを変えるだけで、熱式流体流量センサのゼロ点の変動を許容範囲内に抑制する効果を得ることができる。

また、抵抗体３５を第３発熱抵抗体として、第２発熱抵抗体６とは独立に加熱を行い、無風時におけるゼロ点の補正に用いることもできる。

本実施例３によるセンサチップ１Ｂと、前述の実施例１によるセンサチップ１との相違点は、第１発熱抵抗体３が第２発熱抵抗体６と同一層の高耐熱性材料により形成されていることである。高耐熱性材料とは、例えばＷ（タングステン）またはＭｏ（モリブデン）などの高融点金属である。

本実施例３によるセンサチップの構造について図１２を用いて説明する。図１２は、本実施例３によるセンサチップの要部断面図である。

図１２に示すように、半導体基板２上に、第１絶縁膜１０を介して上流側に配置された上流側測温抵抗体４と、下流側に配置された下流側測温抵抗体５と、上流側測温抵抗体４と下流側測温抵抗体５との間に、上流側測温抵抗体４および下流側測温抵抗体５にそれぞれ沿って配置された第１発熱抵抗体用測温抵抗体７とが形成されている。上流側測温抵抗体４、下流側測温抵抗体５および第１発熱抵抗体用測温抵抗体７は第２絶縁膜１１により覆われている。

第２絶縁膜１１上に、第１発熱抵抗体３と、第２発熱抵抗体６と、抵抗体３５とが形成され、上流側測温抵抗体４の上方に第２発熱抵抗体６が形成され、下流側測温抵抗体５の上方に抵抗体３５が形成されている。すなわち、平面視において第２発熱抵抗体６の一部は上流側測温抵抗体４と重なり、抵抗体３５の一部は下流側測温抵抗体４と重なっている。

さらに、第２発熱抵抗体６と抵抗体３５との間に、第２発熱抵抗体６と同一層、同一材料からなる第１発熱抵抗体３が形成されている。平面視において第１発熱抵抗体３の上流側および下流側にそれぞれ第１発熱抵抗体用測温抵抗体７が配置される。

このように、第１発熱抵抗体３を第２発熱抵抗体６と同一層となる構造とし、かつこれらを高耐熱性材料により形成することにより、熱による抵抗劣化を抑制できるので、センサチップ１Ｂの信頼性を向上させることができる。

本実施例４によるセンサチップ５１と、前述の実施例１によるセンサチップ１との相違点は、測温方式である。前述の実施例１の測温方式は、温度により抵抗値が変化する特性を利用した熱抵抗方式である。一方、本実施例４の測温方式は、熱電対を半導体基板上（冷点）と第１発熱抵抗体の近傍（温点）との温度差を利用した熱電対方式である。

本実施例４によるセンサチップの構造について図１３および図１４を用いて説明する。図１３は、本実施例４によるセンサチップの要部平面図である。図１４は、図１３のＤ−Ｄ´線におけるセンサチップの要部断面図である。

図１３に示すように、熱電対を用いたセンサチップ５１は、単結晶Ｓｉ（シリコン）からなる半導体基板６５と、流量検出のため半導体基板６５の一部が除去されたダイヤフラム部６４とを有する。

半導体基板６５上に、ダイヤフラム部６４の中心付近に第１発熱抵抗体５２が設けられており、第１発熱抵抗体５２を挟んで吸気の流れる方向に線対称となるように上流側熱電対５３と下流側熱電対５４とが配置されている。また、上流側熱電対５３の上方に第２発熱抵抗体５５が配置され、下流側熱電対５４の上方に抵抗体５６が配置されており、第２発熱抵抗体５５と抵抗体５６とは、第１発熱抵抗体５２を挟んで吸気の流れる方向に線対称となるように配置されている。

