JP4292026B2 - 熱式流量センサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱式流量センサに係り、特に内燃機関の吸入空気量を測定するのに好適な熱式流量センサに関する。
【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。
【０００３】
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流量センサが、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。このような従来の半導体基板を用いた熱式流量センサとしては、当該出願人により出願された特許文献１に開示されたものがある。
【０００４】
上記特許文献１に記載の技術では、空洞部を有する半導体基板の前記空洞部上に電気絶縁膜を介して発熱抵抗体と発熱抵抗体の上下流に離間して一対の測温抵抗体を配置して上下流の測温抵抗体の温度差から流量を計測するいわゆる温度差方式が開示されている。
【０００５】
このような温度差方式では、空気の流れ方向の前記空洞部上電気絶縁膜の温度分布変化（温度差）から流量を計測するが、前記空洞部上電気絶縁膜および発熱抵抗体と上下流に配置された測温抵抗体の夫々の形状と相対位置関係が温度分布（測定精度）に大きな影響を与える。
【０００６】
上記従来技術では、前記空洞部上電気絶縁膜の温度分布の対称性および計測流量範囲の拡大、高速応答性を実現する為に、前記空洞部上電気絶縁膜および発熱抵抗体と上下流に配置された測温抵抗体の夫々の形状と相対位置関係を規定している。
【０００７】
しかし、この構成では、自動車などの内燃機関に搭載して過酷な環境条件にて長期間使用した場合の信頼性が十分に考慮されておらず、長期間の使用により前記空洞部上電気絶縁膜にカーボン等の浮遊性微粒子が熱泳動効果により厚く付着する現象が出現して、計測精度が長期間十分に保てない問題がある。
【０００８】
また、上記のような汚損に対応した従来技術としては、同じく当該出願人により出願された特許文献２に記載されたものがある。
【０００９】
特許文献２に記載された従来技術は、発熱抵抗体上の保護膜の上に光触媒膜を形成し、更に発光手段を備えて光触媒膜に光を照射することにより、光触媒効果により汚損の影響を低減している。
【００１０】
しかしながら、このように構成された従来の熱式流量計においては、新たに光触媒膜を形成する必要があり、また光触媒膜に光を照射する発光手段が必要となり、流量計自体が大きくなるとともに部品点数が増大する為にコストが高くなるという問題点を有する。
【００１１】
【特許文献１】
特開２００１−４１７９０号公報
【特許文献２】
特開平１１−２３０８０２号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明では、自動車などの内燃機関に搭載し過酷な環境条件にて長期間使用した場合でも、前記空洞部上電気絶縁膜にカーボン等の浮遊性微粒子が熱泳動効果により付着することを防止して低コストで信頼性の高い熱式流量センサを提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記の目的は、空洞部を有する半導体基板の前記空洞部上に電気絶縁膜を介して前記空洞部の中央近傍に少なくとも発熱抵抗体を形成し、前記発熱抵抗体の温度を媒体温度より一定温度高く制御して流量を計測する熱式流量センサにおいて、
前記発熱抵抗体の温度（Ｔｈ）は媒体温度（Ｔａ）に対して一定温度（ΔＴｈ＝Ｔｈ−Ｔａ）高く制御されるとともに、前記発熱抵抗体の空気の流れ方向に対する上流側端部から前記空洞部上電気絶縁膜の上流側端部の最近接距離（Ｗｓ）と前記一定温度（ΔＴｈ）が、
ΔＴｈ／Ｗｓ≦８００（℃／mm）
の関係を満たすように構成することにより、新たな発光手段等の部品の追加することなく上記のカーボン等の浮遊性微粒子が熱泳動効果により付着することを防止することが出来る。
【００１４】
また、前記一定温度(ΔＴｈ)が１６０℃以下で、且つ、前記最近接距離(Ｗｓ)が０.２mm 以上とすることで、より上記のカーボン等の浮遊性微粒子が付着することを防止することが出来る。
【００１５】
また、前記発熱抵抗体の上下流方向に離間して、前記空洞部上電気絶縁膜上に少なくとも一対の測温抵抗体を形成し、前記一対の測温抵抗体の温度差から流量を計測する構成においても、上記のカーボン等の浮遊性微粒子が付着することを防止することが出来る。
【００１６】
更に、前記空洞部上電気絶縁膜は略矩形形状で、空気の流れ方向の幅（Ｗ）に対して空洞部の中央部の幅が一部広がった略十字型形状としたことにより、より効果的に上記のカーボン等の浮遊性微粒子が熱泳動効果により付着することを防止することが出来る。
【００１７】
また、前記空洞部上電気絶縁膜は略矩形形状で、前記電気絶縁膜の上流側端部および下流側端部に補助発熱抵抗体を形成し、前記補助発熱抵抗体により前記電気絶縁膜の上下流端部境界を加熱する構成とすることにより、上記のカーボン等の浮遊性微粒子が熱泳動効果により付着することを防止することが出来るとともに、前記補助発熱抵抗体の電気導通状態から前記電気絶縁膜の破断状況を自己診断することが出来る。
【００１８】
被計測媒体の流速が常用の最低流速で０.２５ｍ／sec 以上になるように設定された内燃機関の吸入空気量を計測において、前記熱式流量センサを用いることにより、燃料噴射量を制御する低コストで高信頼性の内燃機関制御装置が実現される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について、図面を参照して説明する。
【００２０】
図１は、本発明の実施例の熱式流量センサ素子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、図１の空洞部上の電気絶縁膜（ダイヤフラム部）３の拡大図である。
【００２１】
図１，図２，図３において、素子１は、基板表面にて略矩形形状（長さ（Ｌ），幅(Ｗ)）の空洞７を有する単結晶ケイ素（Ｓｉ）等の半導体基板２，空洞７上の電気絶縁膜８ａおよび各抵抗体を保護するための電気絶縁膜８ｂからなるダイヤフラム部３，幅（Ｗｈ）の発熱抵抗体４，上流側測温抵抗体５ａ，５ｂと下流側測温抵抗体５ｃ，５ｄ，基板２の上流部に形成され発熱抵抗体４とブリッジ回路（図示せず）を構成し媒体温度を計測する為の媒体温度測温抵抗体６，素子１の信号を駆動制御回路と接続するための端子１２（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆ，１２ｇ，１２ｈ），各抵抗体と端子１２を接続するための配線接続部１１（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ,１１ｆ,１１ｇ，１１ｈ，１１ｉ，１１ｊ，１１ｋ，１１ｌ）よりなる。
