JP3587734B2 - 熱式空気流量センサ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱式空気流量センサに係わり、特に内燃機関の空気を測定する熱式空気流量センサに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、自動車などの内燃機関の吸入空気通路に設けられ、吸入空気量を測定する空気流量センサとして、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。最近では特に半導体マイクロマシニング技術により製造された空気流量センサが高速応答性を有することや、その応答性の速さを利用して逆流検出も可能であることから注目されてきた。
【0003】
このような従来の半導体基板を用いた熱式空気流量センサの技術は、例えば特表平9−503312 号に開示されている。従来実施例ではセンサ素子が金属製のケーシングに支持され、かつ回路基板がケーシング内に配置され、半導体センサ素子と回路基板を金属ワイヤで電気的に接続した構造である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術は、以下のような課題がある。ケーシングの材料は金属製でありこれに半導体センサ素子と制御回路基板を実装することにより耐電波障害性を改善しているが、反面金属製のケーシング材と半導体センサ素子を構成しているシリコンとでは熱膨張係数に大きな差があり、冷熱サイクルの繰り返し応力で両者の接続部がクラックを生じやすいこと、また金属製のケーシングでは熱伝導率が比較的大きく、通路等がエンジンの熱の影響で加熱されるとその熱が半導体センサ素子に伝わりやすく特性誤差を生じる要因になっていた。さらに、金属製ケーシングでは特表平9−503312 号の図5に示すように構造が複雑であり、製造ばらつきが生じやすく、価格的にも高価である。
【0005】
また、金属製ケーシングが空気通路中に曝される構造ではエンジンルーム内の過酷な環境条件下で腐食が進行し、それによって特性が変化してしまう問題もあった。さらに半導体センサ素子と制御回路基板が別構造になっていることから部品点数が増えコスト高である等の問題があった。また、制御回路と半導体センサ素子を接続するための接続ワイヤ部は、信頼性確保のためにモジュール内に配置する必要があるため半導体センサ素子を副通路の壁面から離れた位置に配置することができないため、壁面で生じた空気の乱れを検出してしまい出力ノイズが大きく、精度ばらつきも大きかった。
【0006】
従って、本発明の目的は、信頼性の高い、特性誤差を生じにくい構造とし、さらにはコスト低減が図られる熱式空気流量センサを提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、各請求項に記載の発明により達成される。
例えば、上記目的は半導体基板に形成した測温抵抗体と該半導体基板の薄肉部に形成した発熱抵抗体とを含む測定部位を有する半導体センサ素子を、積層基板の窪み部に前記半導体センサ素子の測定部位と該積層基板の表面がほぼ同一平面になるように実装すると共に、該積層基板にセンサを制御するための回路を実装し、前記半導体センサ素子と前記回路とを電気的に接続し、前記積層基板が予め穴を設けたセラミック材(但し、ベリリアと炭化珪素を除く)の基板と穴を設けないセラミック材(但し、ベリリアと炭化珪素を除く)の基板とを積層し焼成し前記窪み部を構成した熱式空気流量センサによって達成される。
【発明の実施の形態】
まず、本発明の実施例について簡単に説明する。熱式空気流量センサは、半導体基板に形成した測温抵抗体と該半導体基板の薄肉部に形成した発熱抵抗体とを含む測定部位を有する半導体センサ素子を窪みを有するセラミック積層基板の窪み部に配置するとともに該セラミック積層基板中に前記測温抵抗体の温度に対して所定の温度だけ高くするよう前記発熱抵抗体に加熱電流を流す制御を実行し空気流量を表す空気流量信号を得る制御回路を実装する。なお、積層基板の窪みは打ち抜き等で穴が設けられた基板と穴の無い基板を積層させて成形する。
【0008】
さらに耐電波障害の対策としてセラミック積層基板内に前記制御回路とは別に金属膜からなる層を形成して前記制御回路と接地する。また、前記半導体センサ素子と前記制御回路をワイヤボンディングにより電気的に接続後、ワイヤボンディング部をエポキシ樹脂で被覆して保護するとともに、前記半導体センサ素子部と該エポキシ樹脂被覆部を空気通路中に配置して直接流体に触れる構造とする。本発明によれば、セラミック積層基板と半導体センサ素子の熱膨張係数は比較的近いため冷熱サイクル等の熱ストレスに強く、セラミックであるためエンジンルーム内の過酷な環境条件下であっても腐食を生じない。制御回路と電磁波シールド用金属膜をセラミック積層基板内に実装しているため部品点数を削減できる。これにより作業性の改善と小型化による低コスト化が可能である。さらに積層基板に形成される窪みは、あらかじめ打ち抜き等で穴を設けた基板を穴の無い基板に積層させるだけであり折り曲げ等の工程が無いため、窪みの寸法を精度良く形成できるとともに安価である。
【0009】
また、制御回路と半導体センサ素子の電気的接続部であるワイヤボンディング部をエポキシ樹脂で被覆し保護しているため断線,腐食等の問題が無い。従って空気通路中にワイヤボンディング部を曝すことができるため副通路の壁面から半導体センサ素子を離して配置することができる。そのため出力ノイズが小さく、出力特性ばらつきを低減できる。
【0010】