また、第１発熱抵抗体５２、上流側熱電対５３、下流側熱電対５４、第２発熱抵抗体５５および抵抗体５６のそれぞれの一部を露出した複数の電極パッド５７を有しており、複数の電極パッド５７は、ボンディングワイヤを介して制御用回路チップと電気的に繋がる。なお、上流側熱電対５３および下流側熱電対５４は、ブリッジ回路による差電圧を出力する。

図１４に示すように、半導体基板６５上に、第１絶縁膜６６を介して上流側熱電対下層配線５８と、下流側熱電対下層配線５９とが形成され、上流側熱電対下層配線５８および下流側熱電対下層配線５９は第２絶縁膜６７に覆われている。

第２絶縁膜６７上に、上流側熱電対上層配線６２と、下流側熱電対上層配線６３とが形成され、上流側熱電対下層配線５８の上方に上流側熱電対上層配線６２が配置され、下流側熱電対下層配線５９の上方に下流側熱電対上層配線６３が配置されている。上流側熱電対下層配線５８と上流側熱電対上層配線６２とで上流側熱電対５３が構成され、下流側熱電対下層配線５９と下流側熱電対上層配線６３とで下流側熱電対５４が構成される。

上流側熱電対５３では、上流側熱電対下層配線５８と上流側熱電対上層配線６２とが、第２絶縁膜６７を垂直方向に貫通する温点接続プラグ６０および冷点接続プラグ（図示は省略）により交互に接続されている。交互に接続される上流側熱電対下層配線５８と上流側熱電対上層配線６２の数は等しく設けられている。同様に、下流側熱電対５４では、下流側熱電対下層配線５９と下流側熱電対上層配線６３とが、第２絶縁膜６７を垂直方向に貫通する温点接続プラグ６０および冷点接続プラグ６１により交互に接続されている。交互に接続される下流側熱電対下層配線５９と下流側熱電対上層配線６３の数は等しく設けられている。また、上流側熱電対５３および下流側熱電対５４は第３絶縁膜６８により覆われている。

第３絶縁膜６８上に、第１発熱抵抗体５２と、第２発熱抵抗体５５と、抵抗体５６とが形成され、上流側熱電対５３の上方に第２発熱抵抗体５５が配置され、下流側熱電対５４の上方に抵抗体５６が配置されている。第２発熱抵抗体５５と抵抗体５６との間に、第１発熱抵抗体５２が形成されている。さらに、第１発熱抵抗体５２、第２発熱抵抗体５５および抵抗体５６は第４絶縁膜６９により覆われている。図示は省略するが、第４絶縁膜６９は、電極パッド５７において開口している。

第１絶縁膜６６、第２絶縁膜６７、第３絶縁膜６８および第４絶縁膜６９は、例えば酸化シリコンからなる単層膜、窒化シリコンからなる単層膜、酸化シリコンと窒化シリコンとを重ねた積層膜または酸化シリコンと窒化シリコンとを交互に複数重ねた積層膜からなる。

なお、第１発熱抵抗体５２の温度を測定する第１発熱抵抗体用測温抵抗体または第１発熱抵抗体用熱電対を第１発熱抵抗体５２の近傍に設けて、温度制御を行ってもよい。

本実施例４によるセンサチップ５１においても、使用時間とともに下流側熱電対５４が熱影響により変化する。これは、下流側熱電対下層配線５９および下流側熱電対上層配線６３が熱影響により抵抗変化することに起因する。特に、上流側熱電対下層配線５８および下流側熱電対下層配線５９に多結晶Ｓｉ（シリコン）膜を使用した場合は、熱影響により、多結晶Ｓｉ（シリコン）膜に含まれる不純物濃度に勾配が生じて、温点がずれる。

しかし、このような事象の場合でも、第２発熱抵抗体５５を加熱することにより、上流側熱電対５３の値を下流側熱電対５４の値に近づけることができる。

本実施例５によるセンサチップ５１Ａと、前述の実施例４によるセンサチップ５１との相違点は、第１発熱抵抗体５２と、第１発熱抵抗体５５および抵抗体５６とを、互いに異なる層により形成していることである。すなわち、第１発熱抵抗体５５を、上流側熱電対５３の上流側熱電対上層配線６２と上流側熱電対下層配線５８との間に配置し、抵抗体５６を下流側熱電対５４の下流側熱電対上層配線６３と下流側熱電対下層配線５９との間に配置している。

