JP3668921B2

JP3668921B2 - Flow detection element

Info

Publication number: JP3668921B2
Application number: JP15490298A
Authority: JP
Inventors: 正浩河合; 智也山川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1998-06-03
Filing date: 1998-06-03
Publication date: 2005-07-06
Anticipated expiration: 2018-06-03
Also published as: JPH11344369A; DE19856844A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば内燃機関の吸入空気量を計測する流量検出素子に関し、特に発熱体又はこの発熱体によって加熱された部分から流体への熱伝達現象に基づいて流体の流速又は流量を計測する流量検出素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１４は例えば特開平１−１８５４１６号公報に示された従来の感熱式流量検出素子を示す平面図である。図において、セラミックなどの電気絶縁材料で作られた平板状の基材２３の表面上には、感熱抵抗体である白金薄膜からなる第１及び第２の発熱抵抗２４ａ，２４ｂがスパッタリング及びフォトエッチングにより形成されている。第１の発熱抵抗２４ａは気流の上流側に、第２の発熱抵抗２４ｂは気流の下流側にそれぞれ形成されている。また、第１及び第２の発熱抵抗２４ａ，２４ｂの表面には、アルミナ又は酸化シリコンの薄膜がコーティングされている。
【０００３】
また、吸気温度検出用の第１及び第２の温度補償抵抗２５ａ，２５も、感熱抵抗体である白金薄膜からなり、発熱抵抗２４ａ，２４ｂと同様のプロセスで基材２３上に形成されているが、それらの抵抗値は発熱抵抗２４ａ，２４ｂの５０倍以上になるように設計されている。発熱抵抗２４ａ，２４ｂと温度補償抵抗２５ａ，２５ｂには、外部接続端子２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２７ｄが設けられている。また、基材２３の発熱抵抗２４ａ，２４ｂと温度補償抵抗２５ａ，２５ｂとの間には、孔２７が設けられている。
【０００４】
次に、動作について説明する。発熱抵抗２４ａ，２４ｂは、温度補償抵抗２５ａ，２５ｂで計測された吸気温度よりも１００℃高い温度となるように、制御回路（図示せず）によって制御されている。図の矢印方向への気流が生じている場合、上流側に位置する第１の発熱抵抗２４ａから気流に伝達する熱は、気流の流速が速いほど増加する。
【０００５】
一方、下流側に位置する発熱抵抗２４ｂ上を通過する吸気は、上流側の発熱抵抗２４ａによって昇温されているため、第２の発熱抵抗２４ｂから吸気への熱の伝達量は、第１の発熱抵抗２４ａから吸気への熱の伝達量よりも少ない。即ち、第１の発熱抵抗２４ａは、第２の発熱抵抗２４ｂよりも良く冷却され、冷却の度合の差は、気流の流速が増すほど大きくなる。従って、第１の温度補償抵抗２５ａとの温度差が一定（１００℃）となるように第１の発熱抵抗２４ａに与えられる電流は、第２の温度補償抵抗２５ｂとの温度差が一定（１００℃）となるように第２の発熱抵抗２４ｂに与えられる電流よりも大きく、その差は気流の流速が速いほど大きくなる。
【０００６】
このように、発熱抵抗２４ａ，２４ｂに与えられる電流の差は、計測される気流の流速の関数となるため、気流の流速、又は所定の通路内を通過する気流の流量を計測することができる。また、第１及び第２の発熱抵抗２４ａ，２４ｂの冷却の度合いの差を検出することにより、流速だけではなく、流れの方向も検出することができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように構成された従来の流量検出素子においては、発熱抵抗２４ａ，２４ｂの抵抗値を、気流の流速に拘わらず、気流の温度に対して所定値に保つ必要があるため、気流の温度を測定する温度補償抵抗２５ａ，２５ｂが設けられている。温度補償抵抗２５ａ，２５ｂは機能的には１つでもよいが、制御回路の構成を簡単にするため、２個の発熱抵抗２４ａ，２４ｂに対して２個の温度補償抵抗２５ａ，２５ｂが設けられている。
【０００８】
しかし、第１及び第２の温度補償抵抗２５ａ，２５ｂが異なる場所に配置されているため、気流に温度分布が生じた場合、温度補償抵抗２５ａ，２５ｂの計測温度にばらつきが生じ、これに伴って発熱抵抗２４ａ，２４ｂの温度にもばらつきが生じて、流量検出精度が低下してしまう。
【０００９】
また、発熱抵抗２４ａ，２４ｂと基材２３との間の熱絶縁が不十分であると、熱伝導により基材２３が昇温され、基材２３上に温度分布が生じる。このため、温度補償抵抗２５ａ，２５ｂの位置により計測温度にばらつきが生じ、流量検出精度が低下してしまう。さらに、基材２３が昇温されていると、基材２３上の温度補償抵抗２５ａ，２５ｂの温度が計測流体温度よりも高くなり、計測流体温度を正しく計測することができず、流量検出精度が低下してしまう。
【００１０】