【００２２】
ここで、各抵抗体４，５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，６は不純物ドープ処理された多結晶または単結晶ケイ素（Ｓｉ）半導体薄膜層よりなり、発熱抵抗体４はダイヤフラム部３の中央部に媒体の流れに対して直交方向にほぼ一直線上に配置される。また、ダイヤフラム部３を形成する電気絶縁膜８ａ，８ｂは、二酸化ケイ素（ＳｉＯ2 ）や窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）により約２ミクロン厚に薄肉に形成されており、熱絶縁効果が十分得られる構造と成っている。
【００２３】
本発明の実施例である熱式流量センサは、以下の様な動作を行う。
【００２４】
空洞７および電気絶縁膜８ａ，８ｂにより熱絶縁され、電気絶縁膜８ａ上に形成された発熱抵抗体４には、発熱抵抗体４の温度（Ｔｈ）が媒体流１０の温度を示す媒体温度測温抵抗体６の温度（Ｔａ）より一定温度（ΔＴｈ＝Ｔｈ−Ｔａ）高くなるように、加熱電流が流されている。
【００２５】
媒体流１０の流量および流れ方向は、発熱抵抗体４の上下流に形成された上流側測温抵抗体５ａ，５ｂと下流側測温抵抗体５ｃ，５ｄの温度（抵抗値）を比較することにより検知される。つまり、上流側測温抵抗体５ａ，５ｂと下流側測温抵抗体５ｃ，５ｄは、媒体流がゼロのときはほぼ同じ温度を示し温度差が生じない。
【００２６】
一方、図１の媒体流１０の方向（順流）ではおもに上流側に配置された上流側測温抵抗体５ａ，５ｂの方が下流側に配置された下流側測温抵抗体５ｃ，５ｄより媒体流１０による冷却効果が大きいことから、上流側測温抵抗体５ａ，５ｂと下流側測温抵抗体５ｃ，５ｄの温度に差が生じ、この温度差から流量が計測される。
【００２７】
一方、媒体流１０が図１の方向と反対（逆流）のときには、今度は下流側測温抵抗体５ｃ，５ｄの温度の方が上流側測温抵抗体５ａ，５ｂの温度より低くなり、上流側測温抵抗体５ａ，５ｂと下流側測温抵抗体５ｃ，５ｄの温度差の符号が逆転する。温度差から流量が、また温度差の符号から媒体流１０の方向が検知できる。
【００２８】
図４は、図１の素子１を実装した熱式流量センサの実施例を示す断面図である。例えば、自動車等の内燃機関の吸気通路に実装した熱式流量センサの実施例を示す断面図である。熱式流量センサは、図のように、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９の内部にある副通路１３に素子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１２に電気的に接続されている。
【００２９】
次に、図５を参照し、本発明の実施例の回路動作について説明する。図５は、図１の素子１の抵抗体４，５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，６と駆動制御回路を示したものである。図中、１８は電源、１９は発熱抵抗体４に加熱電流を流すためのトランジスタ、２０ａ，２０ｂは抵抗、１６はＡ／Ｄ変換器等を含む入力回路とＤ／Ａ変換器等を含む出力回路と演算処理等を行うＣＰＵからなる制御回路、１７はメモリ回路である。
【００３０】
ここで、発熱抵抗体４，媒体温度測温抵抗体６，抵抗２０ａ，２０ｂよりなるブリッジ回路の端子１２ａ，１２ｃの電圧が制御回路１６に入力され、加熱抵抗体４の温度（Ｔｈ）が媒体温度に対応する媒体温度測温抵抗体６の温度（Ｔａ）よりある一定温度（ΔＴｈ＝Ｔｈ−Ｔａ）高くなるよう各抵抗値２０ａ，２０ｂが設定され制御回路１６により制御される。
【００３１】
上流側測温抵抗体５ａ，５ｂと下流側測温抵抗体５ｃ，５ｄの温度差は、上流側測温抵抗体５ａ，５ｂ，下流側測温抵抗体５ｃ，５ｄのブリッジ回路の端子１２ｇ，１２ｅの電位差より検出する。
【００３２】
流量の計測には、予め流量（Ｑ）とブリッジ回路の端子１２ｇ，１２ｅの電位差との関係をメモリ１７にマップとして記憶しておけば、端子１２ｇ，１２ｅの電位差および大小関係から流量および流れの方向を計測し出力することが出来る。
【００３３】
次に、上記の様に構成された熱式流量センサを自動車などの内燃機関に搭載して、過酷な環境条件にて長期間使用した場合におけるカーボン等の浮遊性微粒子の熱泳動効果により付着する現象に関して説明する。
【００３４】
図６は、長時間使用後においてカーボン等の浮遊性微粒子の付着が見られた、熱式流量センサのダイヤフラム部３の拡大平面図であり、図７は、その断面図である。
【００３５】
２１が、付着したカーボン等の浮遊性微粒子であり、長時間使用後において特にダイヤフラム３の上流側の基板２との境界で、且つ、中央部に集中して付着する。また、付着量は空気の流れが遅い場合に多く、下流側には殆ど付着していないのが特徴である。
【００３６】
図７に見るように、ダイヤフラム３の上流側に付着したカーボン等の浮遊性微粒子２１は、使用時間の経過とともに堆積して、付着高さ（Ｈ）は最悪の場合数十μｍの厚さに達する。このように大量に付着した場合、図７の２２に示す様に、空気の流れ１０が付着したカーボン等の浮遊性微粒子２１が障害となって乱れる。ダイヤフラム３に形成した発熱抵抗体４および測温抵抗体５ｂ，５ｄに対して、空気の流れ１０が適切に到達しなくなることにより、流量の検出精度が悪くなる。
【００３７】
このようにカーボン等の浮遊性微粒子２１がダイヤフラム部３に特徴的に付着する現象（熱泳動効果）に関して以下説明する。
【００３８】
カーボン等の浮遊性微粒子２１は、大きさが数μｍ程度であり、この程度の粒径になると、粒子の重力沈降による速度は極めて小さくなり、空気の流れに追随して浮遊する。
【００３９】
このような浮遊性微粒子が、温度勾配により壁面へ付着する性質が熱泳動効果である。熱泳動効果は、ブラウン運動が重要となるような小さな粒径の粒子状物質に対して特に影響が顕著な現象であり、気相媒体に温度勾配が存在する場合に粒子状物質が低温部へと拡散し壁面に付着する現象である。すなわち気相媒体の温度が高く、壁面の温度が低い場合には通常の拡散，付着よりも熱泳動による拡散，付着がはるかに支配的となる。
