JP3335860B2 - Measuring element for thermal air flow meter and thermal air flow meter - Google Patents
Measuring element for thermal air flow meter and thermal air flow meterInfo
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Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の吸入空
気量を測定するのに好適な熱式空気流量計用測定素子及
び熱式空気流量計に関する。The present invention relates to relates to a preferred thermal air flow meter for measuring element及<br/> beauty thermal type air flow meter for measuring the intake air amount of the internal combustion engine.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来より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吸入空気量を測定する空気流
量計として、熱式のものが質量空気量を直接検知できる
ことから主流となってきている。この中で、特に半導体
マイクロマシニング技術により製造された熱式空気流量
計及びその測定素子が、コストが低減でき且つ低電力で
駆動することが出来ることから注目されてきた。2. Description of the Related Art Conventionally, as an air flow meter which is provided in an electronically controlled fuel injection device of an internal combustion engine of an automobile or the like and measures an intake air amount, a thermal air flow meter has become mainstream since it can directly detect a mass air amount. I have. Among them, in particular, a thermal air flow meter and its measuring element manufactured by the semiconductor micromachining technology have been attracting attention because they can be reduced in cost and can be driven with low power.
【0003】そして、このような従来の半導体基板を用
いた熱式空気流量計としては、例えば、特開昭60−1
42268号公報に開示されているものがある。上記公
報に記載の技術は、製造コストはある程度低減されてい
るが、吸入空気量の測定に際して、湿度特性に関して考
慮されていないものである。また、吸入空気流量の湿度
補正を考慮した熱式空気流量計としては、特開平7−2
29776号公報に開示されているものがあり、湿度検
出のための湿度センサは熱式空気流量計用の測定素子と
は別個に設置されているものである。[0003] Such a conventional thermal air flowmeter using a semiconductor substrate is disclosed, for example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. Sho 60-1.
There is one disclosed in Japanese Patent No. 42268. Although the technology described in the above publication reduces the manufacturing cost to some extent, it does not consider humidity characteristics when measuring the amount of intake air. Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-2 is an example of a thermal air flow meter that takes into consideration the humidity correction of the intake air flow rate.
There is an apparatus disclosed in Japanese Patent Publication No. 29776, in which a humidity sensor for detecting humidity is provided separately from a measuring element for a thermal air flow meter.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術には次の
ような課題がある。上記特開昭60−142268号公
報に記載の従来技術を図21を参照し説明する。図21
は従来の熱式空気流量計用の測定素子の平面図であり、
該公報に記載の第2図である。図において、1が熱式空
気流量計用の測定素子で、シリコン等の半導体基板を異
方性エッチングにより形成した空洞28a,28b,2
8cを架橋する電気絶縁膜からなる2本の橋29aと2
9bを有し、空気の流れの上流側が橋29a、下流側が
橋29bとなっている。2本の橋29aと29bとの間
の開口した空洞28cを挟んで発熱抵抗体26を配置
し、これらの橋29a,29bには発熱抵抗体26の側
部に各々測温抵抗体27a,27bが配置され、更に、
電気絶縁膜の空洞28aの上流側の一部に空気温度を測
定する温度補償抵抗体4aを配設している。また、空洞
28a,28bおよび28cは、電気絶縁膜の開口部を
利用して半導体基板を異方性エッチングすることから、
電気絶縁膜の橋29a,29b下で連続した一体の空洞
となっている。The above prior art has the following problems. The prior art described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-142268 will be described with reference to FIG. FIG.
Is a plan view of a measuring element for a conventional thermal air flow meter,
It is FIG. 2 described in the gazette. In the figure, reference numeral 1 denotes a measuring element for a thermal air flow meter, and cavities 28a, 28b, 2 formed by anisotropically etching a semiconductor substrate such as silicon.
8c, two bridges 29a and 2 made of an electrically insulating film bridging
9b, the upstream side of the air flow is the bridge 29a, and the downstream side is the bridge 29b. The heating resistors 26 are arranged with an open cavity 28c between the two bridges 29a and 29b, and these bridges 29a and 29b are connected to the temperature measuring resistors 27a and 27b on the sides of the heating resistor 26, respectively. Is arranged, and further,
A temperature compensating resistor 4a for measuring the air temperature is provided in a part of the electric insulating film on the upstream side of the cavity 28a. The cavities 28a, 28b, and 28c are formed by anisotropically etching the semiconductor substrate using the openings in the electric insulating film.
It is a continuous integral cavity under the bridges 29a and 29b of the electric insulating film.
【0005】この測定素子を用いた空気流量計では、温
度補償抵抗体4aにより定められる空気温度よりも一定
温度高い温度となるように、発熱抵抗体26が加熱駆動
される。空気流量は、空気の熱運搬効果を利用して、流
路の上流側測温体抵抗27aと下流側測温抵抗体27b
との間に生じる温度差から計測される。[0005] In the air flow meter using this measuring element, the heating resistor 26 is heated and driven so that the temperature becomes higher by a certain temperature than the air temperature determined by the temperature compensating resistor 4a. The air flow rate is determined by utilizing the heat transport effect of the air, and the upstream temperature measuring resistor 27a and the downstream temperature measuring resistor 27b of the flow path are used.
It is measured from the temperature difference that occurs between
【0006】このように構成された従来例では、吸入空
気の「湿度の変化」に対しての空気流量の検出精度に関し
て考慮されておらず、未だ空気流量検出精度に課題が残
っている。更には、自動車等の過酷な条件で使用される
場合の、内燃機関の温度上昇により熱式空気流量計用の
測定素子の発熱抵抗体26、温度補償抵抗体4aおよび
測温抵抗体27a,27bなどに熱が伝導し、計測精度
に悪影響を与えることに考慮されていないことから、十
分な空気流量−支持部温度特性が得られない点にも残っ
ている。[0006] In the conventional example configured as described above, no consideration is given to the detection accuracy of the air flow rate with respect to the "change in humidity" of the intake air, and there remains a problem in the detection accuracy of the air flow rate. Further, when used under severe conditions such as automobiles, the heating resistor 26, the temperature compensating resistor 4a, and the temperature measuring resistors 27a and 27b of the measuring element for the thermal air flow meter due to the temperature rise of the internal combustion engine. However, since it is not considered that heat is conducted to the heat and adversely affects the measurement accuracy, a sufficient air flow rate-support portion temperature characteristic cannot be obtained.
【0007】また、吸入空気流量の湿度補正を考慮した
従来の熱式空気流量計を図22に示す。図22は、特開
平7−229776号公報に記載された図1である。図
において、18はブロック構成で示された空気流量計、
31が湿度検出装置、30が空気流量検出装置、 32
が空気流量検出装置30から得られた空気流量信号、3
3が別に設置した湿度検出装置31から検出した湿度信
号に基づき空気流量信号を湿度補正した後の出力信号で
ある。この様に構成された従来例では、湿度検出のため
の湿度検出装置(湿度センサ)31は前記空気流量検出装
置30とは別個に吸気通路に設置されており、部品点数
が多くなりまた組立工数が増大し製造コストの面で十分
でないところがある。FIG. 22 shows a conventional thermal air flow meter that takes into account the humidity correction of the intake air flow rate. FIG. 22 is FIG. 1 described in Japanese Patent Laid-Open No. 7-229776. In the figure, 18 is an air flow meter shown in a block configuration,
31 is a humidity detector, 30 is an air flow detector, 32
Are the air flow rate signals obtained from the air flow rate detection device 30,
Reference numeral 3 denotes an output signal after the humidity correction of the air flow rate signal based on the humidity signal detected from the humidity detector 31 separately installed. In the conventional example configured as described above, the humidity detecting device (humidity sensor) 31 for detecting the humidity is installed in the intake passage separately from the air flow detecting device 30, so that the number of parts increases and the number of assembly steps increases. And the production cost is not sufficient.
【0008】本発明の目的は、空気流量を測定するのに
必要な発熱低抗体、温度補償低抗体及び湿度センサを半
導体基板上に一体に形成することにより空気流量のより
正確な制御が可能な熱式空気流量計用測定素子及び熱式
空気流量計を提供することにある。It is an object of the present invention to measure air flow.
Necessary heat generation low antibody, temperature compensation low antibody and humidity sensor
By integrally forming on the conductor board, the air flow rate
An object of the present invention is to provide a measuring element for a thermal air flow meter and a thermal air flow meter capable of performing accurate control .
【0009】[0009]
【課題を解決するための手段】本発明は、空洞部を有す
る半導体基板と、該半導体基板の一方の面の全面を覆う
電気絶縁膜と、前記空洞部に対応する部分の前記空洞部
対して反対面側の前記電気絶縁膜上に形成された空気流
量を検出する発熱抵抗体と、前記空洞部以外の前記電気
絶縁膜上に形成された温度補償抵抗体及び櫛歯状電極を
有し湿度を検出する湿度センサと、前記発熱低抗体、温
度補償抵抗体及び櫛歯状電極の各々を外部回路に電気的
に接続する端子電極とを有することを特徴とする熱式空
気流量計用測定素子にある。又、本発明の素子は、前記
半導体基板が支持体に支持されており、前記前記電気絶
縁膜上の前記発熱抵抗体と端子電極との間に前記支持体
の温度を検出する温度センサを有すること、前記湿度セ
ンサは空気流に直接晒されないように通気孔を有する保
護体により覆われていることが好ましい。 更に、本発明
は、前述の測定素子と、該測定素子に電流を供給し空気
流量信号を検出する駆動検出回路と、該空気流量信号か
ら空気流量を演算する制御回路と、空気流量−湿度特性
の補正データを記憶しているメモリとを備え、前記制御
回路は、前記湿度センサを用いて検出した湿度と前記補
正データとから、前記空気流量を補正する熱式空気流量
計にある。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has a cavity.