この発明は、上記のような問題点を解決することを課題としてなされたものであり、流量検出精度を向上させることができる流量検出素子を得ることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る流量検出素子は、基材、この基材上に設けられているパターンにより構成され、計測流体の温度を検出する第１及び第２の温度補償抵抗、基材上に設けられ、第１の温度補償抵抗により検出された計測流体の温度に応じて発熱するように通電される第１の発熱抵抗、及び基材上に設けられ、第２の温度補償抵抗により検出された計測流体の温度に応じて発熱するように通電される第２の発熱抵抗を備え、基材上には、基材の一部を除去することによりダイヤフラム部が形成されており、第１及び第２の発熱抵抗は、ダイヤフラム部に配置されており、第１及び第２の温度補償抵抗は、計測流体の流れの方向の上流側で第１及び第２の発熱抵抗に並べて配置されており、第１及び第２の温度補償抵抗のパターンは、基材上の同じ位置に互いにオーバーラップするように形成されており、第１及び第２の温度補償抵抗は、絶縁性の中間膜を介して互いに積層されているものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図について説明する。
参考例１．
図１は参考例１による流量検出素子を示す平面図、図２は図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。図において、例えば厚さ０．４ｍｍのシリコンからなる平板状の基材１の第１面１ａ上には、例えば厚さ１μｍの窒化シリコン等からなる絶縁性の支持膜２が、スパッタ、蒸着又はＣＶＤ等の方法で形成されている。
【００１３】
支持膜２上には、第１及び第２の発熱抵抗４，５がスパッタ又は蒸着等の方法で着膜されている。第１及び第２の発熱抵抗４，５は、例えば厚さ０．２μｍの白金等の感熱抵抗膜からなるパターンにより構成されている。また、発熱抵抗４，５のパターンは、写真製版、ウェットエッチング又はドライエッチング等の方法によりパターニングされて形成されている。さらに、発熱抵抗４，５の発熱部の大きさは、例えば１ｍｍ×０．０５ｍｍである。
【００１４】
また、支持膜２上には、第１及び第２の温度補償抵抗６ａ，６ｂが蒸着又はスパッタ等の方法で着膜されている。第１及び第２の温度補償抵抗６ａ，６ｂは、例えば厚さ０．２μｍの白金等の感熱抵抗膜からなるパターンにより構成されている。また、温度補償抵抗６ａ，６ｂのパターンは、写真製版、ウェットエッチング又はドライエッチング等の方法によりパターニングされて形成されており、それらの抵抗値は発熱抵抗４，５の５０倍以上になるように設計されている。
【００１５】
さらに、温度補償抵抗６ａ，６ｂのパターンは、同一面上で互いにオーバーラップするようにパターニングされている。即ち、第１の温度補償抵抗６ａのパターンの間に第２の温度補償抵抗６ｂのパターンが形成され、第２の温度補償抵抗６ｂのパターンの間にも第１の温度補償抵抗６ａのパターンが形成されている。そして、温度補償抵抗６ａ，６ｂを合わせた大きさが、例えば１ｍｍ×０．５ｍｍになっている。
【００１６】
発熱抵抗４，５及び温度補償抵抗６ａ，６ｂの上には、例えば厚さ１μｍの窒化シリコン等からなる絶縁性の保護膜３が、スパッタ、蒸着又はＣＶＤ等の方法で形成されている。発熱抵抗４，５及び温度補償抵抗６ａ，６ｂは、リードパターン８ａ〜８ｈを介して、流量検出素子の外部との電気的接続を行うための電極９ａ〜９ｈに接続されている。電極９ａ〜９ｈ上の保護膜３は、電極９ａ〜９ｈにボンディングワイヤ等を接続するために除去されている。但し、図１（図６、図８、図１０、図１２も同様）では、支持膜２上のパターンを明確にするため、保護膜３全体を取り除いて示している。
【００１７】
基材１の第１面１ａの裏側に位置する第２面１ｂ上には、裏面保護膜１０が形成されている。また、流量検出素子にはダイヤフラム部１２が形成されており、このダイヤフラム部１２に発熱抵抗４，５が配置されている。ダイヤフラム部１２は、例えば写真製版等の方法で裏面保護膜１０にエッチングホール１１を形成した後、例えばアルカリエッチング等を施して基材１の一部を除去することにより形成されている。
【００１８】
図３は図１の流量検出素子の制御回路を示す回路図である。発熱抵抗４，５は、図３に示すような制御回路によってそれぞれ所定の平均温度に制御される。制御回路は、温度補償抵抗６ａ及び発熱抵抗４を含む第１ブリッジ回路２２ａと、温度補償抵抗６ｂ及び発熱抵抗５を含む第２ブリッジ回路２２ｂと、発熱抵抗４，５を流れる加熱電流に相当する電圧ＶＭ１，ＶＭ２の差を求める回路２２ｃを有している。発熱抵抗４，５の発熱温度をそれぞれ温度補償抵抗６ａ，６ｂで検出された計測流体温度に基づいて適切に変えていくことにより、計測流体の流速と密度との積に相当する量が、加熱電流から求められる。
【００１９】
次に、動作について説明する。発熱抵抗４，５は、温度補償抵抗６ａ，６ｂで計測された計測流体温度よりも一定の温度、例えば１００℃高い温度となるように、制御回路によって制御されている。計測流体が図１の右方向へ流れている場合、上流側に位置する第１の発熱抵抗４から計測流体に伝達する熱は、計測流体の流速が速いほど増加する。
【００２０】
一方、下流側に位置する第２の発熱抵抗５上を通過する計測流体は、第１の発熱抵抗４によって昇温されているため、第２の発熱抵抗５から計測流体への熱の伝達量は、第１の発熱抵抗４から計測流体への熱の伝達量よりも少ない。従って、第１の温度補償抵抗６ａとの温度差が一定となるように第１の発熱抵抗４に与えられる加熱電流は、第２の温度補償抵抗６ｂとの温度差が一定となるように第２の発熱抵抗５に与えられる電流よりも大きく、その差は計測流体の流速が速いほど大きくなる。
【００２１】
このように、発熱抵抗４，５に与えられる電流の差は、計測流体の流速の関数となるため、計測流体の流速、又は所定の通路内を通過する計測流体の流量を計測することができる。また、第１及び第２の発熱抵抗４，５の冷却の度合いの差を検出することにより、流れの方向も検出することができる。
【００２２】