さらに副通路の壁面から半導体センサ素子が離れることで、エンジンの熱等で通路が加熱されてもその熱影響が半導体センサ素子に伝わりにくく、且つセラミック積層基板自身が金属に比べて熱伝導率が低いため半導体センサ素子に熱を伝えにくいため熱影響による特性変化を防止することができる。
【0011】
以下、本発明の実施例について、図面により詳細に説明する。
【0012】
図1は本発明の第一の実施例である熱式空気流量センサ1を示す断面図である。図2は図1に示す熱式空気流量センサ1のセンサ部を含む回路基板の断面図である。
【0013】
図1,図2において、熱式空気流量センサ1は半導体センサ素子2とそれを支持する積層基板8a,8b,8cと副通路11a,外部への入出力を行う金属端子28等を含み構成され、そして半導体センサ素子2はシリコン等の半導体基板の下面より異方性エッチングにより電気絶縁膜からなるダイヤフラム6の境界面まで形成された空洞5と空洞5上のダイヤフラム6上(薄肉部)に形成された発熱抵抗体3と、半導体基板上に形成されて空気温度を計測するための測温抵抗体4と各抵抗体と制御回路16を結ぶ電極27a,27bを含み構成される。また、制御回路は測温抵抗体4の温度に対して所定の温度だけ高くするように発熱抵抗体3に加熱電流を流す制御を実行し空気流量を示す空気流量信号を得るものである。
【0014】
本発明の熱式空気流量センサ1は図1、または図2に示すように半導体センサ素子2を数層のセラミックからなる積層基板8a,8b,8cに半導体センサ素子2が収まる程度の窪みを設け、そこにセンサ接着剤7により積層基板8cと接着する。この時、半導体センサ素子2のダイヤフラム6表面と積層基板8の表面がほぼ同じ面に配置されるように積層基板8a,8bの窪み深さを設定してやる必要がある。これは、図6,図7等を用いて後述するが積層基板8aと半導体センサ素子2の表面高さが異なっていると空気の流れが乱れて不安定になり、出力特性が安定しなくなるためである。
【0015】
積層基板8a,8b,8cを用いることにより、この窪み深さを安定して成形できることができることが特徴である。以下に積層基板8a,8b,8c製作の製造工程の概要を、セラミック製積層基板8a,8b,8cを例に述べる。まず、厚さ0.1〜0.3mm程度のグリーンシート状態のセラミック製積層基板8cに、同様のグリーンシート状態の積層基板8b,8cを密着させて加圧し積層させる。この時、上層の積層基板8b,8cの半導体センサ素子2が配置される部分は打ち抜き型等により所定の形状に穴を空けておく。これを焼成して部分的に窪みを有する積層基板8a,8b,8cを製作する。セラミック製のグリーンシートは焼成条件によって10〜30%の収縮があるのでグリーンシートの積層高さはこれを勘案してやや厚めに設定しておく。このような積層手段により得られる窪みは、窪みの底の平面度が確保できるという特徴があり、その他の窪み形成法、例えばプレス成形で得られるような窪みのコーナー部に丸みが付くものとは異なっている。そのため、半導体センサ素子2を窪みに配置したときに積層基板
8cの表面と半導体センサ素子2の表面を安定して一致させることができるようになり、出力特性ばらつきの低減を図ることが可能となる。また、特表平9− 503312号の図5に示すような複雑で折り曲げ部を持つ構造とは異なり、積層後焼成するだけで積層基板8a,8b,8cを製造できるため安価である。
【0016】
また、半導体センサ素子2はシリコン等の半導体から形成されたものであり熱膨張係数が金属材料、例えば黄銅,銅,ニッケル,アルミニウム等に比べて非常に小さいため、これらの金属基板上に半導体センサ素子2を接続すると両者の熱膨張係数の違いから冷熱サイクル等の熱疲労により接続部からクラックを生じるといった不具合の原因となる。また、クラックに至らなくとも半導体センサ素子2の表面に実装された発熱抵抗体3や測温抵抗体4に歪みが生じ、その応力の影響で抵抗値が変化してしまうことが実験により判明した。さらに金属材料ではエンジンルーム内の亜硫酸ガスや窒素酸化物ガス等の過酷な環境条件下に曝されると腐食してしまう。そして腐食生成物が空気の流れを乱すことによって半導体センサ素子の出力特性を変化させてしまうことが判った。
【0017】
これらの問題は、熱膨張係数が半導体センサ素子2に近く、耐腐食性に優れるセラミック製の積層基板8a,8b,8cを用いることで解決できる。また、仮に金属基板上に半導体センサ素子2を配置すると、金属では熱伝導率が良すぎるため、エンジンで発生した熱を受けて通路12が暖められると通路12を介してハウジング15や金属基板に熱が伝わりそれが半導体センサ素子2に伝わってしまう。すると半導体センサ素子2上に形成された測温抵抗体4が実際に流れている空気の温度よりも高くなるため、これが出力特性の誤差要因となる。従って積層基板8a,8b,8cに用いるセラミック材料としてはベリリア,炭化珪素のような熱伝導性の良い材料は適さない。
【0018】
材料としてはアルミナ、またはアルミナとガラスの複合材,ジルコニア,窒化珪素,窒化アルミニウム等の材料にすべきである。特に、価格的な有利性を考慮すれば、アルミナ、あるいはアルミナとガラスの複合材が優れている。また、強度的にはアルミナが優れるがアルミナ−ガラスの複合材はガラスが配合されているため熱伝導率が非常に小さい分、熱的性能面で有利である。
【0019】
セラミックス材を用いることによるその他の効果として、金属材料を用いた場合に比べて水分が結露しにくい点がある。
【0020】
すなわち、セラミックス材は同じ大きさの金属材料に比べると熱容量が小さいため、外気温度の変化に対し温度追従性が高い。
【0021】