Covering the entire surface of the semiconductor substrate and one surface of the semiconductor substrate
An electrical insulating film and the cavity corresponding to the cavity
An air flow formed on the electrical insulation film on the opposite side
A heating resistor for detecting the amount, and the electricity other than the cavity portion
The temperature compensation resistor and the comb-shaped electrode formed on the insulating film
A humidity sensor that detects humidity,
Each of the temperature compensation resistor and the comb-shaped electrode is electrically connected to an external circuit.
Characterized by having a terminal electrode connected to the
It is in the measuring element for the air flow meter. Further, the element of the present invention,
A semiconductor substrate is supported by a support, and the electrical isolation is provided.
The support between the heating resistor and the terminal electrode on the edge film
Having a temperature sensor for detecting the temperature of the humidity;
Sensors have vents to prevent direct exposure to airflow.
Preferably, it is covered by a protective body. Furthermore, the present invention
The above-mentioned measuring element, a drive detection circuit for supplying an electric current to the measuring element and detecting an air flow signal, a control circuit for calculating an air flow from the air flow signal, and correction data of the air flow-humidity characteristic. A memory that stores the thermal air flow rate , wherein the control circuit corrects the air flow rate from the humidity detected using the humidity sensor and the correction data.
In total .
【0010】また他の特徴は、空気流量を計測するため
の発熱抵抗体等が形成された同じ基板上に形成した湿度
センサと,前記基板が他の構成体に取付けられたときに
伝わる熱の前記発熱抵抗体等への影響を表わす代表温度
を検出する温度センサとを有する熱式空気流量計用の測
定素子と、該測定素子に電流を供給し空気流量信号を検
出する駆動検出回路と、該空気流量信号から空気流量を
演算する制御回路と、空気流量−湿度特性および空気流
量−支持部温度特性の補正データを記憶しているメモリ
とを含み、前記制御回路は、前記湿度センサから得られ
た湿度と前記温度センサから得られた支持部温度と前記
補正データとから、前記空気流量を補正することにあ
る。Another feature is that a humidity sensor formed on the same substrate on which a heating resistor or the like for measuring an air flow rate is formed, and a heat transfer device which is transferred when the substrate is mounted on another component. A measuring element for a thermal air flow meter having a temperature sensor for detecting a representative temperature representing the influence on the heating resistor and the like, a drive detection circuit for supplying a current to the measuring element and detecting an air flow signal, A control circuit that calculates an air flow rate from the air flow rate signal; and a memory that stores correction data of an air flow rate-humidity characteristic and an air flow rate-supporting part temperature characteristic, wherein the control circuit obtains from the humidity sensor. The air flow rate is corrected based on the obtained humidity, the temperature of the supporting portion obtained from the temperature sensor, and the correction data.
【0011】そして、上記目的を達成する熱式空気流量
計用の測定素子の特徴は、空気流量を計測するための発
熱抵抗体が形成された同じ基板上の、前記発熱抵抗体が
触れる空気の流線領域から外れた位置に、湿度センサを
形成するところにある。[0011] The characteristic of the measuring element for the thermal air flow meter that achieves the above object is that the heating element for measuring the air flow rate is formed on the same substrate on which the heating element touches. A humidity sensor is formed at a position outside the streamline region.
【0012】[0012]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照し説明する。図1は、本発明による第一
実施例の熱式空気流量計用の測定素子1を示す平面図、
図2は、図1の測定素子1のA−A’断面図、図3は、
本発明による第1実施例の湿度センサを示す断面図であ
り、図1のB−B’断面図である。図1,2,3におい
て、測定素子1は、半導体基板2の下面より異方性エッ
チングにより電気絶縁膜7aの境界面まで形成された空
洞6を有するシリコン等の半導体基板2と、電気絶縁膜
7a上に形成された発熱抵抗体3と、空気温度を計測す
ると共に前記発熱抵抗体3とブリッジ回路を構成する温
度補償抵抗体4と、測定素子1の空気流量信号を外部回
路と接続するための端子電極8(8a〜8f)と、発熱抵
抗体3と端子電極8間に形成して湿度を計測する湿度セ
ンサ5と、各抵抗体を保護するための電気絶縁膜7bと
を含み構成される。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a plan view showing a measuring element 1 for a thermal air flow meter according to a first embodiment of the present invention,
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of the measuring element 1 of FIG. 1, and FIG.
FIG. 2 is a sectional view showing the humidity sensor according to the first embodiment of the present invention, and is a sectional view taken along the line BB ′ of FIG. 1. 1, 2, and 3, a measuring element 1 includes a semiconductor substrate 2 made of silicon or the like having a cavity 6 formed from the lower surface of the semiconductor substrate 2 by anisotropic etching to a boundary surface of an electric insulating film 7a, and an electric insulating film. 7a, a heating resistor 3 formed on 7a, a temperature compensating resistor 4 for measuring the air temperature and forming a bridge circuit with the heating resistor 3, and connecting an air flow signal of the measuring element 1 to an external circuit. , A humidity sensor 5 formed between the heating resistor 3 and the terminal electrode 8 to measure humidity, and an electric insulating film 7b for protecting each resistor. You.
【0013】湿度センサ5は、櫛歯状に形成されて対向
する電極10a,10bが吸湿により誘電率が変化する
ポリイミド系有機材の膜11に覆われた構成からなり、
前記電極10a,10b間の静電容量の変化から湿度を
検出するものである。ここで、湿度センサ5が具備すべ
き要件について説明すると、湿度(相対湿度)は温度に依
存するので発熱抵抗体で加熱された空気(空気流9)から
湿度を検出すれば、所望するものとは異なる湿度を測定
することになる。従って、空気流量を測定するための発
熱抵抗体が触れる空気(空気流9)の流線領域から外れた
位置の空気(空気流9)から湿度を検出する必要がある。
即ち、本発明による熱式空気流量計用の測定素子の特徴
は、空気流量を計測するための発熱抵抗体が形成された
同じ基板上の、発熱抵抗体が触れる空気の流線領域から
外れた位置に、湿度センサを形成する点にあると言え
る。The humidity sensor 5 has a structure in which comb-shaped electrodes 10a and 10b facing each other are covered with a film 11 of a polyimide-based organic material whose dielectric constant changes due to moisture absorption.
The humidity is detected from a change in capacitance between the electrodes 10a and 10b. Here, the requirements that the humidity sensor 5 should have will be described. If the humidity (relative humidity) depends on the temperature, and if the humidity is detected from the air (air flow 9) heated by the heating resistor, the desired value is obtained. Will measure different humidity. Therefore, it is necessary to detect the humidity from the air (air flow 9) at a position outside the streamline region of the air (air flow 9) touched by the heating resistor for measuring the air flow rate.
That is, the characteristic of the measuring element for the thermal air flow meter according to the present invention is that the heating resistor for measuring the air flow rate is on the same substrate on which the heating resistor is out of a streamline area of the air touched by the heating resistor. It can be said that the position is where a humidity sensor is formed.
【0014】一方、発熱抵抗体3には、空気流9の流路
先端に配置された温度補償抵抗体4の温度より一定温度
高くなるように、加熱電流が流されている。空気流量
は、空気流9による発熱抵抗体3の強制冷却による熱伝
達効果に基づき、前記発熱抵抗体3に流れる加熱電流値
から計測される。前記空洞6および発熱抵抗体3近傍の
電気絶縁膜7は、発熱抵抗体3から基板2にへの熱絶縁
を図り計測精度を確保するために形成される。また、発
熱抵抗体3とブリッジ回路を構成する温度補償抵抗体4
は、図1に示す様に、基板2の先端に位置し空気流9の
流路に突き出て配置されており、空気流9が順流または
逆流のいずれの場合においても発熱抵抗体3に加熱され
た空気流の影響を受けないように配置されており、精度
の高い空気流量の計測が可能となっている。また、温度
補償抵抗体4は、後述するように空気温度(即ち、吸気
温度)を計測するのに兼用することも可である。On the other hand, a heating current is applied to the heating resistor 3 so that the temperature of the heating resistor 3 becomes higher than the temperature of the temperature compensating resistor 4 disposed at the end of the flow path of the air flow 9 by a certain temperature. The air flow rate is measured from a heating current value flowing through the heating resistor 3 based on a heat transfer effect by forced cooling of the heating resistor 3 by the air flow 9. The cavity 6 and the electric insulating film 7 near the heating resistor 3 are formed to ensure thermal insulation from the heating resistor 3 to the substrate 2 and to secure measurement accuracy. Further, a temperature compensating resistor 4 forming a bridge circuit with the heating resistor 3
As shown in FIG. 1, is positioned at the tip of the substrate 2 and protrudes into the flow path of the air flow 9, and is heated by the heating resistor 3 in either the forward flow or the backward flow. It is arranged so as not to be affected by the flow of air, which enables accurate measurement of the air flow. The temperature compensating resistor 4 can also be used for measuring the air temperature (that is, the intake air temperature) as described later.
