JP2913793B2 - 熱式流量センサー - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は，エンジンの吸気流量等の検出に用いる熱式
流量センサーに関する。

〔従来技術〕

例えば，自動車用ガソリンエンジンの電子燃料噴射制
御システムにおいては，エンジンへ吸入される空気流量
を検出するために，熱式流量センサーが用いられている
（例えば，特開昭57−208412号公報）。

この熱式流量センサーは，流速の変化により生ずる発
熱部と流体との間の熱伝達係数の変化を利用し，流体流
量を検出するものである。

ところで，従来の熱式流量センサーは，例えば第９図
及び第10図に示すごとく，アルミナ製のボビン91の外周
に白金細線92を巻回したもので、該白金細線92の両端部
921には，上記ボビン91の両側に設けた白金リード93,93
に電気的に接続してある。また，白金細線92の表面に
は，保護ガラス95が被覆してある。また，ボビン91と白
金リード93とはガラス96により接合してある。

そして，該熱式流量センサー９を使用するに当たって
は，測定しようとする流体流露中に該熱式流量センサー
９を配置し，上記白金細線92に白金リード93,93を通じ
て，電流を流す。これにより，白金細線92が発熱する。
一方，該白金細線92の熱は，熱式流量センサー９の周囲
に流れる流体によって奪われる。そこで，この流体流速
の変化に伴う，発熱体と流体との間の熱伝達係数の変化
を利用して，流体流量を測定する。

また，熱式流量センサーの重要な性能として，熱式流
量センサーの流速変化に対する応答速度がある。この応
答速度を速めるためには，発熱部である白金細線92から
流体以外，即ち白金リード93,93へ逃げる熱量を出来る
だけ減少させる必要がある。

そのため，上記した熱式流量センサー９においては，
白金細線92の両側に接続した白金リード93は，その径を
成るべく細く構成している。

〔解決しようとする課題〕

しかしながら，白金リード93には，上記のごとく，白
金細線92への電気的接続機能の外に，白金細線92及びそ
の内外のボビン91,保護ガラス95を支持するための機械
的支持機能が要求される。そのため，白金リード93の細
線化には限界がある。

また，従来の熱式流量センサー９においては，ボビン
91への白金細線92の巻回，ボビン91と白金リード93との
取付作業，またこれら部品の別途作製などを必要とし，
コスト高となっている。

本発明はかかる従来の問題点に鑑み，応答性に優れ，
低コスト，かつ製造容易な熱式流量センサーを提供しよ
うとするものである。

〔課題の解決手段〕

本発明は，ガラス基板の表面に，白金薄膜により発熱
部と該発熱部の両端に設けた配線部とを連続的に形成す
ると共に，かつこれらの表面には保護膜を被覆してな
り，また該保護膜には上記配線部の端子部に開口させた
コンタクトホールを設けてなり、かつ上記配線部の端子
には、導電性のサポートを、金属粒子を含むガラスペー
ストを導電ペーストとして介在させて接合し、上記サポ
ートにより上記配線部と信号処理回路との電気導通を得
ると共に上記ガラス基板の両端を機械的に支持するよう
構成してあることを特徴とする熱式流量センサーにあ
る。

本発明において，上記ガラス基板としては，石英ガラ
ス，チタン珪酸ガラス，結晶化ガラス,96％珪酸ガラス
などを用いる。また，ガラス基板は，例えば厚み0.15〜
0.3mm,幅0.3〜1.0mm,長さ５〜10mmのものを用いること
が好ましい。

また，発熱部とその両端に接続する配線部とは，白金
薄膜により連続的に，ガラス基板表面に形成する。該白
金薄膜は，真空蒸着法，スパッタリング法等により，膜
状に形成する。また，その膜厚みは，例えば0.5〜２μ
ｍとすることが好ましい。

そして，上記発熱部は，第１図に示すごとく，ジグザ
グ状等のパターンに形成しておくことが好ましい。かか
るパターンの形成方法としては，例えば半導体回路の製
造プロセスで利用されるフォトグラフィ法を用いること
ができる。また，その際のエッチング法としては，電場
により加速したイオンを衝突させるイオン・ミリング法
がある。