本実施例５によるセンサチップの構造について図１５を用いて説明する。図１５は、本実施例５によるセンサチップの要部断面図である。

図１５に示すように、半導体基板６５上に、第１絶縁膜６６を介して上流側熱電対下層配線５８と、下流側熱電対下層配線５９とが形成され、上流側熱電対下層配線５８および下流側熱電対下層配線５９は第２絶縁膜６７により覆われている。

第２絶縁膜６７上に、第２発熱抵抗体５５と、抵抗体５６とが形成され、上流側熱電対下層配線５８の上方に第２発熱抵抗体５５が配置され、下流側熱電対下層配線５９の上方に抵抗体５６が配置されている。また、第２発熱抵抗体５５および抵抗体５６は第５絶縁膜７０により覆われている。

第５絶縁膜７０上に、上流側熱電対上層配線６２と、下流側熱電対上層配線６３とが形成され、第２発熱抵抗体５５の上方に上流側熱電対上層配線６２が配置され、抵抗体５６の上方に下流側熱電対上層配線６３が配置されている。第５絶縁膜７０によって、第２発熱抵抗体５５と上流側熱電対上層配線６２、および抵抗体５６と下流側熱電対上層配線６３との絶縁を図っている。

上流側熱電対５３では、上流側熱電対下層配線５８と上流側熱電対上層配線６２とが、第２絶縁膜６７および第５絶縁膜７０を垂直方向に貫通する温点接続プラグ６０および冷点接続プラグ（図示は省略）により交互に接続されている。交互に接続される上流側熱電対下層配線５８と上流側熱電対上層配線６２の数は等しく設けられている。同様に、下流側熱電対５４では、下流側熱電対下層配線５９と下流側熱電対上層配線６３とが、第２絶縁膜６７および第５絶縁膜７０を垂直方向に貫通する温点接続プラグ６０および冷点接続プラグ６１により交互に接続されている。交互に接続される下流側熱電対下層配線５９と下流側熱電対上層配線６３の数は等しく設けられている。また、上流側熱電対５３および下流側熱電対５４は第３絶縁膜６８により覆われている。

第３絶縁膜６８上に第１発熱抵抗体５２が形成され、平面視において上流側熱電対５３と下流側熱電対５４との間に位置するように、第１発熱抵抗体５２が形成されている。さらに、第１発熱抵抗体５２は第４絶縁膜６９により覆われている。図示は省略するが、第４絶縁膜６９は、電極パッド５７において開口している。

第２発熱抵抗体５５を、上流側熱電対５３の上流側熱電対上層配線６２と上流側熱電対下層配線５８との間に形成することで、上流側熱電対上層配線６２および上流側熱電対下層配線５８にそれぞれ同等の熱量を与えることができるので、ゼロ点の補正に必要な第２発熱抵抗体５５の消費電力を抑えることができる。また、ダイヤフラム部６４内の残留応力を調整する観点から、抵抗体５６も下流側熱電対５４の下流側熱電対上層配線６３と下流側熱電対下層配線５９との間に形成している。

なお、本実施例５では、第１発熱抵抗体５２を第３絶縁膜６８上に形成したが、これに限定されるものではない。

例えば図１６に示すように、第２絶縁膜６７上に、第２発熱抵抗体５５と同一層の高耐圧材料、例えば高融点金属からなる第１発熱抵抗体５２を形成してもよく、このような構造のセンサチップ５１Ｂであっても、ゼロ点の補正に必要な第２発熱抵抗体５５の消費電力を抑えることができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