【0015】図4は、本発明による一実施例の熱式空気
流量計を示す断面図である。即ち、図1の測定素子1を
熱式空気流量計に実装した実施例を示す図である。例え
ば、自動車等の内燃機関の吸気通路に実装されて、吸入
空気(吸気と呼称する)の流量を計測する熱式空気流量計
の実施例を示す断面図である。 図のように、本実施
例の熱式空気流量計は、測定素子1と支持体14と外部
回路15とを含み構成される。そして、吸気通路12の
内部にある副通路13に測定素子1が配置される。外部
回路15は支持体14を介して測定素子1の端子電極8
に電気的に接続されている。ここで、通常では吸入空気
は空気流9で示された方向に流れており、 所定の内燃
機関の条件によって空気流9とは逆の方向(逆流)に吸入
空気が流れる。FIG. 4 is a sectional view showing a thermal air flow meter according to an embodiment of the present invention. That is, it is a diagram showing an embodiment in which the measuring element 1 of FIG. 1 is mounted on a thermal air flow meter. FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating an embodiment of a thermal air flow meter mounted in an intake passage of an internal combustion engine of an automobile or the like and measuring a flow rate of intake air (referred to as intake air). As shown in the figure, the thermal air flow meter of the present embodiment includes the measuring element 1, the support 14, and the external circuit 15. Then, the measuring element 1 is arranged in the sub-passage 13 inside the intake passage 12. The external circuit 15 is connected to the terminal electrode 8 of the measuring element 1 via the support 14.
Is electrically connected to Here, normally, the intake air flows in the direction indicated by the air flow 9, and the intake air flows in the opposite direction (reverse flow) to the air flow 9 depending on predetermined conditions of the internal combustion engine.
【0016】図5は、図4の測定素子部(測定素子1や
支持体14等)を示す拡大図である。また、図6は、図
5のC−C’断面図である。図5および図6に見るよう
に、測定素子1は、支持体14上に温度補償抵抗体4が
空気流9に直接晒されるように支持される。更に、アル
ミナ等の電気絶縁基板上に端子電極16および信号処理
回路等を形成して構成する外部回路15が、同じく支持
体14上に固定される。この測定素子1と外部回路15
は、端子電極8および16間を金線17等でワイヤボン
ディングにより電気的に接続された後、前記の金線1
7、電極端子8,16や外部回路15を保護すると共
に、前記湿度センサ5が空気流9の影響を直接受けない
ように、保護体14aにより覆われる。そしてさらに、
保護体14aには吸気中の水蒸気が保護体14a内の湿
度センサ5に到達する程度の寸法の小さい通気孔24
が、湿度センサ5が空気流9に直接晒されることを防止
するために湿度センサ5の近傍に形成されている。FIG. 5 is an enlarged view showing the measuring element portion (the measuring element 1, the support 14, etc.) of FIG. FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the line CC ′ of FIG. As can be seen in FIGS. 5 and 6, the measuring element 1 is supported on a support 14 such that the temperature-compensating resistor 4 is directly exposed to the air flow 9. Further, an external circuit 15 formed by forming a terminal electrode 16 and a signal processing circuit on an electrically insulating substrate made of alumina or the like is similarly fixed on the support 14. The measuring element 1 and the external circuit 15
Is electrically connected between the terminal electrodes 8 and 16 by wire bonding with a gold wire 17 or the like.
7, while protecting the electrode terminals 8, 16 and the external circuit 15, and covered with a protector 14a so that the humidity sensor 5 is not directly affected by the air flow 9. And furthermore,
The protection body 14a has a ventilation hole 24 having such a small size that water vapor in the intake air reaches the humidity sensor 5 in the protection body 14a.
Is formed near the humidity sensor 5 to prevent the humidity sensor 5 from being directly exposed to the airflow 9.
【0017】即ち、自動車等の内燃機関の吸気通路に実
装されて吸入空気量を測定する測定素子1であれば、湿
度センサ5は、防塵等の点から通気孔を有する保護体に
より覆われていることが望ましいと言える。このように
実装された測定素子1は、図5,6に見るように、空洞
6は下面が支持体14により、また、上面は電気絶縁膜
7により、空気流9に対してほぼ隔離されている。従っ
て、上記した従来例のように空洞が空気流に開口部を持
たないことから、自動車等の内燃機関の空気流量を計測
する際に問題となる塵埃等が空洞あるいは開口部に蓄積
することがなく信頼性の高い計測が可能となる構成とな
っている。That is, if the measuring element 1 is mounted in an intake passage of an internal combustion engine of an automobile or the like and measures the amount of intake air, the humidity sensor 5 is covered with a protective body having a ventilation hole from the point of dust prevention and the like. It is desirable to have. As shown in FIGS. 5 and 6, the measuring element 1 mounted in this way is substantially isolated from the air flow 9 by the support 14 at the lower surface and by the electric insulating film 7 at the upper surface, as shown in FIGS. I have. Therefore, since the cavity does not have an opening in the air flow as in the above-described conventional example, dust or the like that becomes a problem when measuring the air flow rate of an internal combustion engine such as an automobile may accumulate in the cavity or the opening. It has a configuration that allows highly reliable measurement without any problem.
【0018】次に、図7,図8,図9,図10,および
図11を参照し、本発明の実施例の動作について説明す
る。図7は、本発明による熱式空気流量計を示すブロッ
ク構成図である。例えば、図4の熱式空気流量計の構成
を示したブロック図である。熱式空気流量計18は、図
1に示した測定素子1と、外部回路15とを含み構成さ
れる。外部回路15は、測定素子1に電流を供給し空気
流量信号を検出するための駆動検出回路15aと、測定
素子1からの空気流量信号をA/D変換器を通して入力
する入力回路部と空気流量を演算処理するCPU部と出
力のための出力回路部とからなる制御回路15bと、湿
度センサ5から検出される検出信号を用いて前記CPU
部が湿度を求めるための相関データおよび求めた湿度に
より計測された空気流量を湿度補正するための補正デー
タが予め記憶されているメモリ15cとを含み構成され
る。Next, the operation of the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 7, FIG. 8, FIG. 9, FIG. 10, and FIG. FIG. 7 is a block diagram showing a thermal air flow meter according to the present invention. FIG. 5 is a block diagram illustrating a configuration of the thermal air flow meter of FIG. 4, for example. The thermal air flow meter 18 includes the measuring element 1 shown in FIG. The external circuit 15 includes a drive detection circuit 15a for supplying a current to the measurement element 1 and detecting an air flow signal, an input circuit for inputting an air flow signal from the measurement element 1 through an A / D converter, and an air flow rate. And a control circuit 15b including a CPU unit for calculating the operation of the CPU and an output circuit unit for output.
A memory 15c in which correction data for correcting the humidity of the air flow measured by the unit and the air flow measured by the obtained humidity are stored in advance.
【0019】図8は、図7の熱式空気流量計の部分電気
回路を示す図である。発熱抵抗体3や温度補償抵抗体4
などから成る駆動検出回路15a内のブリッジ回路を示
したもので、19が差動増幅噐、20がトランジスタ、
21が電源、22a,22bが抵抗である。図9は、図
1の湿度センサ5の等価電気回路を示す図である。図1
0は、吸入空気の相対湿度(H)と湿度センサ5の静電容
量(Ch)の関係を示す図である。そして、図11は、本
発明による一実施例の熱式空気流量計18の空気流量−
湿度特性を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing a partial electric circuit of the thermal air flow meter of FIG. Heating resistor 3 and temperature compensation resistor 4
19 shows a bridge circuit in the drive detection circuit 15a including: a differential amplifier 19; a transistor 20;
21 is a power supply, and 22a and 22b are resistors. FIG. 9 is a diagram showing an equivalent electric circuit of the humidity sensor 5 of FIG. FIG.
0 is a diagram showing the relationship between the relative humidity (H) of the intake air and the capacitance (Ch) of the humidity sensor 5. FIG. 11 shows the air flow rate of the thermal air flow meter 18 according to one embodiment of the present invention.
It is a figure showing a humidity characteristic.
【0020】まず、空気流量は以下の様に計測される。
図8に示すブリッジ回路において、測定素子1の中心部
に位置する発熱抵抗体3の温度(抵抗値)が空気温度に対
応する温度補償抵抗体4の温度(抵抗値)よりある一定値
(例えば150℃)高くなるよう各抵抗値22a,22b
が設定される。発熱抵抗体3の温度が、設定値より低い
場合にはブリッジ回路の中点の電位AとB間に差が生
じ、差動増幅噐19の出力Cによりトランジスタ20が
オンし発熱抵抗体3に加熱電流が流れる。発熱抵抗体3
の温度が設定値に達すると、差動増幅噐19の出力Cに
よりトランジスタ20がオフし加熱電流が遮断される。
このように、発熱抵抗体3の温度が設定値に一定になる
ようにフィードバック制御されており、空気流量の増大
に伴い増加する加熱電流をブリッジ回路のA点の電位で
流量信号として制御回路15bに出力する。First, the air flow rate is measured as follows.