たとえば吸気管内の半導体センサ素子2近傍が冷えた状態で高温高湿の外気が流入した場合、温度追従性が悪いと水蒸気が結露し半導体センサ素子2に付着する可能性がある。動作中の半導体センサ素子2に水滴が付着すると誤動作の原因となり、最悪の場合はヒートショックにより半導体センサ素子2のダイヤフラム6を破損してしまう。
【0022】
この問題を回避するためにも、セラミック製の積層基板8a,8b,8cの採用が有利である。
【0023】
また、積層基板8a,8b,8cを用いたときの特徴としては、積層基板8a,8b,8cの表面、及び裏面には印刷等の配線パターンを形成できることにある。その構成を図2の実施例に示した。図2において、3層に積層された積層基板8a,8b,8cの上層の積層基板8a表面には半導体センサ素子2とそれを制御する制御回路16を接続ワイヤ27a,27bで接続する電極27a,27bと電気部品23a,23bを実装するための配線パターンが実装され、部分的に形成されたスルーホール25a,25bにより中間の積層基板8bに接続されている。中間の層では下層の積層基板8cの下面に形成された印刷による抵抗膜
24a,24bに接続するための配線パターンとスルーホール25a,25bが形成されている。
【0024】
このようにして制御回路16と半導体センサ素子2を一体で構成することで小型化を図ることも可能であり、一回の工程で半導体センサ素子2と制御回路をハウジング15へ接続することができる。そのため加工時間の短縮によるコスト低減も可能である。本発明の優れる点は、制御回路16と半導体センサ素子2が同一平面上の基板に実装されているため、ハウジング15等に接続する前に、基板内で特性調整が可能である点が上げられる。調整装置を工夫すれば流量特性の調整も可能であり、特性不良等も基板上で選別することができ、大幅な原価低減も見込める。
【0025】
また、半導体センサ素子2は約2×6×0.3mm 程度の非常に小さい大きさであり、取扱い困難であるが、制御回路16と一体にする本構造では、積層基板
8a,8b,8cに取り付けた後は基板自身が大きいので取り扱い易く、ハウジング15へ接着した時の副通路11a中への半導体センサ素子2の取り付け精度向上も可能であり、熱式空気流量計としての出力特性の精度向上も図ることが可能である。
【0026】
本発明の、その他の効果として耐電波障害性の向上が上げられる。
【0027】
自動車において、使用される製品の耐電波障害性を向上させることは非常に重要な課題である。近年では自動車内に装着される電子装置や電気装置の装着量が増加する傾向にあり益々その重要性が増している。熱式空気流量センサ1の場合、センサとその制御回路16を接続するための配線が長くなるほどそこから電磁波が侵入し易くなることは周知である。本発明のようにセンサ部と制御回路16を一体で構成すると、センサと制御回路16の間を印刷パターンで接続できるため配線の長さを極力短くできる。そのためセンサと制御回路の間から侵入する電波の影響はほとんど無視可能となり、耐電波障害性の向上を図ることも可能である。
【0028】
図3はさらに耐電波障害性を改善するために考案した構造であり、図2のA−A′面を図示したものである。すなわち積層基板8cの表面に制御回路16とは別に銀−白金、あるいは銀−パラジウム等の金属を含む金属膜26を網目状に形成し制御回路に接地させている。図示した金属膜26は網目状であるが、もちろん積層された基板の下層表面等に全面に印刷しても効果は同じである。この構成であれば制御回路16を電波障害から守るための金属シールド等を設ける必要が無くなり、その分のコスト低減も可能となる。
【0029】
前述の説明ではセラミックの積層基板8a,8b,8cを用いて実施例を示したが、セラミックの欠点は破損しやすいことである。そこで樹脂製の基板を用いることを検討した。
【0030】
自動車用熱式空気流量センサ1では、センサ部を直接吸気管内に配置するために耐熱性と耐ガソリン蒸気性,耐エンジンオイル性、またはブローバイガス中に含まれる亜硫酸ガス,窒素酸化物等に対する耐腐食性、及び前述したような熱絶縁性,低熱膨張性など要求される。従って通常プリント基板で使用されるようなフェノール樹脂や、積層基板8a,8b,8c内にアルミニウム板のような金属を積層するメタルベース基板等は、耐熱性,耐環境性,熱伝導性の面で実用化することが困難である。
【0031】
そこでポリイミド樹脂の耐熱性と耐環境性及び低熱伝導性に着目し検討を進めた。しかしポリイミドの欠点は柔らかすぎて基板としての安定した形状を維持できないことであり、積層基板8a,8b,8cとして実用化するには至らなかった。この欠点を補うためにエポキシ樹脂の硬さと低熱膨張性,耐環境性を利用し、ポリイミド繊維にエポキシ樹脂を含浸させた基板を積層基板8a,8b,8cとして用いることで以上の問題を解決できることが判った。この場合、構造的には前述の図1,図2,図3と同じ構造をとることが可能である。但し、樹脂製であるため耐熱性が350℃程度でセラミック製よりも低いので、印刷配線材料等は低温焼成できる樹脂含有の金属ペーストを焼き付ける必要がある。本積層基板8a,8b,8cの特徴は、セラミック製よりも破損しにくいこと及び低熱伝導性であり半導体センサ素子2が熱的誤差を生じにくいことがあげられる。
【0032】
次に本発明のその他の実施例を図4に基づき説明する。
【0033】