本発明は少なくとも以下の実施の形態を含む。

〔付記１〕
被測定流体の流量を測定する流量センサであって、
第１発熱抵抗体と、
前記第１発熱抵抗体から離隔して、前記第１発熱抵抗体の下流側に設けられた第１測温熱電対と、
前記第１発熱抵抗体から離隔して、前記第１発熱抵抗体の上流側に設けられた第２測温熱電対と、
前記第２測温熱電対に絶縁体を介して設けられた第２発熱抵抗体と、
を有し、
前記第２発熱抵抗体の発熱によって前記第２測温熱電対を加熱する、流量センサ。

〔付記２〕
付記１記載の流量センサにおいて、
前記第２発熱抵抗体と前記第２測温熱電対との距離が、前記第１発熱抵抗体と前記第２測温熱電対との距離よりも短い、流量センサ。

〔付記３〕
付記１記載の流量センサにおいて、
前記第１測温熱電対および前記第２測温熱電対は、前記第１発熱抵抗体とは互いに異なる層により形成されている、流量センサ。

〔付記４〕
付記１記載の流量センサにおいて、
前記第１発熱抵抗体と前記第２発熱抵抗体とは、同一材料からなる、流量センサ。

〔付記５〕
付記１記載の流量センサにおいて、
前記第１測温熱電対と前記第２測温熱電対とは、前記第１発熱抵抗体を挟んで前記被測定流体の流れる方向に線対称に設けられている、流量センサ。

１，１Ａ，１Ｂ センサチップ
２ 半導体基板
３ 第１発熱抵抗体
４ 上流側測温抵抗体
５ 下流側測温抵抗体
６ 第２発熱抵抗体
７ 第１発熱抵抗体用測温抵抗体
８ 電極パッド
９ ダイヤフラム部
１０ 第１絶縁膜
１１ 第２絶縁膜
１２ 第３絶縁膜
１３ センサモジュール
１４ 支持基板
１５ 凹部
１６ 接着剤
１７ 制御用回路チップ
１８ 電極パッド
１９ａ，１９ｂ ボンディングワイヤ
２０ 外部入出力端子
２１ 樹脂
２２ 熱式流体流量センサ
２３ ボディ
２４ 副通路
２５ 支持体
２６ 支持体カバー
２７ 吸気管
２８ 主通路
２９ 吸気
３０ ブリッジ抵抗体
３１ 増幅器
３２ 比較器
３３ アナログ／デジタルコンバータ
３４ コントローラ
３５ 抵抗体
３６ 電子制御装置
５１，５１Ａ，５１Ｂ センサチップ
５２ 第１発熱抵抗体
５３ 上流側熱電対
５４ 下流側熱電対
５５ 第２発熱抵抗体
５６ 抵抗体
５７ 電極パッド
５８ 上流側熱電対下層配線
５９ 下流側熱電対下層配線
６０ 温点接続プラグ
６１ 冷点接続プラグ
６２ 上流側熱電対上層配線
６３ 下流側熱電対上層配線
６４ ダイヤフラム部
６５ 半導体基板
６６ 第１絶縁膜
６７ 第２絶縁膜
６８ 第３絶縁膜
６９ 第４絶縁膜
７０ 第５絶縁膜

Claims (15)