このような流量検出素子では、温度補償抵抗６ａ，６ｂがパターニングによって同一平面上で互いにオーバーラップするように構成され、同じ場所に配置されているため、計測流体に温度分布が生じた場合でも、温度補償抵抗６ａ，６ｂが検出する計測流体の温度は同じである。従って、発熱抵抗４，５の発熱温度も同じで、ばらつきが生じなくなり、検出精度を向上させることができる。
【００２３】
また、発熱抵抗４，５が基材１上に配置されているため、発熱抵抗４，５により基材１が昇温され、基材１上に温度分布が生じるが、温度補償抵抗６ａ，６ｂが基材１上の同じ場所に配置されているため、温度補償抵抗６ａ，６ｂに影響する基材１の温度は同じであり、発熱抵抗４，５の発熱温度にばらつきが生じなくなり、検出精度を向上させることができる。
【００２４】
ここで、図４は図１の流量検出素子を用いた流量センサの一例を示す正面図、図５は図４の流量センサの断面図である。図において、計測流体の通路を構成する円筒状の主通路管１８内には、主通路管１８と同軸の円筒状の検出管１７が配置されている。この検出管１７内には、図１と同様の流量検出素子１３が固定されている。
【００２５】
主通路管１８の外周部には、ケース１９が設けられている。ケース１９内には、流量検出素子１３を制御するための制御回路を含む回路基板２０が収容されている。ケース１９の外部には、制御回路を電源に接続したり、出力信号を外部に取り出したりするためのコネクタ２１が設けられている。
【００２６】
このような流量センサに流量検出素子１３を組み込むことにより、計測流体の流量を安定して検出することができる。
【００２７】
実施の形態１．
次に、図６はこの発明の実施の形態１による流量検出素子を示す平面図、図７は図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う断面図である。図において、例えば厚さ１μｍの支持膜２上には、例えば厚さ０．２μｍの白金等の感熱抵抗膜からなる第２の温度補償抵抗６ｂがスパッタや蒸着等の方法で着膜されている。支持膜２及び第２の温度補償抵抗６ｂ上には、例えば厚さ０．５μｍの窒化シリコン等からなる絶縁性の中間膜１４が、スパッタ、蒸着又はＣＶＤ等の方法で形成されている。
【００２８】
中間膜１４上には、例えば厚さ０．２μｍの白金等の感熱抵抗膜からなる発熱抵抗４，５及び第１の温度補償抵抗６ａが、スパッタ又は蒸着等の方法で着膜されている。第１の温度補償抵抗６ａは、中間膜１４を挟んで第２の温度補償抵抗６ｂ上に同じ大きさでパターニングされている。即ち、第１及び第２の温度補償抵抗６ａ，６ｂは、立体的に互いにオーバーラップされている。また、発熱抵抗４，５、温度補償抵抗６ａ及び中間膜１４上には、例えば０．５μｍの保護膜３が着膜されている。第２の温度補償抵抗６ｂに接続されているリードパターン９ａ，９ｇは、支持膜２上に形成され、他のリードパターン９ｂ〜９ｆ，９ｈは、中間膜１４上に形成されている。他の構成は、参考例１と同様である。
【００２９】
このような流量検出素子では、温度補償抵抗６ａ，６ｂが立体的に互いにオーバーラップされているため、計測流体に温度分布が生じた場合でも、温度補償抵抗６ａ，６ｂが検出する計測流体の温度は同じであり、発熱抵抗４，５の発熱温度にばらつきが生じなくなり、検出精度を向上させることができる。なお、基材1の厚さ方向（図７の上下方向）の温度分布は、中間膜１４が十分に薄いため、平面的な温度分布に比べて無視できる程度である。
【００３０】
また、発熱抵抗４，５が基材１上に配置されているため、発熱抵抗４，５により基材１が昇温され、基材１上に温度分布が生じるが、温度補償抵抗６ａ，６ｂが基材１上の同じ場所に配置されているため、温度補償抵抗６ａ，６ｂに影響する基材１の温度は同じであり、発熱抵抗４，５の発熱温度にばらつきが生じなくなり、検出精度を向上させることができる。
【００３１】
さらに、温度補償抵抗６ａ，６ｂは立体的にオーバーラップされているため、基材１の面積を小さくしたり、熱の影響を小さくするために温度補償抵抗６ａ，６ｂを発熱抵抗４，５から離したりすることができる。
【００３２】
参考例２．
次に、図８は参考例２による流量検出素子を示す平面図、図９は図８のＩＸ−ＩＸ線に沿う断面図である。この参考例２では、第１の発熱抵抗４及び第１の温度補償抵抗６ａと、第２の発熱抵抗５及び第２の温度補償抵抗６ｂとが、基材１の短辺方向（図８の左右方向）の中心線を中心として互いに対称に配置されている。また、温度補償抵抗６ａ，６ｂは、発熱抵抗４，５で昇温された気流によって検出誤差が生じないように、流れの方向について発熱抵抗４，５から十分に離して配置されることが望ましい。他の構成は、参考例１と同様である。
【００３３】
このような流量検出素子では、発熱抵抗４，５と基材１との間の熱絶縁が不十分で、熱伝導により基材１が昇温し、基材１上に温度分布が生じた場合でも、温度補償抵抗６ａ，６ｂが発熱抵抗４，５から熱伝導的に対称な位置に配置されているため、温度補償抵抗６ａ，６ｂに影響する基材１の温度はほぼ同じであり、発熱抵抗４，５の発熱温度にばらつきが生じなくなり、検出精度を向上させることができる。
【００３４】
参考例３．
次に、図１０は参考例３による流量検出素子を示す平面図、図１１は図１０のＸＩ−ＸＩ線に沿う断面図である。この参考例３では、第１の発熱抵抗４及び第１の温度補償抵抗６ａと、第２の発熱抵抗５及び第２の温度補償抵抗６ｂとが、基材１の短辺方向の中心線を中心として互いに対称に配置されている。また、基材１の長辺方向（図１０の上下方向）について、温度補償抵抗６ａ，６ｂは、発熱抵抗４，５よりも電極９ａ〜９ｈに近い位置に配置されている。さらに、温度補償抵抗６ａ，６ｂは、計測流体の流れの方向及び流れに直角な方向に発熱抵抗４，５を投影した領域の外に配置されている。他の構成は、参考例１と同様である。
【００３５】