半導体センサ素子2は2×6×0.3mm 程度の大きさで非常に小さいことを前述した。そのため半導体センサ素子2を副通路の中央付近にまで配置すると接続ワイヤ21aが空気通路中にむき出しになるため、耐久的に問題を生じてしまう。そこで公知例として示した特表平9−503311 号の図2のように接続ワイヤ21aが空気中に触れぬようハウジング15内に半導体センサ素子2の電極27a部を配置させる必要がある。従って空気の流れ31に十分曝されるように副通路11aの壁面から離して配置することができない。壁面に近いと空気の流れは乱れやすく、流速も遅くなるため測定精度が悪化してしまう。さらにエンジンからの熱による影響も受けやすくなる。
また、半導体センサ素子2を積層基板8と接着するセンサ接着材7も構造的に外気に曝される。センサ接着材7がわずかでも腐食や吸気管内のガソリン蒸気,エンジンオイル等によって寸法変化すると、半導体センサ素子2が直接動いてしまいそれが特性変化の原因になる。センサ接着材7は、一般には銀入りのエポキシ樹脂や銀入りのシリコーン接着材等が用いられる。そして接続ワイヤはφ0.03mm程度の極細の金線が用いられ、超音波溶接により接続がなされている。接続時は接続部を200℃程度に加熱する必要があることや、超音波の加振による共振を防止するため、耐熱性や耐共振性を考慮してこれらのセンサ接着材7が選定されている。しかし、銀は吸気管内の腐食性ガス、例えば亜硫酸ガスによって腐食しやすく、シリコーン樹脂はガソリン蒸気やエンジンオイルの影響を受けて膨潤し易い。
【0034】
そこで、本発明では前述の図2及び図4に示すようにできるだけセンサ接着材7が外気に触れぬ構造とすると共に、半導体センサ素子2が外気に十分曝されるように接続ワイヤ21a部をエポキシ樹脂で封止する樹脂封止膜22構造を考案した。本構造の特に優れる点は、半導体センサ素子2のセンサ表面が積層基板の表面と同じ面上にあることであり、これによって封止には印刷法の適用も可能としたことである。
【0035】
例えばセンサ素子2が基板表面に配置され、それが接続ワイヤ21aで接続された構造では、センサ表面と基板表面には段差ができているため、半導体センサ素子2の接続部だけを印刷封止しようとしても段差のために印刷ばらつきが生じる。本発明のように、積層基板8に窪みを設けそこに半導体センサ素子2を配置する構造では段差ができないため印刷法で所定の位置に再現性よく樹脂封止膜
22を形成することが可能である。特にセンサ自身が小さい半導体センサ素子2では、センサ近傍に形成された樹脂封止膜22の形状がばらつくと、それが直接出力特性のばらつきに繋がるため重要である。
【0036】
また、エポキシ樹脂中に気泡が残留するとそれが原因で接続ワイヤ21aを腐食させたりクラックの発生原因となるので理想的には真空脱気等を行い気泡の発生を抑える。また、エポキシ樹脂の熱膨張係数をシリコンに近づけるため、シリカ等の低熱膨張性無機材を配合する。樹脂封止膜22の形成後は接続ワイヤ21aが保護されているため、取扱い性も良くなり、万一樹脂封止膜22に製造過程で触れても接続ワイヤ21aを断線させるような不良の発生も防止できる。
【0037】
このような構造をとることにより、前述の図1に示すように接続ワイヤ21a部を吸気管内に露出させることができるため精度向上や高信頼性の熱式空気流量センサ1を低価格で提供できる。
【0038】
以上の説明では樹脂封止膜22としてエポキシ樹脂を一例として述べたが、その他の材料としてフッ素樹脂を用いても同様の効果がえられる。フッ素樹脂は耐環境性、とくにガソリンやエンジンオイル等の非極性溶剤に対する耐膨潤性に優れており樹脂自身がエポキシ樹脂に比べて柔らかいため接続ワイヤ21aにストレスをかけることがない。但し、柔らかいため樹脂封止膜21a形成後の取扱い性は前述のエポキシ樹脂より悪くなるので注意して取り扱う必要がある。
【0039】
次に本発明のその他の実施例を図5に基づき説明する。
【0040】
図5では、半導体センサ素子2を支持するための、窪みを有する積層基板8と制御回路基板9を分離したものである。積層基板8の構造は前述した構造と基本的に同じであり、例えば、耐電磁波対策用の金属膜を積層基板8の下層部表面や、中間層の表面に形成することも可能である。本構造の特徴はエンジンで発生した熱の影響で制御回路基板9が温度上昇しても、その熱が直接半導体センサ素子2を実装した積層基板8に伝わらないことである。従ってエンジンからの熱影響を一層受け難いため、更なる高精度化が可能である。
【0041】
図6,図7,図8,図9,図10は積層基板8a,8b,8c,8dを用いたその他の発明を説明するための半導体センサ素子2を実装した積層基板8a,8b,8c,8dの断面図である。
【0042】
図6では空気の流れ31の上流と下流のそれぞれに積層基板8a,8b,8c,8dを階段状に成形したものであり半導体センサ素子2表面の積層基板8aの幅が狭くなるように積層したものである。図7は積層基板8a,8b,8c,8dを上流側だけ階段状に成形したものである。
【0043】
このように積層基板8a,8b,8c,8dを階段状に積層することにより空気の流れ31に直交する積層基板8a,8b,8c,8dの幅を段階的に変えてできるだけ空気の流れ31に乱れを生じないようにする。これにより半導体センサ素子表面の空気の流れ31の安定化を図ることが可能となり出力ノイズの低減が可能となる。また、積層基板8a,8b,8c,8dの強度を損なうこと無く薄く形成でき、且つ表面積も大きくできるため積層基板8a,8b,8c,8d自身の放熱性が良くなり制御回路部やハウジング15部材を介して伝わる熱の影響を低減できる。従って、エンジンで発生した熱が半導体センサ素子2に伝わりにくくなり、測温抵抗体4の温度を誤動作させることが無くなるため出力特性の変化が防止できる。なお図6,図7以外の構造、例えば図6の上流側だけを階段状に成形する、あるいは図7の下流側も階段状にする等でも同じ効果が得られることは言うまでもない。