In the bridge circuit shown in FIG. 8, the temperature (resistance value) of the heating resistor 3 located at the center of the measuring element 1 is a certain value higher than the temperature (resistance value) of the temperature compensation resistor 4 corresponding to the air temperature.
(E.g., 150 ° C.)
Is set. When the temperature of the heating resistor 3 is lower than the set value, a difference occurs between the potentials A and B at the middle point of the bridge circuit, and the output C of the differential amplifier 19 turns on the transistor 20 to turn on the heating resistor 3. Heating current flows. Heating resistor 3
When the temperature reaches the set value, the transistor C is turned off by the output C of the differential amplifier 19, and the heating current is cut off.
In this way, the feedback control is performed so that the temperature of the heating resistor 3 becomes constant at the set value, and the heating current that increases with an increase in the air flow rate is used as a flow signal at the potential of the point A of the bridge circuit as a flow signal. Output to
【0021】一方、湿度の計測は、図9に示す様に、測
定素子1の湿度センサ5の電極10a,10b間の静電
容量(Ch)が電極間に形成されたポリイミド等の有機材
の膜11が水蒸気を吸収して誘電率が増大し、図10に
示す様に静電容量(Ch)が相対湿度(H)に対して変化す
ることを利用して行われる。駆動検出回路15aにおい
て湿度センサ5の端子電極8c,8dから前記湿度セン
サ5の静電容量(Ch)に対応する信号を検出し、メモリ
15cに図10に示した相対湿度(H)と静電容量(Ch)
の相関データを予め記憶しておけば、相関データを用い
て制御回路15bにより静電容量(Ch)の信号から湿度
が求められる。On the other hand, as shown in FIG. 9, the humidity between the electrodes 10a and 10b of the humidity sensor 5 of the measuring element 1 is determined by measuring the capacitance (Ch) of an organic material such as polyimide formed between the electrodes. This is performed by utilizing the fact that the film 11 absorbs water vapor to increase the dielectric constant, and the capacitance (Ch) changes with respect to the relative humidity (H) as shown in FIG. In the drive detection circuit 15a, a signal corresponding to the capacitance (Ch) of the humidity sensor 5 is detected from the terminal electrodes 8c and 8d of the humidity sensor 5, and the relative humidity (H) shown in FIG. Capacity (Ch)
Is stored in advance, the humidity is obtained from the signal of the capacitance (Ch) by the control circuit 15b using the correlation data.
【0022】計測された空気流量および湿度から実行す
る湿度補正は以下の様に行われる。図11が空気流量−
湿度特性を示したものである。図中、横軸は空気流量
(Q)であり、縦軸は湿度(H)が50%を基準とした場合
の湿度パラメータの空気流量の計測誤差(ΔQ/Q)を示
している。図に示すように、従来技術の湿度補正をしな
い場合では、湿度(H)が10%の乾燥した空気の時には
全流量域において負の誤差が、また湿度(H)が90%の
湿った空気の時には正の誤差が出ることが判る。これ
は、水蒸気を含む湿った空気の熱伝導率が、水蒸気の比
率に比例して増大するからである。The humidity correction executed from the measured air flow rate and humidity is performed as follows. FIG. 11 shows the air flow rate.
It shows humidity characteristics. In the figure, the horizontal axis is the air flow rate
(Q), and the vertical axis indicates the measurement error (ΔQ / Q) of the air flow rate of the humidity parameter when the humidity (H) is based on 50%. As shown in the figure, when the humidity correction of the prior art is not performed, a negative error occurs in the entire flow rate range when the humidity (H) is 10% dry air, and the humidity (H) is 90%. It turns out that there is a positive error at the time. This is because the thermal conductivity of moist air containing water vapor increases in proportion to the ratio of water vapor.
【0023】本発明では、先に示したように湿度センサ
5から湿度(H)が計測可能であり、図11に示した空気
流量−湿度特性から作成しメモリ15cが予め記憶して
いる補正データと該湿度(H)とを用いて空気流量(Q)を
補正することが、即ち、制御回路15bのCPU部にて
演算処理することにより湿度補正が可能となる。本発明
の湿度補正を適用した場合、図11の矢印で示したよう
に、ほぼ流量誤差を零とする(湿度が50%の基準に合
わせる)ことができる。In the present invention, the humidity (H) can be measured from the humidity sensor 5 as described above, and the correction data generated from the air flow rate-humidity characteristics shown in FIG. And the humidity (H) to correct the air flow rate (Q), that is, by performing arithmetic processing in the CPU unit of the control circuit 15b, the humidity can be corrected. When the humidity correction of the present invention is applied, as shown by the arrow in FIG. 11, it is possible to make the flow rate error almost zero (to match the standard of 50% humidity).
【0024】尚、このメモリ15cに、個々の熱式空気
流量計毎の固有の空気流量−湿度特性を予め記憶して置
けば、個々の熱式空気流量計の性能バラツキを改善する
ことができる。また、空気流量(Q)と湿度(H)と補正値
とをマップとして記憶する方法、または近似的な誤差関
数として記憶して置く方法などがある。さらに、空気流
量の湿度補正は、空気流量信号の湿度補正をも含むもの
と解する。By storing in advance the characteristic air flow-humidity characteristic of each thermal air flow meter in the memory 15c, it is possible to improve the performance variation of each thermal air flow meter. . Further, there is a method of storing the air flow rate (Q), the humidity (H), and the correction value as a map, or a method of storing as an approximate error function. Furthermore, it is understood that the humidity correction of the air flow rate includes the humidity correction of the air flow rate signal.
【0025】ところで、湿度センサ5としては、図1お
よび図3に示した構成に限定するものではない。前述の
湿度センサ5では、対向する電極10a,10b間の静
電容量(Ch)を検出する方式であったが、抵抗体として
の抵抗値あるいはインピーダンスの変化(有機材の膜1
1が吸湿すると抵抗値 あるいはインピーダンスが減少
する現象)から湿度を検出する方式でも可である。Incidentally, the humidity sensor 5 is not limited to the configuration shown in FIGS. In the humidity sensor 5 described above, the method of detecting the capacitance (Ch) between the opposing electrodes 10a and 10b is used. However, the change in the resistance value or the impedance as the resistor (the organic material film 1) is used.
It is also possible to use a method in which the humidity is detected from the phenomenon that the resistance value or the impedance decreases when moisture is absorbed by 1).
【0026】ここで、本発明によるその他の湿度センサ
の例について説明する。図12は、本発明による第2実
施例の湿度センサを示す断面図であり、図13は、本発
明による第3実施例の湿度センサを示す断面図である。
他の湿度センサとして、図12に示す様に半導体基板
2、電気絶縁膜7a上に電極10c、 ポリイミド等の
膜11および電極10dを積層し、 電極10cと10
d間の静電容量から湿度を検出することが可能である。
この時、 上部電極10dには吸気の水蒸気がポリイミ
ド系の膜11に有効に到達するように、小さい孔あるい
はスリット等を形成することは効果的である。Here, examples of other humidity sensors according to the present invention will be described. FIG. 12 is a sectional view showing a humidity sensor of a second embodiment according to the present invention, and FIG. 13 is a sectional view showing a humidity sensor of a third embodiment according to the present invention.
As another humidity sensor, as shown in FIG. 12, an electrode 10c, a film 11 made of polyimide or the like and an electrode 10d are laminated on a semiconductor substrate 2, an electric insulating film 7a, and the electrodes 10c and 10d.
It is possible to detect humidity from the capacitance between d.
At this time, it is effective to form small holes or slits in the upper electrode 10d so that the vapor of the intake air reaches the polyimide-based film 11 effectively.
【0027】更には、図13に示す様に、ポリイミド等
の膜11が吸湿により体積が膨張する特性を利用して湿
度を計測する方法も可能である。図13では、半導体基
板2に空洞6bを形成し、電気絶縁膜7aが前記膜11
の湿度による膨張収縮により変形する変形応力を、空洞
6近傍に形成したピエゾ抵抗23a,23b等の抵抗変
化から湿度信号として検出する構成となっている。Further, as shown in FIG. 13, it is also possible to measure the humidity by utilizing the characteristic that the film 11 of polyimide or the like expands in volume due to moisture absorption. In FIG. 13, a cavity 6b is formed in a semiconductor substrate 2 and an electric insulating film 7a is formed on the film 11a.
Is detected as a humidity signal from a change in resistance of the piezoresistors 23a and 23b formed near the cavity 6 due to expansion and contraction due to humidity.
【0028】また、図14および図15に示す湿度セン
サでも可能である。図14は本発明による他の実施例の
測定素子部を示す拡大図である。湿度センサ5を別の方
式にした場合の測定素子1の実装平面図である。また、
図15は本発明による第4実施例の湿度センサを示す断
面図であり、図14のD−D’断面図である。ここで湿
度センサ5は、半導体基板2に形成された空洞6b上の
電気絶縁膜7に形成された一対の発熱抵抗体10e,1
0fより構成される。Further, a humidity sensor shown in FIGS. 14 and 15 is also possible. FIG. 14 is an enlarged view showing a measuring element unit according to another embodiment of the present invention. FIG. 9 is a plan view of the mounting of the measuring element 1 when the humidity sensor 5 is of another type. Also,
FIG. 15 is a sectional view showing a humidity sensor according to a fourth embodiment of the present invention, and is a sectional view taken along the line DD 'of FIG. Here, the humidity sensor 5 includes a pair of heating resistors 10 e and 1 formed on the electric insulating film 7 on the cavity 6 b formed on the semiconductor substrate 2.