【００４０】
この現象は、気相媒体の分子運動が温度の高い方が活発であるため、粒子に衝突して与える運動量が温度の高い側の方が、低い側の方よりも大きく、結果として温度の違いによる分子運動の差から粒子状物資に熱泳動効果による作用力が生じる。この力により、粒子状物質に移動速度（ｖ）が発生する。この移動速度
（ｖ）は、次式で与えられる。
【００４１】
【数１】
ｖ＝−Ｃ×（νａ／Ｔａ）×ｇｒａｄ（Ｔａ）
ここでＴａは媒体の温度、νａは媒体の動粘性係数である。またＣは熱泳動の係数である。
【００４２】
上式から熱泳動効果は、媒体の温度（Ｔａ）が低温で、且つ、空間における媒体温度の勾配が大きい（温度分布が急峻）場合に効果が大きいことが分かる。
【００４３】
この熱泳動効果により、図６および図７に示したカーボン等の浮遊性微粒子の特徴的な付着現象が説明できる。以下、この現象の原因について説明する。
【００４４】
図８および図９は、熱式流量センサのダイヤフラム部３の温度分布を示したもので、図８は媒体流１０が無い場合、図９は媒体流１０がある場合である。
【００４５】
図８の媒体流１０が無い場合のダイヤフラム部３の温度分布は、発熱抵抗体４が配置されたダイヤフラム３の中央部分が最も温度が高く（Ｔｈ）の温度で示された長楕円形状の等温度分布を示す。ダイヤフラム部の周辺に近づくに従い、
Ｔ２，Ｔ３（Ｔｈ＞Ｔ２＞Ｔ３）と同じく長楕円形状の等温度分布を保ちながら温度が下がる。ダイヤフラム部３周辺の基板２の温度は、基板２が熱伝導率の良い単結晶Ｓｉ基板となっており、且つ、基板体積が十分に大きい（熱容量が大きい）ことからほぼ媒体温度（Ｔａ）となる。
【００４６】
図９の媒体流１０がある場合のダイヤフラム部３の温度分布は、発熱抵抗体４の上流側が媒体の冷却効果により下がり、下流側が発熱抵抗体４により暖められることから、下流側に長楕円形状の等温度分布がシフトする。但し、発熱抵抗体４が配置されたダイヤフラム３の中央部分は常時加熱されている為に、図８の無風状態とほぼ同じく（Ｔｈ）の温度で示された長楕円形状の等温度分布となる。
【００４７】
図８および図９から、ダイヤフラム部３において最も温度勾配の大きいのは、中央部のＢ−Ｂ′で示された領域である。この部分に注目してＢ−Ｂ′のダイヤフラム部３の断面および温度分布を示したのが図１０である。
【００４８】
図１０において、ダイヤフラム部３の幅がＷ、発熱抵抗体４の幅がＷｈ、発熱抵抗体４の上流側端部からダイヤフラム部３の上流側端部までの最近接距離がＷｓ、発熱抵抗体４の下流側端部からダイヤフラム部３の下流側端部までの距離がＷｄである。ここで、下流側距離Ｗｄとしては、逆流および温度分布の対称性から、上流側端部までの最近接距離がＷｓ寸法と同じように設計されていたほうが良い。図８に示した無風状態での温度分布に対応したダイヤフラム直上の媒体温度分布が実線２３であり、図９に示した媒体流１０がある場合の温度分布に対応したダイヤフラム直上の媒体温度分布が点線２４である。基板２は空気の温度（Ｔａ）に、発熱抵抗体４は温度（Ｔａ）よりある一定温度（ΔＴｈ＝Ｔｈ−Ｔａ）高いＴｈに加熱される。
【００４９】
ここで、発熱抵抗体４の加熱温度（Ｔｈ）としては、図８，図９に示した様にダイヤフラム部にて長楕円形状の等温度分布となることから、ダイヤフラム部３上の発熱抵抗体４の平均温度（発熱抵抗体４の抵抗値と抵抗温度係数から算出される平均温度）で定義している。
【００５０】
図１０において、無風での温度分布２３では、ダイヤフラム部３の上流側および下流側端部において温度分布が急峻に変化するが、媒体流１０がある場合の温度分布２４では、ダイヤフラム部３の上流側端部Ｃ部でのみ温度分布が急峻に変化する。発熱抵抗体４に加熱された空気が、下流に流れ下流側端部の媒体温度が上昇し緩やかな温度分布となるからである。
【００５１】
自動車などの内燃機関に搭載して使用する場合は、媒体流１０として吸入空気が常用の最低流速で０.２５ｍ／sec以上となっている。このような条件では、ダイヤフラム部３の上流側端部Ｃ部でのみ温度分布が急峻に変化することになることから、前記（数１）式に示したgrad（Ｔａ）項が大きくなり、熱泳動効果の作用力がＣ部に集中してカーボン等の浮遊性微粒子が付着することになる。このような理由により、上記の図６および図７に示した、長時間使用後におけるカーボン等の浮遊性微粒子の付着が、ダイヤフラム３の上流側の基板２との境界でのみ、且つ、中央部に集中して付着する現象が説明できる。
【００５２】
長時間使用後におけるカーボン等の浮遊性微粒子の付着状況を、種々の条件にて検討した。その結果、前記(数１)式に示した熱泳動効果における、grad(Ｔａ)の項、すなわち、空間における媒体（空気）温度の勾配（ダイヤフラム３の上流側温度分布）とカーボン等の浮遊性微粒子の付着量（高さＨ）との間に強い相関が見られた。
【００５３】
図１１の曲線２５は、発熱抵抗体４の加熱温度（ΔＴｈ＝Ｔｈ−Ｔａ）と発熱抵抗体４の上流側端部からダイヤフラム部３の上流側端部までの最近接距離（Ｗｓ）を、種々変えた場合におけるカーボン等の浮遊性微粒子の付着量（高さＨ）をまとめた結果である。ダイヤフラム部３の上流側温度勾配(ΔＴｈ／Ｗｓ)が大きくなるに従い、付着高さ（Ｈ）が序々に大きくなるが、特に、温度勾配（ΔＴｈ／Ｗｓ）が８００（℃／mm）を超えると急激に付着高さ（Ｈ）が増大する。
【００５４】
温度勾配（ΔＴｈ／Ｗｓ）が８００（℃／mm）の領域は、恐らく自動車などの内燃機関での吸入空気の常用の最低流速が０.２５ｍ／sec以上であること、また、内燃機関から発生するカーボン等の浮遊性微粒子の粒径および質量と、前記（数１）式に示した熱泳動効果による作用力が釣り合う領域（閾値）になっているものと想定される。
【００５５】
図１１の温度勾配（ΔＴｈ／Ｗｓ）が８００（℃／mm）以下の領域２６と成るように、発熱抵抗体４の加熱温度（ΔＴｈ＝Ｔｈ−Ｔａ）と発熱抵抗体４の上流側端部からダイヤフラム部３の上流側端部までの最近接距離（Ｗｓ）を設定することによりカーボン等の浮遊性微粒子の付着を防止することが出来る。
【００５６】
特に、温度勾配（ΔＴｈ／Ｗｓ）が８００（℃／mm）以下としては、発熱抵抗体４の加熱温度（ΔＴｈ）が１６０（℃）を超える高温度では特にカーボン等の浮遊性微粒子の付着が顕著となることから、発熱抵抗体４の加熱温度（ΔＴｈ）が１６０（℃）以下で、且つ、発熱抵抗体４の上流側端部からダイヤフラム部３の上流側端部までの最近接距離（Ｗｓ）が０.２mm 以上の時に、カーボン等の浮遊性微粒子の付着が抑制された。