【0044】
図8,図9は半導体センサ素子2を実装した積層基板8a,8b,8cの断面構造を示したもので、いずれも半導体センサ素子2の表面で窪み部の幅が狭くなるように成形したものである。半導体センサ素子2の発熱抵抗体3が実装されるダイヤフラム6部下部では、前述の図2に示すように僅かではあるが積層基板8cとの接続面に隙間を形成している。そのためこの部分に空気が流れ込むと発熱抵抗体3の放熱量が大きくなる。この隙間幅はセンサ接着材7の厚さに依存するので制御して一定に保つことが困難である。そのため隙間の大きさが変わると、熱式空気流量計1としての出力特性のばらつきが大きくなることが判った。
【0045】
そこで半導体センサ素子2の表面位置で積層基板8aの窪み幅が空気の流れ31方向で狭くなるように形成する。このような窪みの構造にすると空気流が窪み部に入り込みにくいため上記の問題を解決でき出力特性の精度向上を図ることができる。特に図8に示す構造の場合、上層の積層基板8aの窪み部の幅だけを精度良く形成すれば良く中間層積層基板8bの窪み部の幅は、ばらつきが大きくても問題はないため積層時の作業性も良くなる。また、本発明を応用して窪みの全周について同様の構造を採用すれば、さらに空気の入り込みが少なくなるため更なる出力特性の精度向上を図ることも可能である。
【0046】
本構造を採用することによって次のような効果も生じる。すなわち半導体センサ素子2と積層基板8の接続にはセンサ接着材7が用いられるが、接着時に余剰の接着材が塗布されるとセンサ接着材7が半導体センサ素子2の電極27aに付着しやすくなる。本発明のように窪み内に空間をもつ構造ではセンサ接着材7が電極27aにはみ出す危険性も減少する。
【0047】
なお本発明の図6,図7,図8,図9及び次に述べる図10の構造は、積層基板8が製造工程的に積層方向で比較的任意の形状を積層できるという特徴を生かして考案されたものであり、価格的にも安価である。
【0048】
次に図10に基づきその他の実施例を説明する。図10は、半導体センサ素子2を積層基板8a,8b,8cの窪みに接着し、接続ワイヤ21aを接続した構造の部分断面図である。センサ接着材7は接続ワイヤ21aを超音波溶接する時に電極27a,27b面が共振しないようにするため、半導体センサ素子2の電極27a下面に塗布,接着される。
【0049】
量産を前提として多数の接着作業を実施した結果、センサ接着材7の塗布量ばらつきにより塗布量が増えると、余分なセンサ接着材7が上層の積層基板8aと半導体センサ素子2の表面にはみ出し、場合によっては半導体センサ素子2の電極27a面、あるいは積層基板8aの電極27b面に付着してしまうことが判った。センサ接着材7が電極27a,27b面に付着すると接続ワイヤ21aが接続できないばかりではなく、仮に接続できても信頼性の面で問題がある。
【0050】
そこで積層基板8a,8b,8cの窪み部の積層構造を上層の積層基板8aで広く、且つ半導体センサ素子2接着面で狭くする構造とする。本構造によれば、センサ接着材7の塗布ばらつきが生じて塗布量が増加しても、接着時にそれが電極27a,27b面にまではみ出すことが無くなる。このようにして成形された積層基板8a,8b,8cを用いることで電極27a,27b面のセンサ接着材7付着による不良発生の防止を図ることが可能となる。
【0051】
また、本構造を採用することで半導体センサ素子2の接着面の窪み部を形成する中間層の積層基板8bの幅を狭くすることができるため、センサの取り付け位置精度を上げることも可能となる。よって出力特性のばらつきを改善できるため、精度向上が可能である。
【0052】
次にその他の実施例を図11,図12,図13,図14,図15に基づき以下に説明する。
【0053】
図11は図1に示した実施例のカバー13と副通路11aをはずした上面図であり、半導体センサ素子2を実装した積層基板8のハウジング15への取り付け状態を示すものである。なお積層基板上に実装されている配線パターンや電気部品23a,23b等は省略して示した。積層基板8に半導体センサ素子2が実装された本構造では位置精度を確保するために、3ヶ所に基板支持部材29a,29b,29cが形成されている。
【0054】
この場合構造的に図11の右側、すなわち半導体センサ素子2側に位置決め用の部材を形成することができない。仮に右側を位置決めするため副通路中へ基板支持部材29a,29b,29cを形成すると、それが空気の流れを乱してしまい出力特性のばらつきを増加させたり出力ノイズ増加の原因となる。そこで図12に示すように半導体センサ素子2を実装する積層基板8のセンサ実装部の幅を、制御回路16が実装される部分の幅より短くして切り欠きを形成し、位置決めを行う構造とする。
【0055】
本構造によれば積層基板8の位置決め精度が向上し、結果として半導体センサ素子2を副通路11a中の同じ位置に配置することができる。これにより出力特性ばらつきを低減でき、精度向上が可能である。また、制御回路16を実装した部分からセンサ実装部への熱的な絞りの効果もあるため、エンジンで発生した熱が制御回路16実装部を介して半導体センサ素子2実装部へ伝わることを防止でき、且つ回路自身で発生した熱も半導体センサ素子2に伝わることを防止できるため出力特性の誤差を軽減できる。
【0056】
上述した図12の実施例のように積層基板8の制御回路16実装部と半導体センサ素子2の間に2ヶ所の切り欠きを有した構造では切り欠き部に応力を集中しやすく、取扱いを慎重に行わないと切り欠き部からクラックを生じやすい。また、振動や熱サイクル等が熱式空気流量センサ1に加わると切り欠き部からクラックを生じやすい。この問題を軽減できる構造として図13に示す片側にのみ切り欠きを形成する実施例を示した。本構造であれば、図12で示した実施例に対し、切り欠きは1ヶ所だけであるためクラックを生じる危険性を軽減できる。その他の効果は図12で説明した内容と同じであるため省略する。