0f.
【0029】発熱抵抗体10eは通気孔24が形成され
た保護体14aの一方の開放室に配置され、発熱抵抗体
10fは保護体14aの他方の密閉室に乾燥空気が充填
された状態で密封される。発熱抵抗体10e,10fは
一定温度高くなるように加熱される。吸気の湿度は、通
気孔24により吸気と同じ湿度となる部屋に設置された
発熱抵抗体10eと乾燥空気の雰囲気に設置された発熱
抵抗体10fの水蒸気による熱伝導率の違いにより生ず
る加熱電流の差から検出することが出来る。温度センサ
5としては、上記実施例の構造に限定されるものではな
く、湿度が検出でき測定素子1上に形成できるものであ
ればどのような構造の温度センサであっても本発明の効
果に変わりがない。The heating resistor 10e is arranged in one open chamber of the protection body 14a in which the ventilation hole 24 is formed, and the heating resistor 10f is sealed in a state where the other closed chamber of the protection body 14a is filled with dry air. Is done. The heating resistors 10e and 10f are heated so as to have a certain temperature. The humidity of the intake air is determined by the difference in heat conductivity between the heating resistor 10e installed in the room and the heating resistor 10f installed in the atmosphere of dry air due to the difference in the heat conductivity due to water vapor. It can be detected from the difference. The temperature sensor 5 is not limited to the structure of the above embodiment, and any structure can be used as long as it can detect humidity and can be formed on the measuring element 1. There is no change.
【0030】次に、湿度補正に加えて支持部温度補正お
よび/または吸気温度補正を可能とする実施例について
説明する。図16は、本発明による第二実施例の熱式空
気流量計用の測定素子1を示す平面図である。図16に
示した第二実施例の第一実施例との相違点は、内燃機関
の吸気温度を測定するための温度センサ4bを測定素子
1の先端部に新たに形成し且つ、測定素子1(例えば、
半導体基板2)が他の構成体(例えば、支持体14)に取
付けられたときに支持される支持部2a(前述の図6に
図示)の支持部温度を測定するための温度センサ25
を、湿度センサ5の近傍に新たに設置したことにある。Next, a description will be given of an embodiment capable of correcting the temperature of the support portion and / or the temperature of the intake air in addition to the correction of the humidity. FIG. 16 is a plan view showing a measuring element 1 for a thermal air flow meter according to a second embodiment of the present invention. The difference between the second embodiment shown in FIG. 16 and the first embodiment is that a temperature sensor 4b for measuring the intake air temperature of the internal combustion engine is newly formed at the tip of the measuring element 1 and the measuring element 1 (For example,
A temperature sensor 25 for measuring the temperature of the support 2a (shown in FIG. 6 described above) that is supported when the semiconductor substrate 2) is mounted on another component (for example, the support 14).
Is newly installed near the humidity sensor 5.
【0031】この様に温度センサ4b,25を新たに形
成したことにより、流量計測精度の高い熱式空気流量計
が実現できる。以下、本実施例の支持部温度補正および
吸気温度補正の動作について説明する。図4に示すよう
に、 自動車等の内燃機関では、 内燃機関の熱により吸
気通路12および支持体14の温度が上昇し、この熱が
測定素子1に伝熱して空気流量の計測に誤差を生じさせ
流量−温度特性を悪くすることがある。このように支持
体14が温度上昇した時の、支持体14(含む外部回路
15)と測定素子1との温度分布状態を図17に示し
た。By newly forming the temperature sensors 4b and 25 in this way, a thermal air flow meter with high flow rate measurement accuracy can be realized. Hereinafter, the operation of the support portion temperature correction and the intake air temperature correction of the present embodiment will be described. As shown in FIG. 4, in an internal combustion engine such as an automobile, the temperature of the intake passage 12 and the support 14 increases due to the heat of the internal combustion engine, and this heat is transferred to the measuring element 1 to cause an error in the measurement of the air flow rate. In some cases, the flow-temperature characteristics may be deteriorated. FIG. 17 shows a temperature distribution state between the support 14 (including the external circuit 15) and the measuring element 1 when the temperature of the support 14 rises as described above.
【0032】図17は、図16の測定素子を用いた熱式
空気流量計の測定素子部と、該測定素子部のE−E’線
上の温度分布とを示す図である。図17では、E−E’
線上の測定素子1、支持体14、外部回路15の温度分
布を示していて、内燃機関の熱が支持体14から支持部
2aを経由して、測定素子1の端子電極8、温度センサ
25、発熱抵抗体3、温度補償抵抗体4a、温度センサ
4bなどへ、一方、外部回路15へと伝搬することを示
している。FIG. 17 is a diagram showing a measuring element section of a thermal air flow meter using the measuring element of FIG. 16 and a temperature distribution on the line EE 'of the measuring element section. In FIG. 17, EE ′
The temperature distribution of the measuring element 1, the support 14 and the external circuit 15 on the line is shown, and the heat of the internal combustion engine is transferred from the support 14 via the support 2a to the terminal electrode 8 of the measuring element 1, the temperature sensor 25, It is shown that the signal propagates to the heat generating resistor 3, the temperature compensating resistor 4a, the temperature sensor 4b, etc., while being transmitted to the external circuit 15.
【0033】このため、空気流量を計測するための発熱
抵抗体3及び温度補償抵抗体4aに不要な熱が伝搬し、
空気流量の計測精度に悪影響を与える。また、外部回路
15自身からの発熱も加わって同様に不要な熱伝搬が起
きて、計測精度に悪影響を与えることがある。この影響
を考慮したものが後述の空気流量−支持部温度特性で示
すものであり、本実施例では、図16に示すように、発
熱抵抗体3と端子電極8間に、 または発熱抵抗体3(ま
たは測定素子の構造によっては温度補償抵抗体4a)の
近傍に、 温度センサ25を形成し、該温度センサ25
からの検出温度と空気流量−支持部温度特性とを利用し
て空気流量を補正するものである。Therefore, unnecessary heat propagates to the heating resistor 3 and the temperature compensating resistor 4a for measuring the air flow rate,
This has an adverse effect on the air flow measurement accuracy. In addition, unnecessary heat propagation occurs similarly due to heat generation from the external circuit 15 itself, which may adversely affect measurement accuracy. This effect is taken into account in the air flow rate-support portion temperature characteristic described later. In this embodiment, as shown in FIG. 16, between the heating resistor 3 and the terminal electrode 8 or between the heating resistor 3 (Or a temperature compensating resistor 4a depending on the structure of the measuring element), a temperature sensor 25 is formed near the temperature sensor 25a.
The correction of the air flow rate is performed using the detected temperature and the air flow rate-support temperature characteristic.
【0034】換言すれば、不要な熱伝搬が空気流量の計
測に与える影響を知ることができる「代表値としての支
持部温度Tw(代表温度Tw)」を検出するに好適な部位
としての熱伝導経路部位( 例えば、測定素子の基板が他
の構成体に取付けられたときに支持される支持部2a,
該支持部と発熱抵抗体等との間など)に、 該代表温度を
検出する温度センサ25を形成し、該温度センサ25か
らの検出温度を用いて空気流量の補正を行うことにより
流量計測の精度改善を図るものである。なお、本第二実
施例の発熱抵抗体等は、発熱抵抗体3および/または温
度補償抵抗体4aに該当する。また、第一実施例の発熱
抵抗体等は、発熱抵抗体3および/または温度補償抵抗
体4に該当する。In other words, the heat conduction as a portion suitable for detecting the “support portion temperature Tw (representative temperature Tw) as a representative value”, which can determine the influence of unnecessary heat propagation on the measurement of the air flow rate. Path portion (for example, the support portion 2a, which is supported when the substrate of the measuring element is attached to another component,
A temperature sensor 25 for detecting the representative temperature is formed between the support portion and the heating resistor, and the like, and the air flow rate is corrected by using the temperature detected from the temperature sensor 25 to measure the flow rate. It is intended to improve accuracy. The heating resistor and the like of the second embodiment correspond to the heating resistor 3 and / or the temperature compensation resistor 4a. Further, the heating resistor and the like of the first embodiment correspond to the heating resistor 3 and / or the temperature compensating resistor 4.
【0035】図18は、本発明による一実施例の支持部
温度補正及び吸気温度補正を示す図である。即ち、図1
8(a)は空気流量−支持部温度特性を示し、図18(b)
は空気流量−吸気温度特性を示したものである。図18
(a)において、横軸が空気流量(Q)で縦軸が支持部温度
(Tw)が 25℃を基準とした空気流量の計測誤差(ΔQ
/Q)を示している。 従来技術の支持部温度補正をしな
い場合の、支持部温度(Tw)が80℃のときには、特に
低流量領域において誤差が10%程度発生している。こ
れに対し本発明による構成によって、前述の発熱抵抗体
3と端子電極8間に温度センサ25を形成した測定素子
1から得られた支持部温度(Tw)と測定素子1(発熱抵
抗体等)で計測し前述の制御回路15bにて演算した空
気流量(Q)とを入力し、予めメモリ15cに記憶した図
18(a)に示した空気流量−支持部温度特性に基づいた
補正データを呼び出して、制御回路15bのCPU部に
て演算処理することによって、支持部温度補正が可能と
なる。FIG. 18 is a diagram showing the correction of the temperature of the support portion and the correction of the intake air temperature according to one embodiment of the present invention. That is, FIG.