【００５７】
但し、最近接距離（Ｗｓ）が大きくなり過ぎると、ダイヤフラム部３の幅(Ｗ)が大きくなり、ダイヤフラム部の機械強度の低下および熱容量の増加に伴う応答速度の低下につながるので注意を要する。
【００５８】
上記の様に構成された本発明の実施例の熱式流量センサでは、ダイヤフラム部３の上流側温度勾配（ΔＴｈ／Ｗｓ）を８００（℃／mm）以下とすることにより、自動車などの内燃機関に搭載して過酷な環境条件にて長期間使用した場合においてもカーボン等の浮遊性微粒子の熱泳動効果による付着が防止でき信頼性の向上が図れる。また、従来例の様に、新たな追加部品（発光手段等）が不必要であることから、低コストで信頼性の高い熱式流量センサが提供できる。
【００５９】
図１２は、本発明の第二の実施例である熱式流量センサ素子１のダイヤフラム部３の拡大図である。図３の第一の実施例と異なるのは、ダイヤフラム部３の中央部に幅広部３ａ，３ｂを設けた略十字型のダイヤフラムとしたことである。
【００６０】
このような構成とすることにより、ダイヤフラム部３の中央部における発熱抵抗体４の上流側端部からダイヤフラム部３の上流側端部までの最近接距離(Ｗｓ)を確保しつつ、ダイヤフラム部３の周辺部の幅（Ｗ）を小さくすることができる。ダイヤフラム部３の周辺部の幅（Ｗ）を小さくすることにより、ダイヤフラム部の機械強度の低下および熱容量の増加に伴う応答速度の低下を伴うことなく、カーボン等の浮遊性微粒子の付着を防止することが可能となる。
【００６１】
図１３は、本発明の第三の実施例である熱式流量センサ素子１のダイヤフラム部３の拡大図である。図３の第一の実施例と異なるのは、ダイヤフラム部３の中央部における基板２との境界部周辺に、補助発熱抵抗体４ａ，４ｂを形成したことである。
【００６２】
補助発熱抵抗体４ａ，４ｂを形成しダイヤフラム部３の中央部における基板２との境界部周辺を加熱することにより、図１０に示した最もカーボン等の浮遊性微粒子の付着し易いＣ部における急峻な温度分布を和らげることが出来る。このため、Ｃ部における熱泳動効果が低減され、カーボン等の浮遊性微粒子の付着を防止することができる。
【００６３】
また、上記の補助発熱抵抗体４ａ，４ｂの導通状態を監視しておくことにより、ダイヤフラム部３が不具合により破壊されたことを検知する自己診断情報を得ることも可能である。
【００６４】
次に、本発明の実施例である熱式流量センサ素子１の製造方法に関して説明する。
【００６５】
基板としては、単結晶ケイ素（Ｓｉ）等の半導体基板２を用いる。ベースとなる単結晶ケイ素（Ｓｉ）基板２の表面を、熱酸化あるいはＣＶＤ法等により所定の厚さ約１μｍの電気絶縁膜８ａとなる二酸化ケイ素（ＳｉＯ2 ）と窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）を形成する。次に、抵抗体として、厚さ約１μｍの多結晶ケイ素（Ｓｉ）半導体薄膜をＣＶＤ法等により積層する。
【００６６】
次に、多結晶ケイ素（Ｓｉ）半導体薄膜に不純物拡散を行い、所定の抵抗率となるように高濃度ドープ処理を行う。更に、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た後反応性イオンエッチング等の方法により、多結晶ケイ素（Ｓｉ）半導体薄膜をパターニングし、所定の抵抗体４，５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，６と配線接続部１１（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ，１１ｆ，１１ｇ，１１ｈ，１１ｉ，１１ｊ，１１ｋ，１１ｌ）が得られる。
【００６７】
その後工程では、保護膜８ｂとして電気絶縁膜８ａと同様に、二酸化ケイ素(ＳｉＯ2）と窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）を約１ミクロン厚にＣＶＤ法等により形成する。
【００６８】
次に、外部回路との接続のために端子１２（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆ，１２ｇ，１２ｈ）の部分の保護膜８ｂを除去し、端子電極１２が、アルミニウム，金等で形成される。また、各抵抗体と端子１２を接続するための配線接続部１１を、多結晶ケイ素（Ｓｉ）半導体薄膜とアルミニウム，金等の多層膜構成としてもかまわない。
【００６９】
最終工程では、単結晶ケイ素（Ｓｉ）半導体基板２の裏面にエッチングのマスク材を所定の形状にパターニングし水酸化カリウム（ＫＯＨ）等のエッチング液を用いて異方性エッチングすることにより空洞７を形成して、本実施例の熱式流量センサ素子１が完成する。
【００７０】
本実施例では、抵抗体として多結晶ケイ素（Ｓｉ）半導体薄膜を用いた実施例に関して説明したが、白金等の金属材料を用いた場合でも同様の効果が得られる。
【００７１】
また、発熱抵抗体４として、ダイヤフラム部３上に略Ｉ字状に一直線形状としたが、略Ｕ字状の形状でも、ミアンダ状（蛇行状）でも同様の効果が得られる。
【００７２】
また、本実施例では、発熱抵抗体４の上下流に配した二対の測温抵抗体５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄについて説明したが、一対の測温抵抗体の構成でも同様の効果が得られる。
【００７３】
また、本実施例では、発熱抵抗体４の上下流に配した測温抵抗体の温度差から流量および流れの方向を計測する温度差方式を説明したが、発熱抵抗体４の加熱電流から流量を計測する直熱方式においても、同様の効果が得られることは自明である。
【００７４】
【発明の効果】
本発明によれば、熱泳動効果によるカーボン等の浮遊性微粒子が付着することを防止することが出来るとともに、低コストでより信頼性の高い熱式流量センサが提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例である熱式流量センサ素子１の平面を示す図である。
【図２】図１の素子のＡ−Ａ′断面を示す図である。
【図３】図１の素子のダイヤフラム部３の拡大図である。
【図４】熱式流量センサ素子１の実装構造を示す図である。
【図５】抵抗体４，５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，６の電気回路を示す図である。
【図６】ダイヤフラム部３の平面を示す説明図である。