上記発熱部は，例えば，長さ2.5〜5mm,幅0.3〜0.5mm,
厚み0.5〜２μｍとすることが好ましい。これにより，
所望する抵抗値の発熱部に構成する。また，配線部は，
例えば長さ0.8〜1.5mm,幅0.3〜0.5mm,厚み0.5〜２μｍ
とすることが好ましい。また，配線部の線幅は，発熱部
の線幅よりも広く形成し，発熱を抑えると共にコンタク
トホールへ成可く熱が伝わらないようにする。つまり，
この配線部によって，発熱部からの伝熱を断ち，発熱部
から流体以外への熱損失を減少させるのである。

また，上記保護膜としては，例えば酸化シリコンがあ
る。該保護膜は，例えばスパッタリングにより厚み１〜
３μｍに膜状に形成する。そして，発熱部及び配線部を
含めてガラス基板の全表面を被覆する。

また，コンタクトホールは，上記保護膜に孔を明け
て，配線部の端子部を露出させることにより形成する。
かかる孔明けは，例えばフォトリソグラフィ法によりパ
ターニングを行い，その後バッファド弗酸により保護膜
をエッチングすることにより行う。

〔作用及び効果〕

本発明においては，ガラス基板の表面に発熱部と配線
部とを配設し、しかも該発熱部と配線部とは白金薄膜に
より形成している。そして，該発熱部と配線部とを支持
する基体は，上記ガラス基板により構成され，該ガラス
基板は低熱伝導率である。

そのため，実施例において詳記するごとく，発熱部の
熱は，その殆どが流体中へ伝熱され，熱式流量センサー
の基体へは伝わらない。それ故，発熱部から基体への逃
熱量が少なく，応答性に優れる。また，ガラス基板が発
熱部及び配線部の全体を支持しているので，熱式流量セ
ンサー全体の強度も確保できる。

また，本発明の熱式流量センサーは，ガラス基板上に
発熱部と配線部とを白金薄膜により連続形成しているの
で，従来のごとくボビンに白金細線を巻回する作業，ボ
ビンと白金リードとの接合，各部品の別途作製といった
問題がない。また，本発明においては，上記サポートを
導電ペーストを用いて上記配線部に接合してある。その
ため，外部に配設される信号処理回路と配線部との電気
的導通および基板の機械的支持を容易に行うことができ
る。また，このサポートの配設によって，熱式流量セン
サーの使用を便利にすることができる。さらに本発明で
は、導電ペーストとして金属粒子を含むガラスペースト
を介在させて、端子部と導電性のサポートとを接合して
いるため、ガラス基板により得られる低い熱伝導に加え
て、さらにサポートへの熱の逃げを低減することができ
る。

したがって，本発明によれば，応答性に優れ，低コス
ト，製造容易な熱式流量センサーを提供することができ
る。

〔実施例〕

第１実施例 本発明の実施例にかかる熱式流量センサーにつき，第
１図〜第３図を用いて説明する。

本例の熱式流量センサーは，自動車エンジンの吸気系
に配置するエアーフローメータに用いるものである。

該熱式流量センサーは，第１図及び第２図に示すごと
く，ガラス基板２の表面に，白金薄膜により発熱部11と
配線部12,12とを連続的に形成すると共に，これらの全
表面には保護膜３を被覆してなる。また，該保護膜３に
は，上記配線部12の端子部121に開口させたコンタクト
ホール31を，それぞれ設けてなる。

上記ガラス基板としては，長さ6mm,幅0.5mm,厚み0.2m
mの石英ガラス板を用いた。また，発熱部11は，厚み１
μm,幅70μｍの線状体でジグザグ状パターンに形成し，
その長さは3mm（ガラス基板の２分の１の長さ）とし
た。これにより，所定の抵抗値と放熱面積を有する発熱
部を形成した。