8 (a) shows the air flow rate-support part temperature characteristic, and FIG.
Shows the air flow rate-intake air temperature characteristic. FIG.
In (a), the horizontal axis represents the air flow rate (Q), and the vertical axis represents the temperature of the support.
(Tw) is the measurement error of air flow based on 25 ° C (ΔQ
/ Q). When the temperature of the supporting portion (Tw) is 80 ° C. in the case where the temperature of the supporting portion is not corrected in the related art, an error of about 10% occurs particularly in a low flow rate region. On the other hand, with the configuration according to the present invention, the temperature of the support portion (Tw) obtained from the measuring element 1 having the temperature sensor 25 formed between the heating resistor 3 and the terminal electrode 8 and the measuring element 1 (heating resistor, etc.) And the air flow rate (Q) calculated by the above-described control circuit 15b is input, and correction data based on the air flow rate-support temperature characteristic shown in FIG. Then, by performing arithmetic processing in the CPU section of the control circuit 15b, it becomes possible to correct the temperature of the support section.
【0036】本実施例の支持部温度補正を適用した場合
は、図18(a)の矢印で示したように、ほぼ流量誤差が
零とする(支持部温度が25℃の基準に合わせる)ことが
できる。なお、このメモリ15cには、個々の熱式空気
流量計毎の固有の空気流量−支持部温度特性を予め記憶
しておき、空気流量(Q)と支持部温度(Tw)と補正値と
のマップから、また、近似的な誤差関数から支持部温度
補正が可能である。In the case where the temperature correction of the supporting portion of the present embodiment is applied, the flow rate error is set to almost zero as shown by the arrow in FIG. 18A (the temperature of the supporting portion is adjusted to the reference of 25 ° C.). Can be. The memory 15c stores in advance an air flow rate-support temperature characteristic unique to each thermal air flow meter, and stores the air flow rate (Q), the support temperature (Tw), and the correction value. Support temperature correction is possible from the map and from an approximate error function.
【0037】次に、吸気温度補正について説明する。従
来技術の吸気温度に関する補正は、温度補償抵抗体4a
と発熱抵抗体3とで構成したブリッジ回路に対しての吸
気温度補正を実行しているものである。従って、空気の
物性値である密度、動粘性係数、熱伝導率等の温度変化
に対しての補正は考慮されておらず、空気流量−吸気温
度特性は十分なものとは言えないものであった。Next, the intake air temperature correction will be described. The correction of the intake air temperature of the prior art is performed by the temperature compensation resistor 4a.
In this embodiment, the intake air temperature is corrected for the bridge circuit composed of the heating resistor 3 and the heating resistor 3. Therefore, correction for temperature changes such as density, kinematic viscosity coefficient, and thermal conductivity, which are physical properties of air, is not considered, and the air flow rate-intake temperature characteristic is not sufficient. Was.
【0038】図18(b)に示す空気流量−吸気温度特性
において、横軸が空気流量(Q)で縦軸が吸気温度(Ta)
が25℃を基準とした空気流量の計測誤差(ΔQ/Q)を
示している。従来技術の吸気温度補正を行っていない場
合の空気流量−吸気温度特性を実線で示した。吸気温度
(Ta)が低温(−30℃)の場合で、空気流量が低流量域
ではマイナス誤差となり、高流量域ではプラス誤差とな
る。 一方、高温(80℃)の場合では低温と逆傾向の誤
差になる。 これに対し、本発明による構成によって、
前述の温度センサ4bから得た吸気温度(Ta)と、測定
素子1で計測し前述の制御回路15bにて演算した空気
流量(Q)とを入力し、メモリ15cに予め記憶した図1
8(b)に示した空気流量−吸気温度特性に基づいた補正
データを呼び出して、制御回路15bのCPU部にて演
算処理することによって、吸気温度補正が可能となる。In the air flow rate-intake air temperature characteristic shown in FIG. 18B, the horizontal axis is the air flow rate (Q), and the vertical axis is the intake air temperature (Ta).
Shows the measurement error (ΔQ / Q) of the air flow rate based on 25 ° C. The solid line shows the air flow rate-intake air temperature characteristic when the intake air temperature correction of the prior art is not performed. Intake air temperature
When (Ta) is low temperature (−30 ° C.), the air flow rate becomes a minus error in a low flow rate range, and becomes a plus error in a high flow rate range. On the other hand, when the temperature is high (80 ° C.), the error tends to be opposite to the low temperature. On the other hand, by the configuration according to the present invention,
The intake air temperature (Ta) obtained from the temperature sensor 4b and the air flow rate (Q) measured by the measuring element 1 and calculated by the control circuit 15b are input and stored in the memory 15c in FIG.
The correction data based on the air flow rate-intake air temperature characteristic shown in FIG. 8 (b) is called up, and the CPU unit of the control circuit 15b performs the arithmetic processing, whereby the intake air temperature can be corrected.
【0039】本実施例の吸気温度補正を適用した場合
は、図18(b)の矢印で示したようにほぼ流量誤差が零
とする(吸気温度が25℃の基準に合わせる)ことができ
る。なお、メモリ15cには、予め個々の熱式空気流量
計毎に、固有の吸気温度特性を記憶しておき、計測空気
流量(Q)、吸気温度(Ta)と補正値をマップとして記憶
しても、また、近似的な誤差関数として記憶しても本発
明の吸気温度補正が可能である。When the intake air temperature correction of this embodiment is applied, as shown by the arrow in FIG. 18B, the flow rate error can be made almost zero (the intake air temperature is adjusted to the reference of 25 ° C.). In the memory 15c, a unique intake air temperature characteristic is stored in advance for each thermal air flow meter, and the measured air flow rate (Q), the intake air temperature (Ta), and the correction value are stored as a map. Also, the intake air temperature correction of the present invention can be performed by storing as an approximate error function.
【0040】ところで、本実施例では、吸気温度(Ta)
の計測に別個の独立した温度センサ4bを用いたが、
場合によっては温度センサ4bを設けずに、 温度補償
抵抗体4aの抵抗値の変化から吸気温度(Ta)を制御回
路15bのCPU部にて演算処理することによって、吸
気温度(Ta)を演算計測することが可能である。従って
この演算計測した吸気温度(Ta)を利用した吸気温度補
正が可能である。また、本実施例では、製作上の利点か
ら、温度センサ4b,25を、発熱抵抗体3および温度
補償抵抗体4aと同じ白金等の金属薄膜の抵抗体センサ
形態の構成としたが、温度検出の感度上の利点から、サ
ーミスタ、ダイオードまたはトランジスタ等の半導体セ
ンサ形態の構成としても可である。In this embodiment, the intake air temperature (Ta)
Was measured using a separate and independent temperature sensor 4b.
In some cases, without the temperature sensor 4b, the intake air temperature (Ta) is calculated and measured by the CPU of the control circuit 15b by calculating the intake air temperature (Ta) from the change in the resistance value of the temperature compensation resistor 4a. It is possible to Therefore, the intake air temperature can be corrected using the intake air temperature (Ta) calculated and measured. Further, in the present embodiment, the temperature sensors 4b and 25 are configured in the form of a resistor sensor of a metal thin film of platinum or the like, which is the same as the heating resistor 3 and the temperature compensation resistor 4a. Due to the sensitivity advantage of the present invention, a configuration of a semiconductor sensor such as a thermistor, a diode or a transistor is also possible.
【0041】次に、本発明の第三実施例について説明す
る。図19は、本発明による第三実施例の熱式空気流量
計用の測定素子1を示す平面図である。 本第三実施例
の図16に示した第二実施例と異なる点は、第二実施例
が発熱抵抗体3に流れる加熱電流を流量信号とした直熱
型方式であったのに対して、第三実施例は、発熱抵抗体
26の上下流に配置された測温抵抗体27a,27bの
温度差から流量および流れ方向を出力する図21に示し
た従来例と同じ温度差検知型方式である点である。Next, a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 19 is a plan view showing a measuring element 1 for a thermal air flow meter according to a third embodiment of the present invention. The difference of the third embodiment from the second embodiment shown in FIG. 16 is that the second embodiment is a direct heating type in which a heating current flowing through the heating resistor 3 is used as a flow rate signal. The third embodiment uses the same temperature difference detection type as the conventional example shown in FIG. 21 in which the flow rate and the flow direction are output from the temperature difference between the temperature measuring resistors 27a and 27b arranged upstream and downstream of the heating resistor 26. There is a point.