【図７】図６のダイヤフラム部３の断面を示す説明図である。
【図８】無風でのダイヤフラム部３の温度分布を示す図である。
【図９】媒体流ありでのダイヤフラム部３の温度分布を示す図である。
【図１０】図８，図９のダイヤフラム部３の断面の温度分布を示す説明図である。
【図１１】温度勾配とカーボン付着高さの関係を示す図である。
【図１２】本発明の第二の実施例である素子のダイヤフラム部３の拡大図である。
【図１３】本発明の第三の実施例である素子のダイヤフラム部３の拡大図である。
【符号の説明】
１…素子、２…半導体基板、３…ダイヤフラム、４…発熱抵抗体、４ａ，４ｂ…補助発熱抵抗体、５ａ，５ｂ…上流側測温抵抗体、５ｃ，５ｄ…下流側測温抵抗体、６…媒体温度測温抵抗体、７…空洞、９…吸気通路、１１，１１ａ〜11ｌ…配線接続部、１２，１２ａ〜１２ｈ…端子、１３…副通路、１４…支持体、１５…外部回路。
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱式流量センサに係り、特に内燃機関の吸入空気量を測定するのに好適な熱式流量センサに関する。
【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。
【０００３】
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流量センサが、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。このような従来の半導体基板を用いた熱式流量センサとしては、当該出願人により出願された特許文献１に開示されたものがある。
【０００４】
上記特許文献１に記載の技術では、空洞部を有する半導体基板の前記空洞部上に電気絶縁膜を介して発熱抵抗体と発熱抵抗体の上下流に離間して一対の測温抵抗体を配置して上下流の測温抵抗体の温度差から流量を計測するいわゆる温度差方式が開示されている。
【０００５】
このような温度差方式では、空気の流れ方向の前記空洞部上電気絶縁膜の温度分布変化（温度差）から流量を計測するが、前記空洞部上電気絶縁膜および発熱抵抗体と上下流に配置された測温抵抗体の夫々の形状と相対位置関係が温度分布（測定精度）に大きな影響を与える。
【０００６】
上記従来技術では、前記空洞部上電気絶縁膜の温度分布の対称性および計測流量範囲の拡大、高速応答性を実現する為に、前記空洞部上電気絶縁膜および発熱抵抗体と上下流に配置された測温抵抗体の夫々の形状と相対位置関係を規定している。
【０００７】
しかし、この構成では、自動車などの内燃機関に搭載して過酷な環境条件にて長期間使用した場合の信頼性が十分に考慮されておらず、長期間の使用により前記空洞部上電気絶縁膜にカーボン等の浮遊性微粒子が熱泳動効果により厚く付着する現象が出現して、計測精度が長期間十分に保てない問題がある。
【０００８】
また、上記のような汚損に対応した従来技術としては、同じく当該出願人により出願された特許文献２に記載されたものがある。
【０００９】
特許文献２に記載された従来技術は、発熱抵抗体上の保護膜の上に光触媒膜を形成し、更に発光手段を備えて光触媒膜に光を照射することにより、光触媒効果により汚損の影響を低減している。
【００１０】
しかしながら、このように構成された従来の熱式流量計においては、新たに光触媒膜を形成する必要があり、また光触媒膜に光を照射する発光手段が必要となり、流量計自体が大きくなるとともに部品点数が増大する為にコストが高くなるという問題点を有する。
【００１１】
【特許文献１】
特開２００１−４１７９０号公報
【特許文献２】
特開平１１−２３０８０２号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明では、自動車などの内燃機関に搭載し過酷な環境条件にて長期間使用した場合でも、前記空洞部上電気絶縁膜にカーボン等の浮遊性微粒子が熱泳動効果により付着することを防止して低コストで信頼性の高い熱式流量センサを提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記の目的は、空洞部を有する半導体基板の前記空洞部上に電気絶縁膜を介して前記空洞部の中央近傍に少なくとも発熱抵抗体を形成し、前記発熱抵抗体の温度を媒体温度より一定温度高く制御して流量を計測する熱式流量センサにおいて、
前記発熱抵抗体の温度（Ｔｈ）は媒体温度（Ｔａ）に対して一定温度（ΔＴｈ＝Ｔｈ−Ｔａ）高く制御されるとともに、前記発熱抵抗体の空気の流れ方向に対する上流側端部から前記空洞部上電気絶縁膜の上流側端部の最近接距離（Ｗｓ）と前記一定温度（ΔＴｈ）が、
ΔＴｈ／Ｗｓ≦８００（℃／mm）
の関係を満たすように構成することにより、新たな発光手段等の部品の追加することなく上記のカーボン等の浮遊性微粒子が熱泳動効果により付着することを防止することが出来る。
【００１４】
また、前記一定温度(ΔＴｈ)が１６０℃以下で、且つ、前記最近接距離(Ｗｓ)が０.２mm 以上とすることで、より上記のカーボン等の浮遊性微粒子が付着することを防止することが出来る。
【００１５】
また、前記発熱抵抗体の上下流方向に離間して、前記空洞部上電気絶縁膜上に少なくとも一対の測温抵抗体を形成し、前記一対の測温抵抗体の温度差から流量を計測する構成においても、上記のカーボン等の浮遊性微粒子が付着することを防止することが出来る。
【００１６】
更に、前記空洞部上電気絶縁膜は略矩形形状で、空気の流れ方向の幅（Ｗ）に対して空洞部の中央部の幅が一部広がった略十字型形状としたことにより、より効果的に上記のカーボン等の浮遊性微粒子が熱泳動効果により付着することを防止することが出来る。
【００１７】
また、前記空洞部上電気絶縁膜は略矩形形状で、前記電気絶縁膜の上流側端部および下流側端部に補助発熱抵抗体を形成し、前記補助発熱抵抗体により前記電気絶縁膜の上下流端部境界を加熱する構成とすることにより、上記のカーボン等の浮遊性微粒子が熱泳動効果により付着することを防止することが出来るとともに、前記補助発熱抵抗体の電気導通状態から前記電気絶縁膜の破断状況を自己診断することが出来る。
【００１８】
被計測媒体の流速が常用の最低流速で０.２５ｍ／sec 以上になるように設定された内燃機関の吸入空気量を計測において、前記熱式流量センサを用いることにより、燃料噴射量を制御する低コストで高信頼性の内燃機関制御装置が実現される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について、図面を参照して説明する。