1. 被測定流体の流量を測定する流量センサであって、
   第１発熱抵抗体と、
   前記第１発熱抵抗体から離隔して、前記第１発熱抵抗体の下流側に設けられた第１測温抵抗体と、
   前記第１発熱抵抗体から離隔して、前記第１発熱抵抗体の上流側に設けられた第２測温抵抗体と、
   前記第２測温抵抗体に絶縁体を介して設けられた第２発熱抵抗体と、
   を有し、
   前記第２発熱抵抗体の発熱によって前記第２測温抵抗体を加熱する、流量センサ。
2. 請求項１記載の流量センサにおいて、
   前記第２発熱抵抗体と前記第２測温抵抗体との距離が、前記第１発熱抵抗体と前記第２測温抵抗体との距離よりも短い、流量センサ。
3. 請求項１記載の流量センサにおいて、
   前記第１発熱抵抗体と前記第２発熱抵抗体とは、同一材料からなる、流量センサ。
4. 請求項１記載の流量センサにおいて、
   前記第２発熱抵抗体の発熱する面積が、前記第１発熱抵抗体の発熱する面積よりも小さい、流量センサ。
5. 請求項１記載の流量センサにおいて、
   前記第１測温抵抗体と前記第２測温抵抗体とは、前記第１発熱抵抗体を挟んで前記被測定流体の流れる方向に線対称に設けられている、流量センサ。
6. 被測定流体の流量を測定する流量センサであって、
   第１発熱抵抗体と、
   前記第１発熱抵抗体から離隔して、前記第１発熱抵抗体の下流側に設けられた第１測温抵抗体と、
   前記第１発熱抵抗体から離隔して、前記第１発熱抵抗体の上流側に設けられた第２測温抵抗体と、
   前記第２測温抵抗体に絶縁体を介して設けられた第２発熱抵抗体と、
   を有し、
   前記第２発熱抵抗体の発熱によって前記第２測温抵抗体を加熱して、前記第１測温抵抗体の第１抵抗値と前記第２測温抵抗体の第２抵抗値との差を許容範囲内とすることにより、ゼロ点を補正する、流量センサ。
7. 請求項６記載の流量センサにおいて、
   前記第１抵抗値と前記第２抵抗値との差を確認する比較器を備える、流量センサ。
8. 請求項６記載の流量センサにおいて、
   前記第１発熱抵抗体と前記第２発熱抵抗体とをむすぶ直線の中点が、前記第１測温抵抗体と前記第２測温抵抗体とをむすぶ直線の中点よりも前記被測定流体の上流側に位置する、流量センサ。
9. 請求項６記載の流量センサにおいて、
   前記第２発熱抵抗体と前記第２測温抵抗体との距離が、前記第１発熱抵抗体と前記第２測温抵抗体との距離よりも短い、流量センサ。
10. 請求項６記載の流量センサにおいて、
    前記第１発熱抵抗体と前記第２発熱抵抗体とは、同一材料からなる、流量センサ。
11. 請求項６記載の流量センサにおいて、
    前記第２発熱抵抗体の発熱する面積が、前記第１発熱抵抗体の発熱する面積よりも小さい、流量センサ。
12. 請求項６記載の流量センサにおいて、
    前記第１測温抵抗体と前記第２測温抵抗体とは、前記第１発熱抵抗体を挟んで前記被測定流体の流れる方向に線対称に設けられている、流量センサ。
13. 内燃機関に吸入される空気の流量を測定する流量センサであって、
    第１発熱抵抗体と、
    前記第１発熱抵抗体から離隔して、前記第１発熱抵抗体の下流側に設けられた第１測温抵抗体と、
    前記第１発熱抵抗体から離隔して、前記第１発熱抵抗体の上流側に設けられた第２測温抵抗体と、
    前記第２測温抵抗体に絶縁体を介して設けられた第２発熱抵抗体と、
    を有し、
    前記内燃機関が停止している状態で、前記第２発熱抵抗体を給電により発熱させて前記第２測温抵抗体を加熱して、前記第１測温抵抗体の第１抵抗値と前記第２測温抵抗体の第２抵抗値との差を許容範囲内とすることにより、ゼロ点を補正する流量センサ。
14. 請求項１３記載の流量センサであって、
    前記第１抵抗値と前記第２抵抗値との差を確認する比較器を備える、流量センサ。
15. 請求項１４記載の流量センサにおいて、
    前記第１発熱抵抗体と前記第２発熱抵抗体とをむすぶ直線の中点が、前記第１測温抵抗体と前記第２測温抵抗体とをむすぶ直線の中点よりも前記被測定流体の上流側に位置する、流量センサ。

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