また，配線部12は発熱部11の両側において，長さ1mm,
厚み１μm,幅0.4mmとし，幅は発熱部の線幅よりも大き
くした。

また，保護膜３は，厚み２μｍの酸化シリコン膜を用
いた。

上記熱式流量センサー１は，次の製造法により製造し
た。まず，ガラス基板２の表面に真空蒸着法を用いて，
厚み約１μｍの白金薄膜を形成した。その後，フォトリ
ソグラフィ法により，該白金薄膜を，上記発熱部11につ
いてはジグザグ状の抵抗体形状に，配線部12については
直線状及び端子部121の形状にパターニングした。その
後イオンミリング法により，第１図及び第２図に示す形
状にエッチングした。

また，発熱部11,配線部12を含めて上記ガラス基板２
の全表面に，スパッタリングにより，上記保護膜を厚み
２μｍに形成した。その後，該保護膜３において，上記
配線部の端子部121の上方部に，フォトリソグラフィ法
によるパターン形成，バッファド弗酸によるエッチング
を施して，コンタクトホール31を開口させた。

次に，上記のごとく作成した熱式流量センサー１は，
第３図に示すごとく，支持体４のサポート42の上端に装
着した。熱式流量センサー１とサポート42とは，金属粒
子を含むガラスペースト（導体ペースト）を両者間に介
在させ，焼成することにより接合した。この接合は，熱
式流量センサー１のコンタクトホール31を通じて，端子
部121と上記サポート42との間で行われている。

上記サポート42は,SUS304,金又は白金メッキ52アロイ
等により，直径約0.7mm,長さ20mmに作製する。また，サ
ポート42は，リード線を通じて信号処理回路に接続す
る。該サポート42は電気絶縁体のハウジング41に立設し
てある。

本例の熱式流量センサー１は，上記のごとく構成され
ており，発熱部11,配線部12を設けたガラス基板は低熱
伝導率（約0.0137w/cm,゜K）である。そのため，発熱部
11で発生させた熱は，その殆どが発熱部11から流体へ伝
熱される。即ち，上記の熱は熱式流量センサーの基体つ
まりガラス基板２へ伝わらない。それ故，本例の熱式流
量センサー１は，発熱部から熱式流量センサー基体への
逃熱量が少なく，応答性に優れている。

上記熱式流量センサー１について，発熱部からの逃熱
状態を測定した。

即ち，上記熱式流量センサー１を一定流速中の空気中
に配置し，センサ抵抗値が200℃の値になるように通電
を行い，熱式流量センサー１の表面の温度分布を測定し
た。その結果を第７図に示した。同図は，エレメント
端，即ち熱式流量センサー１（第１図）の左端の端子部
121からの距離を示している。それ故，中央部分が発熱
部の中央部分に相当する。

一方，比較のために，従来の熱式流量センサー（第９
図，第10図）についても，同様に温度分布を測定した。
その結果を第８図に示した。

第７図より知られるごとく，本実施例の熱式流量セン
サーにおいては，中央部分，つまり発熱部の中央部分が
240℃近い温度を示し，発熱部端部では160℃近くまで下
がっている。このことは，発熱部11から配線部12（第１
図，第２図）の端部方向への逃熱量が極めて低いことを
示している。それ故，本実施例の熱式流量センサーは，
応答性に優れている。

一方，従来の熱式流量センサーは第８図より知られる
ごとく，発熱部が比較的フラットな温度分布を示してい
る。また，端部の温度が高い。このことは，発熱部から
の逃熱量が多いことを示しており，従来の熱式流量セン
サーの応答性を向上させる上で，問題であった。

また，本実施例の熱式流量センサーは，ガラス基板が
発熱部及び配線部の全体を支持しているので，全体の強
度も確保できる。

即ち，配線部12として，もしも前記従来例（第９図，
第10図）のごとく，円柱体の白金リードを用いた場合，
熱伝導率は白金が0.69w/cm・゜K，ガラスが0.0137w/cm
・゜Kである。また，白金リードの径を直径0.1mmとする
と，発熱部から逃げる熱量は直径0.37mmのガラスと同等
である。そして，直径0.37mmのガラスの円柱は，断面積
としては，厚み0.2mm,幅0.54mmのガラスの板材と同じで
ある。そして，このサイズのガラス基板であれば，発熱
部11及び配線部12を支承するための機械的強度も確保で
き，作製も容易である。