【００２０】
図１は、本発明の実施例の熱式流量センサ素子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、図１の空洞部上の電気絶縁膜（ダイヤフラム部）３の拡大図である。
【００２１】
図１，図２，図３において、素子１は、基板表面にて略矩形形状（長さ（Ｌ），幅(Ｗ)）の空洞７を有する単結晶ケイ素（Ｓｉ）等の半導体基板２，空洞７上の電気絶縁膜８ａおよび各抵抗体を保護するための電気絶縁膜８ｂからなるダイヤフラム部３，幅（Ｗｈ）の発熱抵抗体４，上流側測温抵抗体５ａ，５ｂと下流側測温抵抗体５ｃ，５ｄ，基板２の上流部に形成され発熱抵抗体４とブリッジ回路（図示せず）を構成し媒体温度を計測する為の媒体温度測温抵抗体６，素子１の信号を駆動制御回路と接続するための端子１２（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆ，１２ｇ，１２ｈ），各抵抗体と端子１２を接続するための配線接続部１１（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ,１１ｆ,１１ｇ，１１ｈ，１１ｉ，１１ｊ，１１ｋ，１１ｌ）よりなる。
【００２２】
ここで、各抵抗体４，５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，６は不純物ドープ処理された多結晶または単結晶ケイ素（Ｓｉ）半導体薄膜層よりなり、発熱抵抗体４はダイヤフラム部３の中央部に媒体の流れに対して直交方向にほぼ一直線上に配置される。また、ダイヤフラム部３を形成する電気絶縁膜８ａ，８ｂは、二酸化ケイ素（ＳｉＯ2 ）や窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）により約２ミクロン厚に薄肉に形成されており、熱絶縁効果が十分得られる構造と成っている。
【００２３】
本発明の実施例である熱式流量センサは、以下の様な動作を行う。
【００２４】
空洞７および電気絶縁膜８ａ，８ｂにより熱絶縁され、電気絶縁膜８ａ上に形成された発熱抵抗体４には、発熱抵抗体４の温度（Ｔｈ）が媒体流１０の温度を示す媒体温度測温抵抗体６の温度（Ｔａ）より一定温度（ΔＴｈ＝Ｔｈ−Ｔａ）高くなるように、加熱電流が流されている。
【００２５】
媒体流１０の流量および流れ方向は、発熱抵抗体４の上下流に形成された上流側測温抵抗体５ａ，５ｂと下流側測温抵抗体５ｃ，５ｄの温度（抵抗値）を比較することにより検知される。つまり、上流側測温抵抗体５ａ，５ｂと下流側測温抵抗体５ｃ，５ｄは、媒体流がゼロのときはほぼ同じ温度を示し温度差が生じない。
【００２６】
一方、図１の媒体流１０の方向（順流）ではおもに上流側に配置された上流側測温抵抗体５ａ，５ｂの方が下流側に配置された下流側測温抵抗体５ｃ，５ｄより媒体流１０による冷却効果が大きいことから、上流側測温抵抗体５ａ，５ｂと下流側測温抵抗体５ｃ，５ｄの温度に差が生じ、この温度差から流量が計測される。
【００２７】
一方、媒体流１０が図１の方向と反対（逆流）のときには、今度は下流側測温抵抗体５ｃ，５ｄの温度の方が上流側測温抵抗体５ａ，５ｂの温度より低くなり、上流側測温抵抗体５ａ，５ｂと下流側測温抵抗体５ｃ，５ｄの温度差の符号が逆転する。温度差から流量が、また温度差の符号から媒体流１０の方向が検知できる。
【００２８】
図４は、図１の素子１を実装した熱式流量センサの実施例を示す断面図である。例えば、自動車等の内燃機関の吸気通路に実装した熱式流量センサの実施例を示す断面図である。熱式流量センサは、図のように、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９の内部にある副通路１３に素子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１２に電気的に接続されている。
【００２９】
次に、図５を参照し、本発明の実施例の回路動作について説明する。図５は、図１の素子１の抵抗体４，５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，６と駆動制御回路を示したものである。図中、１８は電源、１９は発熱抵抗体４に加熱電流を流すためのトランジスタ、２０ａ，２０ｂは抵抗、１６はＡ／Ｄ変換器等を含む入力回路とＤ／Ａ変換器等を含む出力回路と演算処理等を行うＣＰＵからなる制御回路、１７はメモリ回路である。
【００３０】
ここで、発熱抵抗体４，媒体温度測温抵抗体６，抵抗２０ａ，２０ｂよりなるブリッジ回路の端子１２ａ，１２ｃの電圧が制御回路１６に入力され、加熱抵抗体４の温度（Ｔｈ）が媒体温度に対応する媒体温度測温抵抗体６の温度（Ｔａ）よりある一定温度（ΔＴｈ＝Ｔｈ−Ｔａ）高くなるよう各抵抗値２０ａ，２０ｂが設定され制御回路１６により制御される。
【００３１】
上流側測温抵抗体５ａ，５ｂと下流側測温抵抗体５ｃ，５ｄの温度差は、上流側測温抵抗体５ａ，５ｂ，下流側測温抵抗体５ｃ，５ｄのブリッジ回路の端子１２ｇ，１２ｅの電位差より検出する。
【００３２】
流量の計測には、予め流量（Ｑ）とブリッジ回路の端子１２ｇ，１２ｅの電位差との関係をメモリ１７にマップとして記憶しておけば、端子１２ｇ，１２ｅの電位差および大小関係から流量および流れの方向を計測し出力することが出来る。
【００３３】
次に、上記の様に構成された熱式流量センサを自動車などの内燃機関に搭載して、過酷な環境条件にて長期間使用した場合におけるカーボン等の浮遊性微粒子の熱泳動効果により付着する現象に関して説明する。
【００３４】
図６は、長時間使用後においてカーボン等の浮遊性微粒子の付着が見られた、熱式流量センサのダイヤフラム部３の拡大平面図であり、図７は、その断面図である。
【００３５】
２１が、付着したカーボン等の浮遊性微粒子であり、長時間使用後において特にダイヤフラム３の上流側の基板２との境界で、且つ、中央部に集中して付着する。また、付着量は空気の流れが遅い場合に多く、下流側には殆ど付着していないのが特徴である。
【００３６】
図７に見るように、ダイヤフラム３の上流側に付着したカーボン等の浮遊性微粒子２１は、使用時間の経過とともに堆積して、付着高さ（Ｈ）は最悪の場合数十μｍの厚さに達する。このように大量に付着した場合、図７の２２に示す様に、空気の流れ１０が付着したカーボン等の浮遊性微粒子２１が障害となって乱れる。ダイヤフラム３に形成した発熱抵抗体４および測温抵抗体５ｂ，５ｄに対して、空気の流れ１０が適切に到達しなくなることにより、流量の検出精度が悪くなる。