【0042】上記第三実施例の構成は、流量検出方式が
第二実施例と異なっているが、測定素子1上に、湿度セ
ンサ5、温度補償抵抗体4a、温度センサ25,4bが
第二実施例と同じように形成されており、湿度(H)、支
持部温度(Tw)および吸気温度(Ta)が制御回路15b
に入力されることから、第三実施例の測定素子1に関す
る空気流量−湿度特性、空気流量−支持部温度特性およ
び空気流量−吸気温度特性に関連した補正データをメモ
リ15cに予め記憶しておくことにより、第二実施例と
同じく湿度補正、支持部温度補正および吸気温度補正が
可能となる。なお、第三実施例の発熱抵抗体等は、発熱
抵抗体26、測温抵抗体27a,27bおよび/または
温度補償抵抗体4aに該当する。The configuration of the third embodiment differs from that of the second embodiment in the flow rate detection method. However, the humidity sensor 5, the temperature compensation resistor 4a, and the temperature sensors 25 and 4b are provided on the measuring element 1. It is formed in the same manner as in the embodiment, and the humidity (H), the support portion temperature (Tw), and the intake air temperature (Ta) are controlled by the control circuit 15b.
, Correction data relating to the air flow rate-humidity characteristic, the air flow rate-supporting part temperature characteristic, and the air flow rate-intake temperature characteristic relating to the measuring element 1 of the third embodiment is stored in the memory 15c in advance. This enables humidity correction, support portion temperature correction, and intake air temperature correction as in the second embodiment. The heating resistor of the third embodiment corresponds to the heating resistor 26, the temperature measuring resistors 27a and 27b, and / or the temperature compensating resistor 4a.
【0043】次に、本発明の第四実施例について説明す
る。図20は、本発明による第四実施例の熱式空気流量
計用の測定素子1を示す平面図である。
本第四実施例の図16に示した第二実施例と異なる点
は、第二実施例が発熱抵抗体3自身で加熱、温度検知す
る直熱型方式であったのに対して、第四実施例は発熱抵
抗体26の近傍に配置された測温抵抗体27により発熱
抵抗体26の温度を検知する傍熱型方式である点であ
る。 この方式の流量計測では、 発熱抵抗体26により
傍熱された測温抵抗体27が温度補償抵抗体4aの温度
より一定温度高くなるように設定され、この時に発熱抵
抗体26の流れる加熱電流が空気流量となり制御回路1
5bへ出力される。Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. FIG. 20 is a plan view showing a measuring element 1 for a thermal air flow meter according to a fourth embodiment of the present invention.
The fourth embodiment differs from the second embodiment shown in FIG. 16 in that the second embodiment is a direct heating type in which the heating resistor 3 itself heats and detects the temperature. The present embodiment is characterized in that an indirectly heated system is used in which the temperature of the heating resistor 26 is detected by a temperature measuring resistor 27 disposed near the heating resistor 26. In this type of flow rate measurement, the temperature measuring resistor 27 heated indirectly by the heating resistor 26 is set to have a certain temperature higher than the temperature of the temperature compensating resistor 4a. At this time, the heating current flowing through the heating resistor 26 is Control circuit 1
5b.
【0044】上記第四実施例の構成は、流量検出方式が
第二実施例と異なっているが、測定素子1上に、湿度セ
ンサ5、温度補償抵抗体4a、温度センサ25,4bが
第二実施例と同じように形成されており、湿度(H)、支
持部温度(Tw)および吸気温度(Ta)が制御回路15b
に入力されることから、第四実施例の測定素子1の空気
流量−湿度特性、空気流量−支持部温度特性および空気
流量−吸気温度特性の補正データをメモリ15cに予め
記憶しておくことにより、第二実施例と同じく湿度補
正、支持部温度補正および吸気温度補正が可能となる。
なお、第四実施例の発熱抵抗体等は、発熱抵抗体26、
測温抵抗体27および/または温度補償抵抗体4aに該
当する。The configuration of the fourth embodiment differs from that of the second embodiment in the flow rate detection method. However, the humidity sensor 5, the temperature compensating resistor 4a, and the temperature sensors 25 and 4b are provided on the measuring element 1. It is formed in the same manner as in the embodiment, and the humidity (H), the support portion temperature (Tw), and the intake air temperature (Ta) are controlled by the control circuit 15b.
The correction data of the air flow rate-humidity characteristic, the air flow rate-support temperature characteristic, and the air flow rate-intake temperature characteristic of the measuring element 1 of the fourth embodiment is stored in the memory 15c in advance. As in the second embodiment, humidity correction, support portion temperature correction, and intake air temperature correction can be performed.
The heating resistor and the like according to the fourth embodiment include a heating resistor 26,
This corresponds to the temperature measuring resistor 27 and / or the temperature compensating resistor 4a.
【0045】以上、第一、第二、第三および第四実施例
について説明したが、空気流量の検知方式が上記以外の
方法であっても、少なくとも発熱抵抗体3(または26)
を有する検知方式であれば、湿度センサ5および/また
は温度センサ25を、発熱抵抗体3と端子電極8間に形
成することにより、湿度(H)、支持部温度(Tw)および
吸気温度(Ta)が制御回路15bに入力されることか
ら、使用する測定素子1の空気流量−湿度特性、空気流
量−支持部温度特性および空気流量−吸気温度特性に関
連した補正データをメモリ15cに予め記憶しておくこ
とにより、本実施例と同じように湿度補正、支持部温度
補正および吸気温度補正が可能となる。また、本実施例
では制御回路15bとメモリ15cが分離された構成と
なっているが、制御回路15bにメモリ15cが内臓さ
れた構成でも本発明の効果に変わりがないことは言うま
でもない。The first, second, third and fourth embodiments have been described above. However, even if the air flow rate detection method is other than the above, at least the heating resistor 3 (or 26)
If the humidity sensor 5 and / or the temperature sensor 25 are formed between the heating resistor 3 and the terminal electrode 8, the humidity (H), the support portion temperature (Tw), and the intake air temperature (Ta) ) Is input to the control circuit 15b, so that the correction data relating to the air flow rate-humidity characteristic, air flow rate-support temperature characteristic, and air flow rate-intake temperature characteristic of the measuring element 1 to be used is stored in the memory 15c in advance. By doing so, humidity correction, support portion temperature correction, and intake air temperature correction can be performed in the same manner as in the present embodiment. In this embodiment, the control circuit 15b and the memory 15c are separated from each other. However, it is needless to say that the effect of the present invention is not changed even when the control circuit 15b has the memory 15c built therein.
【0046】次に、本発明の熱式空気流量計用の測定素
子の具体例について、図1,2を参照して説明する。ま
ず、シリコン半導体基板2上に電気絶縁膜7aとして二
酸化ケイ素、窒化ケイ素等を約0.5ミクロンの厚さで
熱酸化あるいはCVD等の方法で形成する。更に、発熱
抵抗体等としての発熱抵抗体3および温度補償抵抗体4
と,湿度センサ5を構成する電極10a,10bとを、
同じ基板上に約0.2ミクロンの厚さの白金でスパッタ
等の方法で形成した後、公知のホトリソグラフィ技術に
よりレジストを所定の形状に形成し、さらにイオンミリ
ング等の方法により白金をパターニングする。次に、端
子電極8を金メッキ等で形成した後、端子電極8以外の
部分を保護膜として電気絶縁体7bを先と同様に約0.
5ミクロンの厚さに形成する。最後に、シリコン基板2
の裏面より二酸化ケイ素等をマスク材として、異方性エ
ッチングすることにより空洞6を形成し、チップに切断
することにより測定素子1が得られる。Next, a specific example of a measuring element for a thermal air flow meter according to the present invention will be described with reference to FIGS. First, silicon dioxide, silicon nitride, or the like is formed as an electric insulating film 7a on the silicon semiconductor substrate 2 to a thickness of about 0.5 μm by a method such as thermal oxidation or CVD. Further, a heating resistor 3 and a temperature compensating resistor 4 as a heating resistor and the like are provided.
And the electrodes 10a and 10b constituting the humidity sensor 5,
After being formed on the same substrate by a method such as sputtering with platinum having a thickness of about 0.2 micron, a resist is formed in a predetermined shape by a known photolithography technique, and the platinum is patterned by a method such as ion milling. . Next, after the terminal electrode 8 is formed by gold plating or the like, a portion other than the terminal electrode 8 is used as a protective film, and the electric insulator 7b is formed in a thickness of about 0.
Formed to a thickness of 5 microns. Finally, silicon substrate 2
The cavity 6 is formed by anisotropic etching using silicon dioxide or the like as a mask material from the back surface of the substrate, and cut into chips to obtain the measuring element 1.
【0047】[0047]
【発明の効果】本発明によれば、半導体基板2上に電気
絶縁膜7を介して少なくとも発熱抵抗体3及び温度補償
抵抗体4aと,発熱抵抗体3と端子電極8間に湿度セン
サ5および温度センサ25と,を形成した測定素子1
と、電流を供給するための駆動検出回路手段15aと、
測定素子1の空気流量信号を演算処理し出力する制御回
路15bと、湿度センサ5および温度センサ25から検
出される湿度および支持部温度に対応した補正データが
予め記憶されているメモリ15cとから構成したことに
より、低コストで空気流量−湿度特性および空気流量−
支持部温度特性の優れた熱式空気流量計及び熱式空気流
量計用の測定素子が提供される。According to the present invention, at least the heating resistor 3 and the temperature compensating resistor 4a are provided on the semiconductor substrate 2 with the electric insulating film 7 interposed therebetween, and the humidity sensor 5 and the temperature sensor 5 are provided between the heating resistor 3 and the terminal electrode 8. Temperature sensor 25 and measuring element 1 formed with
A drive detection circuit means 15a for supplying a current;
A control circuit 15b for calculating and processing an air flow signal of the measuring element 1 and outputting the same, and a memory 15c in which correction data corresponding to the humidity and the temperature of the supporting portion detected from the humidity sensor 5 and the temperature sensor 25 are stored in advance. As a result, air flow-humidity characteristics and air flow-
A thermal air flow meter having excellent temperature characteristics of a support and a measuring element for the thermal air flow meter are provided.