このような流量検出素子では、計測流体の流れの方向及び流れに直角な方向について、温度補償抵抗６ａ，６ｂが発熱抵抗４，５からずらして配置されているため、発熱抵抗４，５により昇温されている計測流体の熱伝達による影響を受けず、計測流体温度の計測精度を高めることができる。
【００３６】
また、温度補償抵抗６ａ，６ｂが発熱抵抗から離れた位置に配置されているため、基材１の昇温の影響を低減することができる。さらに、温度補償抵抗６ａ，６ｂが互いに対称に配置されているため、発熱抵抗４，５からの熱伝導により基材１上に温度分布が生じた場合でも、温度補償抵抗６ａ，６ｂに影響する基材１の温度はほぼ同じであり、発熱抵抗４，５の発熱温度にばらつきが生じなくなり、検出精度を向上させることができる。
【００３７】
参考例４．
次に、図１２は参考例４による流量検出素子を示す平面図、図１３は図１２のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線に沿う断面図である。この参考例４では、温度補償抵抗６ａ，６ｂが基材１の短辺方向の中心に配置されている。また、温度補償抵抗６ａ，６ｂは、電極９ａ〜９ｈとは反対側の基材１の端部に設けられている。他の構成は、参考例１と同様である。
【００３８】
このような流量検出素子では、参考例１と同様に、温度補償抵抗６ａ，６ｂが平面的に互いにオーバーラップされているため、計測流体に温度分布が生じた場合でも、温度補償抵抗６ａ，６ｂが検出する計測流体の温度は同じであり、発熱抵抗４，５の発熱温度にばらつきが生じなくなり、検出精度を向上させることができる。
【００３９】
また、基材１上に温度分布が生じても、温度補償抵抗６ａ，６ｂに影響する基材１の温度は同じであり、発熱抵抗４，５の発熱温度にばらつきが生じなくなり、検出精度を向上させることができる。
【００４０】
さらに、電極９ａ〜９ｈを上、温度補償抵抗６ａ，６ｂを下として、図１２に示す流量検出素子を図４及び図５に示すような流量センサに組み込むことにより、温度補償抵抗６ａ，６ｂが発熱抵抗４，５よりも下方に配置されるため、発熱抵抗４，５から計測流体を介しての自然対流熱伝達の影響を温度補償抵抗６ａ，６ｂが受けにくくなり、計測流体温度の計測精度を向上させることができる。
【００４１】
なお、流れの方向を検出する必要がない場合には、発熱抵抗及び温度補償抵抗はそれぞれ１つずつ設ければよい。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明の流量検出素子は、第１及び第２の温度補償抵抗のパターンを、基材上の同じ位置に互いにオーバーラップするように形成したので、計測流体に温度分布が生じた場合でも、温度補償抵抗が検出する計測流体の温度を同じにすることができ、発熱抵抗の発熱温度にばらつきが生じるのを防止して、検出精度を向上させることができる。また、基材の温度のばらつきによる影響も防止することができ、検出精度を向上させることができる。さらに、第１及び第２の温度補償抵抗を、計測流体の流れの方向の上流側で第１及び第２の発熱抵抗に並べて配置したので、計測流体の流れの方向に直角な方向への温度分布の影響を低減して、検出精度を向上させることができる。また、第１及び第２の温度補償抵抗を、絶縁性の中間膜を介して互いに積層したので、基材の面積を小さくしたり、熱の影響を小さくするために温度補償抵抗を発熱抵抗から離したりすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】参考例１による流量検出素子を示す平面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。
【図３】図１の流量検出素子の制御回路を示す回路図である。
【図４】図１の流量検出素子を用いた流量センサの一例を示す正面図である。
【図５】図４の流量センサの断面図である。
【図６】この発明の実施の形態１による流量検出素子を示す平面図である。
【図７】図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う断面図である。
【図８】参考例２による流量検出素子を示す平面図である。
【図９】図８のＩＸ−ＩＸ線に沿う断面図である。
【図１０】参考例３による流量検出素子を示す平面図である。
【図１１】図１０のＸＩ−ＸＩ線に沿う断面図である。
【図１２】参考例４による流量検出素子を示す平面図である。
【図１３】図１２のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線に沿う断面図である。
【図１４】従来の感熱式流量センサの一例を示す平面図である。
【符号の説明】
１基材、４第１の発熱抵抗、５第２の発熱抵抗、６ａ第１の温度補償抵抗、６ｂ第２の温度補償抵抗、１３流量検出素子、１４中間膜、１５ダイヤフラム部、１６スリット、１７検出管。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a flow rate detecting element that measures, for example, an intake air amount of an internal combustion engine, and more particularly, a flow rate that measures a flow rate or a flow rate of a fluid based on a heat transfer phenomenon from a heating element or a portion heated by the heating element to a fluid. The present invention relates to a detection element.