【００３７】
このようにカーボン等の浮遊性微粒子２１がダイヤフラム部３に特徴的に付着する現象（熱泳動効果）に関して以下説明する。
【００３８】
カーボン等の浮遊性微粒子２１は、大きさが数μｍ程度であり、この程度の粒径になると、粒子の重力沈降による速度は極めて小さくなり、空気の流れに追随して浮遊する。
【００３９】
このような浮遊性微粒子が、温度勾配により壁面へ付着する性質が熱泳動効果である。熱泳動効果は、ブラウン運動が重要となるような小さな粒径の粒子状物質に対して特に影響が顕著な現象であり、気相媒体に温度勾配が存在する場合に粒子状物質が低温部へと拡散し壁面に付着する現象である。すなわち気相媒体の温度が高く、壁面の温度が低い場合には通常の拡散，付着よりも熱泳動による拡散，付着がはるかに支配的となる。
【００４０】
この現象は、気相媒体の分子運動が温度の高い方が活発であるため、粒子に衝突して与える運動量が温度の高い側の方が、低い側の方よりも大きく、結果として温度の違いによる分子運動の差から粒子状物資に熱泳動効果による作用力が生じる。この力により、粒子状物質に移動速度（ｖ）が発生する。この移動速度
（ｖ）は、次式で与えられる。
【００４１】
【数１】
ｖ＝−Ｃ×（νａ／Ｔａ）×ｇｒａｄ（Ｔａ）
ここでＴａは媒体の温度、νａは媒体の動粘性係数である。またＣは熱泳動の係数である。
【００４２】
上式から熱泳動効果は、媒体の温度（Ｔａ）が低温で、且つ、空間における媒体温度の勾配が大きい（温度分布が急峻）場合に効果が大きいことが分かる。
【００４３】
この熱泳動効果により、図６および図７に示したカーボン等の浮遊性微粒子の特徴的な付着現象が説明できる。以下、この現象の原因について説明する。
【００４４】
図８および図９は、熱式流量センサのダイヤフラム部３の温度分布を示したもので、図８は媒体流１０が無い場合、図９は媒体流１０がある場合である。
【００４５】
図８の媒体流１０が無い場合のダイヤフラム部３の温度分布は、発熱抵抗体４が配置されたダイヤフラム３の中央部分が最も温度が高く（Ｔｈ）の温度で示された長楕円形状の等温度分布を示す。ダイヤフラム部の周辺に近づくに従い、
Ｔ２，Ｔ３（Ｔｈ＞Ｔ２＞Ｔ３）と同じく長楕円形状の等温度分布を保ちながら温度が下がる。ダイヤフラム部３周辺の基板２の温度は、基板２が熱伝導率の良い単結晶Ｓｉ基板となっており、且つ、基板体積が十分に大きい（熱容量が大きい）ことからほぼ媒体温度（Ｔａ）となる。
【００４６】
図９の媒体流１０がある場合のダイヤフラム部３の温度分布は、発熱抵抗体４の上流側が媒体の冷却効果により下がり、下流側が発熱抵抗体４により暖められることから、下流側に長楕円形状の等温度分布がシフトする。但し、発熱抵抗体４が配置されたダイヤフラム３の中央部分は常時加熱されている為に、図８の無風状態とほぼ同じく（Ｔｈ）の温度で示された長楕円形状の等温度分布となる。
【００４７】
図８および図９から、ダイヤフラム部３において最も温度勾配の大きいのは、中央部のＢ−Ｂ′で示された領域である。この部分に注目してＢ−Ｂ′のダイヤフラム部３の断面および温度分布を示したのが図１０である。
【００４８】
図１０において、ダイヤフラム部３の幅がＷ、発熱抵抗体４の幅がＷｈ、発熱抵抗体４の上流側端部からダイヤフラム部３の上流側端部までの最近接距離がＷｓ、発熱抵抗体４の下流側端部からダイヤフラム部３の下流側端部までの距離がＷｄである。ここで、下流側距離Ｗｄとしては、逆流および温度分布の対称性から、上流側端部までの最近接距離がＷｓ寸法と同じように設計されていたほうが良い。図８に示した無風状態での温度分布に対応したダイヤフラム直上の媒体温度分布が実線２３であり、図９に示した媒体流１０がある場合の温度分布に対応したダイヤフラム直上の媒体温度分布が点線２４である。基板２は空気の温度（Ｔａ）に、発熱抵抗体４は温度（Ｔａ）よりある一定温度（ΔＴｈ＝Ｔｈ−Ｔａ）高いＴｈに加熱される。
【００４９】
ここで、発熱抵抗体４の加熱温度（Ｔｈ）としては、図８，図９に示した様にダイヤフラム部にて長楕円形状の等温度分布となることから、ダイヤフラム部３上の発熱抵抗体４の平均温度（発熱抵抗体４の抵抗値と抵抗温度係数から算出される平均温度）で定義している。
【００５０】
図１０において、無風での温度分布２３では、ダイヤフラム部３の上流側および下流側端部において温度分布が急峻に変化するが、媒体流１０がある場合の温度分布２４では、ダイヤフラム部３の上流側端部Ｃ部でのみ温度分布が急峻に変化する。発熱抵抗体４に加熱された空気が、下流に流れ下流側端部の媒体温度が上昇し緩やかな温度分布となるからである。
【００５１】
自動車などの内燃機関に搭載して使用する場合は、媒体流１０として吸入空気が常用の最低流速で０.２５ｍ／sec以上となっている。このような条件では、ダイヤフラム部３の上流側端部Ｃ部でのみ温度分布が急峻に変化することになることから、前記（数１）式に示したgrad（Ｔａ）項が大きくなり、熱泳動効果の作用力がＣ部に集中してカーボン等の浮遊性微粒子が付着することになる。このような理由により、上記の図６および図７に示した、長時間使用後におけるカーボン等の浮遊性微粒子の付着が、ダイヤフラム３の上流側の基板２との境界でのみ、且つ、中央部に集中して付着する現象が説明できる。
【００５２】
長時間使用後におけるカーボン等の浮遊性微粒子の付着状況を、種々の条件にて検討した。その結果、前記(数１)式に示した熱泳動効果における、grad(Ｔａ)の項、すなわち、空間における媒体（空気）温度の勾配（ダイヤフラム３の上流側温度分布）とカーボン等の浮遊性微粒子の付着量（高さＨ）との間に強い相関が見られた。
【００５３】
図１１の曲線２５は、発熱抵抗体４の加熱温度（ΔＴｈ＝Ｔｈ−Ｔａ）と発熱抵抗体４の上流側端部からダイヤフラム部３の上流側端部までの最近接距離（Ｗｓ）を、種々変えた場合におけるカーボン等の浮遊性微粒子の付着量（高さＨ）をまとめた結果である。ダイヤフラム部３の上流側温度勾配(ΔＴｈ／Ｗｓ)が大きくなるに従い、付着高さ（Ｈ）が序々に大きくなるが、特に、温度勾配（ΔＴｈ／Ｗｓ）が８００（℃／mm）を超えると急激に付着高さ（Ｈ）が増大する。
【００５４】
温度勾配（ΔＴｈ／Ｗｓ）が８００（℃／mm）の領域は、恐らく自動車などの内燃機関での吸入空気の常用の最低流速が０.２５ｍ／sec以上であること、また、内燃機関から発生するカーボン等の浮遊性微粒子の粒径および質量と、前記（数１）式に示した熱泳動効果による作用力が釣り合う領域（閾値）になっているものと想定される。