また，熱式流量センサー１は，ガラス基板２の表面に
発熱部11と配線部12とを，白金薄膜により連続形成して
いる。そのためは，従来のごとくボビンへの白金細線の
巻回作業，白金細線と白金リードとの接合，各部品の別
途作製という問題がない。それ故，低コスト，製造容易
である。

また，本例の熱式流量センサー１は，第３図に示すご
とく，支持体４のサポート42,42に架設してあるので，
該熱式流量センサー１の使用に便利である。

第２実施例 本例は，第４図に示すごとく，第１実施例において，
熱式流量センサー１とハウジング41との間の断熱性を一
層高めるために，サポート45をガラスにより構成したも
のである。

該サポート45は，幅，厚みが共に1mmのガラスの角柱
体を用いた。このサポート45には，熱式流量センサー１
の端子部121との電気的導通を図るため，その表面に次
のように白金膜を形成した。

即ち，ガラス板の表面に第１実施例における白金薄膜
形成と同様にして，厚み２μｍの白金薄膜を形成し，フ
ォトリソグラフィ法により，幅0.9mm,長さ19.9ミリの長
方形にパターニングした。次いで，これらの表面にスパ
ッタリングにより，厚み３μｍの酸化シリコン膜を被覆
した。その後，熱式流量センサー１の端子部121と電気
的導通を取る部分に，フォトリソグラフィ法により開孔
部を設けた（図示略）。そして，ダイシングソーによ
り，厚み，幅を各1mm,長さを20mmに切断し，角柱状のサ
ポート45を作製した。

その後，第４図に示すごとく，該サポート45の上端部
に，前記第１実施例で示した熱式流量センサー１を装着
した。即ち，熱式流量センサー１の端子部121と，サポ
ート45の上記導通用開孔部との間に，第１実施例と同様
の導体ペーストを介設し，焼成して両者を接合した。

本例においても，第１実施例と同様の効果を得ること
ができる。また，本例では，サポート45を低熱伝導率の
ガラスにより構成したので，発熱部からの逃熱量が殆ど
なく，一層応答性に優れている。

第３実施例 本例は，第５図及び第６図に示すごとく，第１実施例
の熱式流量センサーにおいて，ガラス基板２の上面及び
下面に白金薄膜により，発熱部11及び配線部12を設けた
ものである。

その他は，第１実施例と同様である。

本例の熱式流量センサー10は，ガラス基板２の上面及
び下面に発熱部11,配線部12が設けてあるので，第１実
施例の熱式流量センサーに比して，発熱部の面積を２倍
にすることができ，流体流量に対する感度が高い。

また，第１実施例と同様の効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は，第１実施例の熱式流量センサーを示
し，第１図はその平面図，第２図は第１図のＡ−Ａ線矢
視断面図，第３図は支持体への熱式流量センサーの装着
状態を示す斜視図，第４図は第２実施例における支持体
への熱式流量センサーの装着状態を示す斜視図，第５図
及び第６図は第３実施例の熱式流量センサーを示し，第
５図はその平面図，第６図は第５図のＢ−Ｂ線矢視断面
図，第７図及び第８図は第１実施例を示し，第７図は第
１実施例の，第８図は従来実施例の各温度分布図，第９
図及び第10図は従来の熱式流量センサーを示し，第９図
は平面図，第10図はその断面図である。 1,10……熱式流量センサー， 11……発熱部， 12……配線部， ２……ガラス基板， ３……保護膜， ４……支持体， 42,45……サポート，

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−293419（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−123318（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−65231（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−25103（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−52443（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−45037（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01F 1/08

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ガラス基板の表面に、白金薄膜により発熱
   部と該発熱部の両端に設けた配線部とを連続的に形成す
   ると共に、かつこれらの表面には保護膜を被覆してな
   り、また該保護膜には上記配線部の端子部に開口させた
   コンタクトホールを設けてなり、かつ上記配線部の端子
   部には、導電性のサポートを、金属粒子を含むガラスペ
   ーストを導電ペーストとして介在させて接合し、上記サ
   ポートにより上記配線部と信号処理回路との電気的導通
   を得ると共に上記ガラス基板の両端を機械的に支持する
   よう構成してあることを特徴とする熱式流量センサー。