[0002]
[Prior art]
FIG. 14 is a plan view showing a conventional thermal type flow rate detecting element disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 1-185416. In the figure, first and second heating resistors 24a and 24b made of a platinum thin film, which is a thermal resistor, are sputtered and photoetched on the surface of a flat substrate 23 made of an electrically insulating material such as ceramic. It is formed by. The first heat generating resistor 24a is formed on the upstream side of the airflow, and the second heat generating resistor 24b is formed on the downstream side of the airflow. The surfaces of the first and second heating resistors 24a and 24b are coated with a thin film of alumina or silicon oxide.
[0003]
The first and second temperature compensation resistors 25a and 25 for detecting the intake air temperature are also made of a platinum thin film that is a thermal resistor, and are formed on the substrate 23 by the same process as the heating resistors 24a and 24b. However, these resistance values are designed to be 50 times or more that of the heating resistors 24a and 24b. External connection terminals 26a, 26b, 26c, and 27d are provided in the heating resistors 24a and 24b and the temperature compensation resistors 25a and 25b. Further, a hole 27 is provided between the heat generating resistors 24a and 24b of the base member 23 and the temperature compensating resistors 25a and 25b.
[0004]
Next, the operation will be described. The heating resistors 24a and 24b are controlled by a control circuit (not shown) so as to be 100 ° C. higher than the intake air temperature measured by the temperature compensation resistors 25a and 25b. When an air flow in the direction of the arrow in the figure is generated, the heat transferred from the first heating resistor 24a located on the upstream side to the air flow increases as the flow velocity of the air flow increases.
[0005]
On the other hand, since the intake air passing over the heat generating resistor 24b located on the downstream side is heated by the upstream heat generating resistor 24a, the amount of heat transferred from the second heat generating resistor 24b to the intake air is Less than the amount of heat transferred from the heating resistor 24a to the intake air. That is, the first heat generating resistor 24a is cooled better than the second heat generating resistor 24b, and the difference in the degree of cooling increases as the flow velocity of the airflow increases. Therefore, the current applied to the first heating resistor 24a so that the temperature difference with the first temperature compensation resistor 25a is constant (100 ° C.), the temperature difference with the second temperature compensation resistor 25b is constant (100 The current is given to the second heating resistor 24b so that the difference is larger as the flow velocity of the airflow is higher.
[0006]
As described above, the difference between the currents applied to the heating resistors 24a and 24b is a function of the flow velocity of the measured airflow, and therefore the flow velocity of the airflow or the flow rate of the airflow passing through the predetermined passage can be measured. . Further, by detecting the difference in the degree of cooling of the first and second heat generating resistors 24a and 24b, not only the flow velocity but also the flow direction can be detected.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional flow rate detection element configured as described above, the resistance values of the heating resistors 24a and 24b need to be kept at a predetermined value with respect to the temperature of the airflow regardless of the flow velocity of the airflow. Are provided with temperature compensation resistors 25a and 25b. Although the temperature compensation resistors 25a and 25b may be functionally one, in order to simplify the configuration of the control circuit, two temperature compensation resistors 25a and 25b are provided for the two heating resistors 24a and 24b. ing.
[0008]
However, since the first and second temperature compensation resistors 25a and 25b are arranged at different locations, when temperature distribution occurs in the airflow, the measured temperatures of the temperature compensation resistors 25a and 25b vary, and accordingly As a result, the temperatures of the heat generating resistors 24a and 24b also vary, and the flow rate detection accuracy decreases.
[0009]
If the heat insulation between the heating resistors 24 a and 24 b and the base material 23 is insufficient, the base material 23 is heated by heat conduction, and a temperature distribution is generated on the base material 23. For this reason, the measurement temperature varies depending on the positions of the temperature compensation resistors 25a and 25b, and the flow rate detection accuracy is lowered. Furthermore, when the temperature of the base material 23 is raised, the temperature of the temperature compensation resistors 25a and 25b on the base material 23 becomes higher than the measured fluid temperature, and the measured fluid temperature cannot be measured correctly, and the flow rate detection accuracy is increased. Will fall.
[0010]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to obtain a flow rate detection element capable of improving flow rate detection accuracy.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The flow rate detection element according to the present invention is constituted by a base material, a pattern provided on the base material, and is provided on the base material, first and second temperature compensation resistors for detecting the temperature of the measurement fluid, A first heating resistor that is energized to generate heat according to the temperature of the measurement fluid detected by the first temperature compensation resistor, and a measurement fluid that is provided on the substrate and detected by the second temperature compensation resistor A second heating resistor that is energized so as to generate heat according to the temperature of the substrate, and a diaphragm portion is formed on the base material by removing a part of the base material. The heat generating resistor is disposed in the diaphragm portion, and the first and second temperature compensating resistors are disposed in line with the first and second heat generating resistors on the upstream side in the flow direction of the measurement fluid. And the pattern of the second temperature compensation resistor is the same on the substrate Location is formed so as to overlap each other, the first and second temperature compensating resistors are those which are laminated to each other through an insulating interlayer.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
Reference Example 1
1 is a plan view showing a flow rate detecting element according to Reference Example 1 , and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line II-II in FIG. In the figure, an insulating support film 2 made of, for example, silicon nitride having a thickness of 1 μm is formed on the first surface 1a of a flat substrate 1 made of silicon having a thickness of 0.4 mm, for example, by sputtering, vapor deposition or It is formed by a method such as CVD.
[0013]
On the support film 2, the first and second heat generating resistors 4 and 5 are formed by a method such as sputtering or vapor deposition. The first and second heat generating resistors 4 and 5 are configured by a pattern made of a heat-sensitive resistive film such as platinum having a thickness of 0.2 μm, for example. The pattern of the heating resistors 4 and 5 is formed by patterning by a method such as photolithography, wet etching or dry etching. Furthermore, the size of the heat generating portions of the heat generating resistors 4 and 5 is, for example, 1 mm × 0.05 mm.