【図1】本発明による第一実施例の熱式空気流量計用の
測定素子を示す平面図である。FIG. 1 is a plan view showing a measuring element for a thermal air flow meter according to a first embodiment of the present invention.
【図2】図1の測定素子のA−A’断面図である。FIG. 2 is a sectional view of the measuring element taken along line A-A 'of FIG.
【図3】本発明による第1実施例の湿度センサを示す断
面図である。FIG. 3 is a sectional view showing a humidity sensor of a first embodiment according to the present invention.
【図4】本発明による一実施例の熱式空気流量計を示す
断面図である。FIG. 4 is a sectional view showing a thermal air flow meter according to an embodiment of the present invention.
【図5】図4の測定素子部を示す拡大図である。FIG. 5 is an enlarged view showing the measuring element unit of FIG.
【図6】図5の測定素子部のC−C’断面図である。6 is a cross-sectional view of the measuring element section taken along line C-C 'of FIG.
【図7】本発明による熱式空気流量計を示すブロック構
成図である。FIG. 7 is a block diagram showing a thermal air flow meter according to the present invention.
【図8】図7の熱式空気流量計の部分電気回路を示す図
である。8 is a diagram showing a partial electric circuit of the thermal air flow meter of FIG.
【図9】図1の湿度センサの等価電気回路を示す図であ
る。FIG. 9 is a diagram showing an equivalent electric circuit of the humidity sensor of FIG. 1;
【図10】吸入空気の相対湿度と湿度センサの静電容量
の関係を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the relative humidity of intake air and the capacitance of a humidity sensor.
【図11】本発明の一実施例の熱式空気流量計の空気流
量−湿度特性を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing an air flow rate-humidity characteristic of the thermal air flow meter according to one embodiment of the present invention.
【図12】本発明による第2実施例の湿度センサを示す
断面図である。FIG. 12 is a sectional view showing a humidity sensor according to a second embodiment of the present invention.
【図13】本発明による第3実施例の湿度センサを示す
断面図である。FIG. 13 is a sectional view showing a humidity sensor according to a third embodiment of the present invention.
【図14】本発明による他の実施例の測定素子部を示す
拡大図である。FIG. 14 is an enlarged view showing a measuring element unit according to another embodiment of the present invention.
【図15】本発明による第4実施例の湿度センサを示す
断面図である。FIG. 15 is a sectional view showing a humidity sensor according to a fourth embodiment of the present invention.
【図16】本発明による第二実施例の熱式空気流量計用
の測定素子を示す平面図である。FIG. 16 is a plan view showing a measuring element for a thermal air flow meter according to a second embodiment of the present invention.
【図17】図16の測定素子を用いた熱式空気流量計の
測定素子部と、該測定素子部のE−E’線上の温度分布
とを示す図である。FIG. 17 is a diagram showing a measuring element part of a thermal air flow meter using the measuring element of FIG. 16, and a temperature distribution on the line EE ′ of the measuring element part.
【図18】本発明による一実施例の支持部温度補正及び
吸気温度補正を示す図である。FIG. 18 is a diagram showing correction of a support portion temperature and correction of intake air temperature according to an embodiment of the present invention.
【図19】本発明による第三実施例の熱式空気流量計用
の測定素子を示す平面図である。FIG. 19 is a plan view showing a measuring element for a thermal air flow meter according to a third embodiment of the present invention.
【図20】本発明による第四実施例の熱式空気流量計用
の測定素子を示す平面図である。FIG. 20 is a plan view showing a measuring element for a thermal air flow meter according to a fourth embodiment of the present invention.
【図21】従来の熱式空気流量計用の測定素子の平面図
である。FIG. 21 is a plan view of a measuring element for a conventional thermal air flow meter.
【図22】従来の熱式空気流量計のブロック構成図であ
る。FIG. 22 is a block diagram of a conventional thermal air flow meter.
1…測定素子、2…半導体基板、2a…支持部、3,2
6,10e,10f…発熱抵抗体、4,4a…温度補償
抵抗体、4b,25…温度センサ、5…湿度センサ、
6,6a,6b…空洞、7,7a,7b…電気絶縁膜、
8,8a〜8n,16…端子電極、9…空気流、10a
〜10d…電極、11…膜、12…吸気通路、13…副
通路、14…支持体、14a…保護体、15…外部回
路、15a…駆動検出回路、15b…制御回路、15c
…メモリ、17…金線、18…熱式空気流量計、19…
差動増幅器、20…トランジスタ、21…電源、22
a,22b…抵抗、23a,23b…ピエゾ抵抗、24
…通気孔、27,27a,27b…測温抵抗体、28
a,28b,28c…空洞、29a,29b…橋。DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Measuring element, 2 ... Semiconductor substrate, 2a ... Support part, 3, 2
6, 10e, 10f: heating resistor, 4, 4a: temperature compensation resistor, 4b, 25: temperature sensor, 5: humidity sensor,
6, 6a, 6b: cavity, 7, 7a, 7b: electric insulating film,
8, 8a to 8n, 16: terminal electrode, 9: air flow, 10a
-10d: electrode, 11: membrane, 12: intake passage, 13: sub passage, 14: support, 14a: protector, 15: external circuit, 15a: drive detection circuit, 15b: control circuit, 15c
... memory, 17 ... gold wire, 18 ... thermal air flow meter, 19 ...
Differential amplifier, 20: transistor, 21: power supply, 22
a, 22b: resistance, 23a, 23b: piezo resistance, 24
... vent holes, 27, 27a, 27b ... resistance temperature detectors, 28
a, 28b, 28c ... hollow, 29a, 29b ... bridge.
Claims (5)
板の一方の面の全面を覆う電気絶縁膜と、前記空洞部に
対応する部分の前記空洞部対して反対面側の前記電気絶
縁膜上に形成された空気流量を検出する発熱抵抗体と、
前記空洞部以外の前記電気絶縁膜上に形成された温度補
償抵抗体及び櫛歯状電極を有し湿度を検出する湿度セン
サと、前記発熱低抗体、温度補償抵抗体及び櫛歯状電極
の各々を外部回路に電気的に接続する端子電極とを有す
ることを特徴とする熱式空気流量計用測定素子。1. A semiconductor substrate having a cavity, an electric insulating film covering an entire surface of one surface of the semiconductor substrate, and an electric insulating film on a surface corresponding to the cavity and opposite to the cavity. A heating resistor for detecting the air flow rate formed on the top,
A humidity sensor having a temperature compensation resistor and a comb-shaped electrode formed on the electrical insulating film other than the cavity to detect humidity, and each of the heat-generating low antibody, the temperature compensation resistor, and the comb-shaped electrode And a terminal electrode for electrically connecting the measuring element to an external circuit.
体に支持されており、前記前記電気絶縁膜上の前記発熱
抵抗体と端子電極との間に前記支持体の温度を検出する
温度センサを有することを特徴とする熱式空気流量計用
測定素子。2. The temperature sensor according to claim 1, wherein the semiconductor substrate is supported by a support, and the temperature of the support is detected between the heating resistor and the terminal electrode on the electrical insulating film. A measuring element for a thermal air flow meter, comprising:
は、空気流に直接晒されないように通気孔を有する保護
体により覆われていることを特徴とする熱式空気流量計
用測定素子。3. The method of claim 1 or 2, wherein the humidity sensor is a thermal type air flow meter, characterized in that is covered by a protective body having a vent hole so that it is not exposed directly to the airflow
Measuring element .
と、前記発熱抵抗体に電流を供給し空気流量に関する信
号を検出する駆動検出回路と、前記湿度と空気流量との
関係を表す補正データが記憶されているメモリと、前記
湿度センサから検出される前記湿度とメモリとに基づい
て前記空気流量を制御する制御回路とを有することを特
徴とする熱式空気流量計。4. A measuring element according to claim 1, a drive detecting circuit for supplying a current to said heating resistor and detecting a signal relating to an air flow rate, and a relation between said humidity and said air flow rate. A thermal air flow meter, comprising: a memory in which correction data is stored; and a control circuit that controls the air flow rate based on the humidity and the memory detected by the humidity sensor.
と、前記発熱抵抗体に電流を供給し空気流量に関する信
号を検出する駆動検出回路と、前記湿度と空気流量との
関係を表す補正データが記憶されているメモリと、前記
温度と空気流量との関係を表す補正データが記憶された
メモリと、前記湿度センサから検出される前記湿度と前
記温度センサから検出される前記温度と各メモリとに基
づいて前記空気流量を制御する制御回路とを有すること
を特徴とする熱式空気流量計。5. A measurement element according to claim 1, a drive detection circuit for supplying a current to said heating resistor and detecting a signal relating to an air flow rate, and a relation between said humidity and said air flow rate. Memory storing correction data representing the temperature, memory storing correction data representing the relationship between the temperature and the air flow rate, and the humidity detected from the humidity sensor and the temperature detected from the temperature sensor. A control circuit for controlling the air flow rate based on each memory.
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