【0057】
図14、及び図15に示す実施例は図12,図13で指摘したクラック発生の問題を解決するための構造例である。すなわち積層基板8の積層構造を切り欠き部で階段状になるように積層させたものである。このように階段状に積層させると切り欠き部に生じる集中応力を緩和できるとともに、万一積層した基板の一つにクラックが生じてもそれが連続してその他の積層基板8に伝播しないのでクラック発生防止が可能である。
【0058】
次に図16,図17を用いてその他の実施例を説明する。
【0059】
図16は積層基板8をハウジング15へ取り付ける時の位置決めと、制御回路16部と半導体センサ素子2間の熱絶縁性向上を兼ねて、両者の中間に階段状の貫通穴10を形成した実施例である。また、図17は図16に示す貫通穴10部のB−B′面の拡大図である。本構造の貫通穴10は階段状でなくとも良いが、クラック発生の危険性を回避できるように図16,図17に示すような階段状の穴を設けることが望ましい。本構造による効果は前記図11,図12,図13,図14,図15を用いて説明したものとほぼ同じであるため省略する。
【0060】
半導体センサ素子2を用いた熱式空気流量センサ1では、流量を検出する発熱抵抗体3を実装するダイヤフラム6を極めて小さく、且つ薄くできるため、低消費電力化や応答速度を早くできることが特徴であるが、一方センサが小さいためわずかでも汚損物質がセンサ表面に付着すると、その影響で半導体センサ素子2表面に流れる空気の流れを乱したり、センサ自身の熱伝達量が変化して出力特性を変化させてしまう欠点がある。また、直接半導体センサ素子2自身が汚損しなくても、それを実装する基板が汚損すると空気の流れが乱れるため出力特性が変化してしまうことが判った。
【0061】
そこで耐汚損性を改善できる手段として図18,図19に示す構造を考案した。図18は窪みを形成した積層基板8a,8b,8cの正面図であり、その表面をガラス被覆30aしたものである。なお積層基板8a,8b,8cに実装される半導体センサ素子2や電気部品23a等は省略してある。図19は図18のC−C′面の部分拡大図である。以下にその発明の内容を説明する。
【0062】
まず、積層基板8a,8b,8cの材料としてアルミナやアルミナ−ガラス複合材等のセラミックを用いる。それによって積層基板自身の耐熱性を上げるとともに、熱膨張係数をガラスに近づける。そして半導体センサ素子2を実装する近傍を含めて全体をガラス被覆30a,30bする。このようにして副通路中に配置される積層基板8a,8cの表面にガラス被覆30a,30bを形成してやることで基板の表面を平滑化し、それによって汚損物質が基板上に付着することを軽減することができ、耐汚損性を改善することができる。
【0063】
また、ガラス被覆30a,30bをすると積層基板30a,30c表面の凹凸が減少することにより、基板自身の強度も向上するためクラック発生防止も可能である。さらに平滑化によって空気の流れに乱れも少なくなるため出力ノイズの低減もできる。なお図19では積層基板8a,8cの両面にガラス被覆30a,30bを形成しているが、半導体センサ素子2が実装される面だけでも良い。この場合裏面には汚損物質が付着しやすくなるが、影響度は表面に比べて小さいので問題はない。
【0064】
また、ガラス被覆30a,30bは制御回路16の配線パターンを保護し、外部と電気的に絶縁するためのガラス被覆工程で同時に作業を行えば良いため作業コストは同じである。従って本発明の構造を採用すれば、低価格で耐汚損性を改善できるとともに出力ノイズの低減もでき、積層基板の強度も向上できるため信頼性の向上も可能である。
【0065】
なお、図18,図19の実施例では制御回路16と半導体センサ素子2を一体化した場合を例にして説明したが、半導体センサ素子2が実装される部分にだけガラス被覆30a,30bしても効果は同じである。
【0066】
次に、本発明を用いた板型の発熱抵抗体3素子を有する熱式空気流量センサ1への応用例を図20,図21に基づき以下に説明する。板型の発熱抵抗体3を用いた熱式空気流量センサ1では応答性を速くするためにセンサ部の熱容量を極力減らす必要があることは周知である。そこで一般には、強度的に実用化できる限界まで板厚を薄くする,板幅を狭くする等がなされている。しかし強度上の制約から薄くするには限界がある。また、板幅を狭くすると、実装する時に作業上の問題から板の取り付け角度がばらつきやすくなるため、板幅にも限界がある。これらの制約条件から、応答性も半導体センサ素子を用いたものに比べて非常に遅いのが実状である。
【0067】
そこで本発明ではこれらの設計限界を上げて、高速応答化が図れる熱式空気流量センサ1を提供するための構造を考案した。
【0068】
まず図20であるが、これは板型の熱式空気流量センサ1の正面図を示したものであり、積層基板8a,8b,8c上に制御回路16と発熱抵抗体3素子を一体化すると共に積層基板8a,8b,8cの積層数を発熱抵抗体3素子部と制御回路16部で変えて、センサ部が薄くなるようにしたものである。なお、図20では説明に不要な通路や電気部品,配線パターン等は省略してある。また図21は図20のD−D′断面拡大図であり、副通路等を省略して示したものである。