[0014]
On the support film 2, the first and second temperature compensation resistors 6a and 6b are deposited by a method such as vapor deposition or sputtering. The first and second temperature compensation resistors 6a and 6b are configured by a pattern made of a heat-sensitive resistance film such as platinum having a thickness of 0.2 μm, for example. The pattern of the temperature compensation resistors 6a and 6b is formed by patterning by a method such as photolithography, wet etching or dry etching, and the resistance value thereof is 50 times or more that of the heating resistors 4 and 5. Designed.
[0015]
Further, the temperature compensation resistors 6a and 6b are patterned so as to overlap each other on the same surface. That is, the pattern of the second temperature compensation resistor 6b is formed between the patterns of the first temperature compensation resistor 6a, and the pattern of the first temperature compensation resistor 6a is also formed between the patterns of the second temperature compensation resistor 6b. Is formed. The combined size of the temperature compensation resistors 6a and 6b is, for example, 1 mm × 0.5 mm.
[0016]
On the heating resistors 4 and 5 and the temperature compensation resistors 6a and 6b, an insulating protective film 3 made of, for example, silicon nitride having a thickness of 1 μm is formed by a method such as sputtering, vapor deposition, or CVD. The heating resistors 4 and 5 and the temperature compensation resistors 6a and 6b are connected to electrodes 9a to 9h for electrical connection with the outside of the flow rate detection element via lead patterns 8a to 8h. The protective film 3 on the electrodes 9a to 9h is removed in order to connect a bonding wire or the like to the electrodes 9a to 9h. However, in FIG. 1 (FIGS. 6, 8, 10, and 12 are also the same), the entire protective film 3 is removed in order to clarify the pattern on the support film 2.
[0017]
On the second surface 1b located on the back side of the first surface 1a of the substrate 1, a back surface protective film 10 is formed. In addition, a diaphragm portion 12 is formed in the flow rate detecting element, and heating resistors 4 and 5 are disposed on the diaphragm portion 12. The diaphragm portion 12 is formed, for example, by forming an etching hole 11 in the back surface protective film 10 by a method such as photolithography, and then removing a part of the substrate 1 by performing, for example, alkali etching.
[0018]
FIG. 3 is a circuit diagram showing a control circuit of the flow rate detecting element of FIG. The heating resistors 4 and 5 are each controlled to a predetermined average temperature by a control circuit as shown in FIG. The control circuit corresponds to a heating current flowing through the heating resistors 4 and 5 and the first bridge circuit 22a including the temperature compensation resistor 6a and the heating resistor 4, the second bridge circuit 22b including the temperature compensation resistor 6b and the heating resistor 5. A circuit 22c for obtaining a difference between the voltages VM1 and VM2 is provided. By appropriately changing the heating temperature of the heating resistors 4 and 5 based on the measured fluid temperatures detected by the temperature compensation resistors 6a and 6b, an amount corresponding to the product of the flow velocity and the density of the measured fluid is heated. It is obtained from the current.
[0019]
Next, the operation will be described. The heating resistors 4 and 5 are controlled by a control circuit so as to have a constant temperature, for example, 100 ° C. higher than the measured fluid temperature measured by the temperature compensating resistors 6a and 6b. When the measurement fluid flows in the right direction in FIG. 1, the heat transferred from the first heating resistor 4 located on the upstream side to the measurement fluid increases as the flow velocity of the measurement fluid increases.
[0020]
On the other hand, the measurement fluid passing over the second heating resistor 5 located on the downstream side is heated by the first heating resistor 4, and thus the amount of heat transferred from the second heating resistor 5 to the measuring fluid. Is less than the amount of heat transferred from the first heating resistor 4 to the measurement fluid. Accordingly, the heating current applied to the first heating resistor 4 so that the temperature difference with the first temperature compensation resistor 6a is constant is the first so that the temperature difference with the second temperature compensation resistor 6b is constant. 2 is larger than the current applied to the heating resistor 5, and the difference becomes larger as the flow velocity of the measurement fluid increases.
[0021]
Thus, since the difference in current applied to the heating resistors 4 and 5 is a function of the flow velocity of the measurement fluid, the flow velocity of the measurement fluid or the flow rate of the measurement fluid passing through the predetermined passage can be measured. . Further, the direction of flow can also be detected by detecting the difference in the degree of cooling of the first and second heat generating resistors 4 and 5.
[0022]
In such a flow rate detection element, the temperature compensation resistors 6a and 6b are configured to overlap each other on the same plane by patterning, and are arranged at the same place, so even when a temperature distribution occurs in the measurement fluid, The temperature of the measurement fluid detected by the temperature compensation resistors 6a and 6b is the same. Therefore, the heat generation temperatures of the heat generation resistors 4 and 5 are the same, and no variation occurs, so that the detection accuracy can be improved.
[0023]
Further, since the heating resistors 4 and 5 are disposed on the base material 1, the temperature of the base material 1 is increased by the heating resistors 4 and 5, and a temperature distribution is generated on the base material 1, but the temperature compensation resistors 6a and 6b are used. Are disposed at the same location on the base material 1, the temperature of the base material 1 affecting the temperature compensation resistors 6a and 6b is the same, and the heat generation temperature of the heat generation resistors 4 and 5 does not vary, and the detection accuracy Can be improved.
[0024]
4 is a front view showing an example of a flow sensor using the flow rate detecting element of FIG. 1, and FIG. 5 is a cross-sectional view of the flow sensor of FIG. In the figure, a cylindrical detection pipe 17 coaxial with the main passage pipe 18 is disposed in a cylindrical main passage pipe 18 constituting the passage of the measurement fluid. A flow rate detection element 13 similar to that in FIG. 1 is fixed in the detection tube 17.