積層基板8a,8b,8cはアルミナ、またはアルミナ−ガラス複合材等のセラミック製を用いる。発熱抵抗体3は白金薄膜、あるいはニッケル薄膜等の高い抵抗温度係数を持つ金属材料を用いてヒーターパターンを形成する。そして、発熱抵抗体3部、すなわち空気の流れ31に曝されるセンサ部では積層枚数が薄く、制御回路16を実装する部分で積層枚数を厚くすることにより、発熱抵抗体3を含むセンサ部の熱容量を小さくできる。しかも制御回路16実装部に近づくに従い積層枚数が増加する本構造ではセンサ部を極限まで薄くしても、センサ部が外力によって破壊されにくい。また、板幅を狭くしても制御回路16を実装する部分が広いため取り付け時のセンサの取り付け角度がばらつきにくい。更に発熱抵抗体3と制御回路16の接続はパターン配線上で接続できるため接続ワイヤ21a等で結線する必要はない。従って本発明を適用することによって、高速応答性を有し、特性ばらつきの少ない、信頼性の高い板型の熱式空気流量センサ1を製造することが可能である。
【0069】
以上の説明では制御回路16と発熱抵抗体3素子が一体になったものを取り上げて述べたが、発熱抵抗体3だけに本構造を採用しても同様の効果が得られる。その場合は発熱抵抗体3素子と制御回路16を接続するための接続ワイヤ21aが新たに必要となるが、逆に発熱抵抗体3素子で発生した熱が制御回路16に伝わりにくいことや、制御回路16部で発生した熱が発熱抵抗体3素子に伝わらない等の利点もある。
【0070】
なお、以上の本発明の説明に用いた図1〜図21記載の積層基板8の積層数は2層,3層,4層等であるが、いずれの図面も積層数は任意に設定できることは言うまでもない。例えば図面に2層で記載された発明を5層で積層しても、得られる効果は同じである。
【0071】
本実施例によれば、冷熱サイクル等の熱ストレスに強く、エンジンルームのような過酷な環境下であっても特性変化の少ない信頼性の高い熱式空気流量計を提供できる。また、部品点数の削減と小型化、及び作業性の向上による低コスト化が可能である。さらに半導体センサ素子を副通路の壁面から離して配置できるため出力ノイズ,出力特性ばらつきを低減できるという効果もある。
【発明の効果】
信頼性の高い、特性誤差を生じにくい構造とし、さらにはコスト低減が図られる熱式空気流量センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による半導体センサ素子を積層基板に実装した熱式空気流量センサを示す断面図。
【図2】本発明による積層基板に制御回路を形成し窪みに半導体センサ素子を実装した熱式空気流量センサを示す部分断面図。
【図3】本発明による半導体センサ素子を実装する積層基板の内部に形成した金属膜の配線パターンを示す図。
【図4】本発明による半導体センサ素子を積層基板に実装した熱式空気流量センサの部分拡大図。
【図5】本発明による半導体センサ素子を有する熱式空気流量センサを示す断面図。
【図6】本発明による半導体センサ素子を積層基板に実装した熱式空気流量センサの部分断面図。
【図7】本発明による半導体センサ素子を積層基板に実装した熱式空気流量センサの部分断面図。
【図8】本発明による半導体センサ素子を積層基板に実装した熱式空気流量センサの部分断面図。
【図9】本発明による半導体センサ素子を積層基板に実装した熱式空気流量センサの部分断面図。
【図10】本発明による半導体センサ素子を積層基板に実装した熱式空気流量センサの部分断面図。
【図11】本発明による半導体センサ素子を積層基板に実装した熱式空気流量センサを示す部分断面図。
【図12】本発明による半導体センサ素子を積層基板に実装した熱式空気流量センサを示す部分断面図。
【図13】本発明による半導体センサ素子を積層基板に実装した熱式空気流量センサを示す部分断面図。
【図14】本発明による半導体センサ素子を積層基板に実装した熱式空気流量センサの積層基板の正面図。
【図15】本発明による半導体センサ素子を積層基板に実装した熱式空気流量センサの積層基板の正面図。
【図16】本発明による半導体センサ素子を積層基板に実装した熱式空気流量センサの積層基板の正面図。
【図17】本発明による半導体センサ素子を積層基板に実装した熱式空気流量センサの積層基板の断面図。
【図18】本発明による半導体センサ素子を積層基板に実装した熱式空気流量センサの積層基板の正面図。
【図19】本発明による半導体センサ素子を積層基板に実装した熱式空気流量センサの積層基板の断面図。
【図20】本発明による積層基板上に発熱抵抗体を形成した熱式空気流量センサの積層基板構造を示す正面図。
【図21】本発明による積層基板上に発熱抵抗体を形成した熱式空気流量センサの積層基板構造を示す断面図。
【符号の説明】
1…熱式空気流量センサ、2…半導体センサ素子、3…発熱抵抗体、4…測温抵抗体、5…空洞、6…ダイヤフラム、7…センサ接着材、8,8a,8b,8c,8d…積層基板、9…制御回路基板、10…貫通穴、11a…副通路、
12…通路、13…カバー、14…絶縁性樹脂、15…ハウジング、16…制御回路、21a,21b…接続ワイヤ、22…樹脂封止膜、23a,23b…電気部品、24…抵抗膜、25a,25b,25c…スルーホール、26…金属膜、
27a,27b,27c,27d,27e…電極、28…金属端子、29a,29b,29c…基板支持部材、30a,30b,30c…ガラス被覆、31…空気の流れ、40…窪み。
Claims (18)
- 半導体基板に形成した測温抵抗体と該半導体基板の薄肉部に形成した発熱抵抗体とを含む測定部位を有する半導体センサ素子を、積層基板の窪み部に前記半導体センサ素子の測定部位と該積層基板の表面がほぼ同一平面になるように実装すると共に、該積層基板にセンサを制御するための回路を実装し、前記半導体センサ素子と前記回路とを電気的に接続し、
前記積層基板が予め穴を設けたベリリアと炭化珪素を除くセラミック材の基板と穴を設けないベリリアと炭化珪素を除くセラミック材の基板とを積層し焼成し前記窪み部を構成した熱式空気流量センサ。 - 半導体基板に形成した測温抵抗体と該半導体基板の薄肉部に形成した発熱抵抗体とを含む測定部位を有する半導体センサ素子を、積層基板の窪み部に前記半導体センサ素子の測定部位と該積層基板の表面がほぼ同一平面になるように実装すると共に、該積層基板にセンサを制御するための回路を実装し、前記半導体センサ素子と前記回路とを電気的に接続し、
前記積層基板がポリイミド繊維にエポキシ樹脂を含浸させた樹脂材の基板を積層して構成された熱式空気流量センサ。 - 請求項1または2において、
前記積層基板の表面、または内面に金属膜を形成したことを特徴とする熱式空気流量センサ。 - 請求項1〜3いずれかにおいて、
前記積層基板に前記半導体センサ素子と電気的に接続する配線パターンを該積層基板の表面及び内面に実装したことを特徴とする熱式空気流量センサ。 - 請求項1〜4のいずれかにおいて、
前記半導体センサ素子と前記積層基板の電気的接続部を樹脂封止膜で保護するとともに該樹脂封止膜の一部、あるいは全体を通路中に露出させる構造を特徴とする熱式空気流量センサ。 - 請求項1〜5いずれかにおいて、
前記半導体センサ素子と前記積層基板の接着材による接着部と電気的接続部を樹脂封止膜で保護するとともに該樹脂封止膜の一部、あるいは全体が通路中に露出され流量を測定する流体に直接曝される構造を特徴とする熱式空気流量センサ。 - 請求項5、又は6において、
前記樹脂封止膜はエポキシ樹脂、あるいはフッ素樹脂であることを特徴とする熱式空気流量センサ。 - 請求項1において、
前記セラミック材が、アルミナまたはアルミナ−ガラス複合材であることを特徴とする熱式空気流量センサ。 - 請求項1〜8のいずれかにおいて、
前記積層基板の表面にガラス膜が形成されるとともに、該ガラス膜が通路中に露出され流量を測定する流体に直接曝される構造を特徴とする熱式空気流量センサ。 - 請求項1〜10のいずれかにおいて、
前記積層基板の上流面、あるいは上下流面の端面を、幅の異なる基板を積層することにより階段状に形成したことを特徴とする熱式空気流量センサ。 - 請求項1〜10のいずれかにおいて、
前記積層基板の窪み部の形状を、窪みの表面で窪み幅が狭くなるように構成したことを特徴とする熱式空気流量センサ。 - 請求項1〜11のいずれかにおいて、
前記積層基板に形成した電極側の窪み部の形状を窪みの表面で広くなるように構成し、前記窪み部で前記半導体センサ素子と前記積層基板とを接着剤により接着したことを特徴とする熱式空気流量センサ。 - 半導体基板に形成した測温抵抗体と該半導体基板の薄肉部に形成した発熱抵抗体とを含む測定部位を有する半導体センサ素子を、窪みを有する積層基板の窪み部に前記半導体センサ素子の測定部位と該積層基板の表面がほぼ同一平面になるように構成すると共に、該積層基板に前記測温抵抗体の温度に対して所定の温度だけ高くするよう前記発熱抵抗体に加熱電流を流す制御を実行し流量信号を得る制御回路を実装し、
前記積層基板の幅が前記半導体センサ素子が実装される部分で狭く、前記制御回路を実装する部分で広くした構造を特徴とする熱式空気流量センサ。 - 請求項13において、
前記積層基板は屈曲部を有するとともに屈曲部の端面構造が階段状になっていることを特徴とする熱式空気流量センサ。 - 半導体基板に形成した測温抵抗体と該半導体基板の薄肉部に形成した発熱抵抗体とを含む測定部位を有する半導体センサ素子を、窪みを有する積層基板の窪み部に前記半導体センサ素子の測定部位と該積層基板の表面がほぼ同一平面になるように構成すると共に、該積層基板の表面、または内面に金属膜を形成し、
前記積層基板は屈曲部を有するとともに屈曲部の端面構造が階段状になっていることを特徴とする熱式空気流量センサ。 - 半導体基板に形成した測温抵抗体と該半導体基板の薄肉部に形成した発熱抵抗体とを含む測定部位を有する半導体センサ素子を、窪みを有する積層基板の窪み部に前記半導体センサ素子の測定部位と該積層基板の表面がほぼ同一平面になるように構成すると共に、該積層基板に前記半導体センサ素子と電気的に接続する配線パターンを該積層基板の表面及び内面に実装し、
前記積層基板は屈曲部を有するとともに屈曲部の端面構造が階段状になっていることを特徴とする熱式空気流量センサ。 - 半導体基板に形成した測温抵抗体と該半導体基板の薄肉部に形成した発熱抵抗体とを含む測定部位を有する半導体センサ素子を、窪みを有する積層基板の窪み部に前記半導体センサ素子の測定部位と該積層基板の表面がほぼ同一平面になるように構成すると共に、該積層基板に前記測温抵抗体の温度に対して所定の温度だけ高くするよう前記発熱抵抗体に加熱電流を流す制御を実行し流量信号を得る制御回路を実装し、
前記半導体センサ素子が実装される部分と前記制御回路が実装される部分との間に貫通穴を有する構造を特徴とする熱式空気流量センサ。 - 薄膜抵抗体と該薄膜抵抗体に接続された配線パターンを有し、該薄膜抵抗体を加熱しその消費電流に基づき流量信号を得る熱式空気流量センサにおいて、前記薄膜抵抗体と前記配線パターンを積層基板に形成するとともに、該積層基板の積層数が配線パターンを実装する部分に対して薄膜抵抗体を実装する部分で少なくなるように構成し、且つ積層基板の幅が薄膜抵抗体実装部で狭くなるように構成したことを特徴とする熱式空気流量センサ。
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