[0025]
A case 19 is provided on the outer periphery of the main passage pipe 18. A circuit board 20 including a control circuit for controlling the flow rate detection element 13 is accommodated in the case 19. A connector 21 is provided outside the case 19 for connecting the control circuit to a power source and taking out an output signal to the outside.
[0026]
By incorporating the flow rate detection element 13 into such a flow rate sensor, the flow rate of the measurement fluid can be stably detected.
[0027]
Embodiment 1 FIG .
6 is a plan view showing the flow rate detecting element according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a cross-sectional view taken along the line VII-VII in FIG. In the figure, for example, a second temperature compensation resistor 6b made of a heat sensitive resistance film such as platinum having a thickness of 0.2 μm is deposited on a support film 2 having a thickness of 1 μm by a method such as sputtering or vapor deposition. . On the support film 2 and the second temperature compensation resistor 6b, an insulating intermediate film 14 made of, for example, silicon nitride having a thickness of 0.5 μm is formed by a method such as sputtering, vapor deposition, or CVD.
[0028]
On the intermediate film 14, for example, heating resistors 4 and 5 and a first temperature compensation resistor 6 a made of a heat-sensitive resistance film such as platinum having a thickness of 0.2 μm are deposited by a method such as sputtering or vapor deposition. The first temperature compensation resistor 6a is patterned with the same size on the second temperature compensation resistor 6b with the intermediate film 14 interposed therebetween. That is, the first and second temperature compensation resistors 6a and 6b are three-dimensionally overlapped with each other. Further, a protective film 3 of 0.5 μm, for example, is deposited on the heating resistors 4 and 5, the temperature compensation resistor 6 a and the intermediate film 14. Lead patterns 9 a and 9 g connected to the second temperature compensation resistor 6 b are formed on the support film 2, and the other lead patterns 9 b to 9 f and 9 h are formed on the intermediate film 14. Other configurations are the same as those in Reference Example 1 .
[0029]
In such a flow rate detection element, since the temperature compensation resistors 6a and 6b are three-dimensionally overlapped with each other, the temperature of the measurement fluid detected by the temperature compensation resistors 6a and 6b even when a temperature distribution occurs in the measurement fluid. Are the same, and the heating temperatures of the heating resistors 4 and 5 do not vary, and the detection accuracy can be improved. Note that the temperature distribution in the thickness direction of the substrate 1 (vertical direction in FIG. 7) is negligible compared to the planar temperature distribution because the intermediate film 14 is sufficiently thin.
[0030]
Further, since the heating resistors 4 and 5 are disposed on the base material 1, the temperature of the base material 1 is increased by the heating resistors 4 and 5, and a temperature distribution is generated on the base material 1, but the temperature compensation resistors 6a and 6b are used. Are disposed at the same location on the base material 1, the temperature of the base material 1 affecting the temperature compensation resistors 6a and 6b is the same, and the heat generation temperature of the heat generation resistors 4 and 5 does not vary, and the detection accuracy Can be improved.
[0031]
Furthermore, since the temperature compensation resistors 6a and 6b are three-dimensionally overlapped, the temperature compensation resistors 6a and 6b are connected to the heating resistors 4 and 5 in order to reduce the area of the base material 1 or to reduce the influence of heat. Can be separated.
[0032]
Reference Example 2
Next, FIG. 8 is a plan view showing a flow rate detection element according to Reference Example 2 , and FIG. 9 is a cross-sectional view taken along line IX-IX in FIG. In the reference example 2 , the first heating resistor 4 and the first temperature compensation resistor 6a, the second heating resistor 5 and the second temperature compensation resistor 6b are arranged in the short side direction of the substrate 1 (in FIG. 8). They are arranged symmetrically with respect to the center line in the left-right direction). Further, it is desirable that the temperature compensation resistors 6a and 6b be arranged sufficiently apart from the heating resistors 4 and 5 in the flow direction so that a detection error does not occur due to the air flow heated by the heating resistors 4 and 5. . Other configurations are the same as those in Reference Example 1 .
[0033]
In such a flow rate detection element, when the heat insulation between the heating resistors 4 and 5 and the base material 1 is insufficient, the base material 1 is heated by heat conduction, and a temperature distribution is generated on the base material 1 However, since the temperature compensation resistors 6a and 6b are arranged at positions that are symmetrical in terms of heat conduction from the heating resistors 4 and 5, the temperature of the substrate 1 that affects the temperature compensation resistors 6a and 6b is almost the same, and the heat generation Variations in the heat generation temperatures of the resistors 4 and 5 do not occur, and detection accuracy can be improved.
[0034]
Reference Example 3
Next, FIG. 10 is a plan view showing a flow rate detection element according to Reference Example 3 , and FIG. 11 is a cross-sectional view taken along the line XI-XI in FIG. In the reference example 3 , the first heat generating resistor 4 and the first temperature compensating resistor 6a, and the second heat generating resistor 5 and the second temperature compensating resistor 6b form the center line in the short side direction of the substrate 1. They are arranged symmetrically with respect to each other. Further, the temperature compensation resistors 6a and 6b are disposed closer to the electrodes 9a to 9h than the heating resistors 4 and 5 in the long side direction of the substrate 1 (vertical direction in FIG. 10). Furthermore, the temperature compensation resistors 6a and 6b are disposed outside the region where the heating resistors 4 and 5 are projected in the direction of the flow of the measurement fluid and the direction perpendicular to the flow. Other configurations are the same as those in Reference Example 1 .
[0035]
In such a flow rate detection element, the temperature compensation resistors 6a and 6b are arranged so as to be shifted from the heating resistors 4 and 5 in the direction of the flow of the measurement fluid and the direction perpendicular to the flow. The measurement accuracy of the measurement fluid temperature can be improved without being affected by the heat transfer of the measurement fluid being heated.
[0036]
Moreover, since the temperature compensation resistors 6a and 6b are arranged at positions away from the heat generating resistors, the influence of the temperature rise of the substrate 1 can be reduced. Further, since the temperature compensation resistors 6a and 6b are arranged symmetrically with each other, even when a temperature distribution is generated on the substrate 1 due to heat conduction from the heating resistors 4 and 5, the temperature compensation resistors 6a and 6b are affected. The temperature of the base material 1 is substantially the same, and the heat generation temperatures of the heat generating resistors 4 and 5 do not vary and the detection accuracy can be improved.
[0037]
Reference Example 4
Next, FIG. 12 is a plan view showing a flow rate detecting element according to Reference Example 4 , and FIG. 13 is a sectional view taken along line XIII-XIII in FIG. In the reference example 4 , the temperature compensation resistors 6 a and 6 b are arranged at the center of the base 1 in the short side direction. The temperature compensation resistors 6a and 6b are provided at the end of the base material 1 on the opposite side to the electrodes 9a to 9h. Other configurations are the same as those in Reference Example 1 .
[0038]
In such a flow rate detection element, the temperature compensation resistors 6a and 6b overlap each other in a planar manner as in Reference Example 1. Therefore, even when a temperature distribution occurs in the measurement fluid, the temperature compensation resistors 6a and 6b The temperature of the measurement fluid detected by the sensor is the same, and the heating temperature of the heating resistors 4 and 5 does not vary, so that the detection accuracy can be improved.
[0039]
Moreover, even if temperature distribution occurs on the base material 1, the temperature of the base material 1 that affects the temperature compensation resistors 6a and 6b is the same, and the heat generation temperature of the heat generation resistors 4 and 5 does not vary, and detection accuracy is improved. Can be improved.
[0040]
Furthermore, by incorporating the flow rate detection element shown in FIG. 12 into the flow rate sensor shown in FIGS. 4 and 5 with the electrodes 9a to 9h up and the temperature compensation resistors 6a and 6b down, the temperature compensation resistors 6a and 6b Since it is arranged below the heating resistors 4 and 5, the temperature compensation resistors 6a and 6b are not easily affected by the natural convection heat transfer from the heating resistors 4 and 5 via the measuring fluid, and the measurement accuracy of the measuring fluid temperature is reduced. Can be improved.
[0041]
If there is no need to detect the flow direction, one heating resistor and one temperature compensation resistor may be provided.
[0042]
【The invention's effect】
As described above, the flow rate detecting element of the present invention is formed so that the patterns of the first and second temperature compensation resistors overlap each other at the same position on the base material. Even if it occurs, the temperature of the measurement fluid detected by the temperature compensation resistor can be made the same, and variations in the heat generation temperature of the heat generation resistor can be prevented and detection accuracy can be improved. Moreover, the influence by the dispersion | variation in the temperature of a base material can also be prevented, and detection accuracy can be improved. Further, since the first and second temperature compensation resistors are arranged side by side with the first and second heat generating resistors on the upstream side in the flow direction of the measurement fluid, the temperature in the direction perpendicular to the flow direction of the measurement fluid The influence of distribution can be reduced and detection accuracy can be improved. In addition, since the first and second temperature compensation resistors are stacked on each other via an insulating intermediate film, the temperature compensation resistor is removed from the heating resistor in order to reduce the area of the base material or the influence of heat. Can be separated.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view showing a flow rate detection element according to Reference Example 1. FIG.
2 is a cross-sectional view taken along the line II-II in FIG.
FIG. 3 is a circuit diagram showing a control circuit of the flow rate detecting element of FIG. 1;
4 is a front view showing an example of a flow rate sensor using the flow rate detection element of FIG. 1. FIG.
FIG. 5 is a cross-sectional view of the flow sensor of FIG.
FIG. 6 is a plan view showing a flow rate detecting element according to Embodiment 1 of the present invention.
7 is a cross-sectional view taken along line VII-VII in FIG.
8 is a plan view showing a flow rate detection element according to Reference Example 2. FIG.
9 is a cross-sectional view taken along line IX-IX in FIG.
10 is a plan view showing a flow rate detection element according to Reference Example 3. FIG.
11 is a cross-sectional view taken along line XI-XI in FIG.
12 is a plan view showing a flow rate detection element according to Reference Example 4. FIG.
13 is a cross-sectional view taken along line XIII-XIII in FIG.
FIG. 14 is a plan view showing an example of a conventional thermal flow sensor.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Base material, 4 1st heat generation resistance, 5 2nd heat generation resistance, 6a 1st temperature compensation resistance, 6b 2nd temperature compensation resistance, 13 Flow volume detection element, 14 Intermediate film, 15 Diaphragm part, 16 Slit, 17 Detector tube.

Claims

Base material,
First and second temperature compensation resistors configured by a pattern provided on the substrate and detecting the temperature of the measurement fluid,
A first heating resistor provided on the substrate and energized to generate heat in accordance with a temperature of the measurement fluid detected by the first temperature compensation resistor; and provided on the substrate; A second heating resistor that is energized so as to generate heat in accordance with the temperature of the measurement fluid detected by the temperature compensation resistor of No. 2, and removing a part of the substrate on the substrate. A diaphragm part is formed,
The first and second heating resistors are disposed in the diaphragm part,
The first and second temperature compensation resistors are arranged side by side with the first and second heating resistors on the upstream side in the flow direction of the measurement fluid,
The first and second temperature compensation resistor patterns are formed so as to overlap each other at the same position on the substrate .
The flow rate detecting element, wherein the first and second temperature compensation resistors are stacked on each other via an insulating intermediate film .