【００５５】
図１１の温度勾配（ΔＴｈ／Ｗｓ）が８００（℃／mm）以下の領域２６と成るように、発熱抵抗体４の加熱温度（ΔＴｈ＝Ｔｈ−Ｔａ）と発熱抵抗体４の上流側端部からダイヤフラム部３の上流側端部までの最近接距離（Ｗｓ）を設定することによりカーボン等の浮遊性微粒子の付着を防止することが出来る。
【００５６】
特に、温度勾配（ΔＴｈ／Ｗｓ）が８００（℃／mm）以下としては、発熱抵抗体４の加熱温度（ΔＴｈ）が１６０（℃）を超える高温度では特にカーボン等の浮遊性微粒子の付着が顕著となることから、発熱抵抗体４の加熱温度（ΔＴｈ）が１６０（℃）以下で、且つ、発熱抵抗体４の上流側端部からダイヤフラム部３の上流側端部までの最近接距離（Ｗｓ）が０.２mm 以上の時に、カーボン等の浮遊性微粒子の付着が抑制された。
【００５７】
但し、最近接距離（Ｗｓ）が大きくなり過ぎると、ダイヤフラム部３の幅(Ｗ)が大きくなり、ダイヤフラム部の機械強度の低下および熱容量の増加に伴う応答速度の低下につながるので注意を要する。
【００５８】
上記の様に構成された本発明の実施例の熱式流量センサでは、ダイヤフラム部３の上流側温度勾配（ΔＴｈ／Ｗｓ）を８００（℃／mm）以下とすることにより、自動車などの内燃機関に搭載して過酷な環境条件にて長期間使用した場合においてもカーボン等の浮遊性微粒子の熱泳動効果による付着が防止でき信頼性の向上が図れる。また、従来例の様に、新たな追加部品（発光手段等）が不必要であることから、低コストで信頼性の高い熱式流量センサが提供できる。
【００５９】
図１２は、本発明の第二の実施例である熱式流量センサ素子１のダイヤフラム部３の拡大図である。図３の第一の実施例と異なるのは、ダイヤフラム部３の中央部に幅広部３ａ，３ｂを設けた略十字型のダイヤフラムとしたことである。
【００６０】
このような構成とすることにより、ダイヤフラム部３の中央部における発熱抵抗体４の上流側端部からダイヤフラム部３の上流側端部までの最近接距離(Ｗｓ)を確保しつつ、ダイヤフラム部３の周辺部の幅（Ｗ）を小さくすることができる。ダイヤフラム部３の周辺部の幅（Ｗ）を小さくすることにより、ダイヤフラム部の機械強度の低下および熱容量の増加に伴う応答速度の低下を伴うことなく、カーボン等の浮遊性微粒子の付着を防止することが可能となる。
【００６１】
図１３は、本発明の第三の実施例である熱式流量センサ素子１のダイヤフラム部３の拡大図である。図３の第一の実施例と異なるのは、ダイヤフラム部３の中央部における基板２との境界部周辺に、補助発熱抵抗体４ａ，４ｂを形成したことである。
【００６２】
補助発熱抵抗体４ａ，４ｂを形成しダイヤフラム部３の中央部における基板２との境界部周辺を加熱することにより、図１０に示した最もカーボン等の浮遊性微粒子の付着し易いＣ部における急峻な温度分布を和らげることが出来る。このため、Ｃ部における熱泳動効果が低減され、カーボン等の浮遊性微粒子の付着を防止することができる。
【００６３】
また、上記の補助発熱抵抗体４ａ，４ｂの導通状態を監視しておくことにより、ダイヤフラム部３が不具合により破壊されたことを検知する自己診断情報を得ることも可能である。
【００６４】
次に、本発明の実施例である熱式流量センサ素子１の製造方法に関して説明する。
【００６５】
基板としては、単結晶ケイ素（Ｓｉ）等の半導体基板２を用いる。ベースとなる単結晶ケイ素（Ｓｉ）基板２の表面を、熱酸化あるいはＣＶＤ法等により所定の厚さ約１μｍの電気絶縁膜８ａとなる二酸化ケイ素（ＳｉＯ2 ）と窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）を形成する。次に、抵抗体として、厚さ約１μｍの多結晶ケイ素（Ｓｉ）半導体薄膜をＣＶＤ法等により積層する。
【００６６】
次に、多結晶ケイ素（Ｓｉ）半導体薄膜に不純物拡散を行い、所定の抵抗率となるように高濃度ドープ処理を行う。更に、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た後反応性イオンエッチング等の方法により、多結晶ケイ素（Ｓｉ）半導体薄膜をパターニングし、所定の抵抗体４，５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，６と配線接続部１１（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ，１１ｆ，１１ｇ，１１ｈ，１１ｉ，１１ｊ，１１ｋ，１１ｌ）が得られる。
【００６７】
その後工程では、保護膜８ｂとして電気絶縁膜８ａと同様に、二酸化ケイ素(ＳｉＯ2）と窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）を約１ミクロン厚にＣＶＤ法等により形成する。
【００６８】
次に、外部回路との接続のために端子１２（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆ，１２ｇ，１２ｈ）の部分の保護膜８ｂを除去し、端子電極１２が、アルミニウム，金等で形成される。また、各抵抗体と端子１２を接続するための配線接続部１１を、多結晶ケイ素（Ｓｉ）半導体薄膜とアルミニウム，金等の多層膜構成としてもかまわない。
【００６９】
最終工程では、単結晶ケイ素（Ｓｉ）半導体基板２の裏面にエッチングのマスク材を所定の形状にパターニングし水酸化カリウム（ＫＯＨ）等のエッチング液を用いて異方性エッチングすることにより空洞７を形成して、本実施例の熱式流量センサ素子１が完成する。
【００７０】
本実施例では、抵抗体として多結晶ケイ素（Ｓｉ）半導体薄膜を用いた実施例に関して説明したが、白金等の金属材料を用いた場合でも同様の効果が得られる。
【００７１】
また、発熱抵抗体４として、ダイヤフラム部３上に略Ｉ字状に一直線形状としたが、略Ｕ字状の形状でも、ミアンダ状（蛇行状）でも同様の効果が得られる。
【００７２】
また、本実施例では、発熱抵抗体４の上下流に配した二対の測温抵抗体５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄについて説明したが、一対の測温抵抗体の構成でも同様の効果が得られる。
【００７３】
また、本実施例では、発熱抵抗体４の上下流に配した測温抵抗体の温度差から流量および流れの方向を計測する温度差方式を説明したが、発熱抵抗体４の加熱電流から流量を計測する直熱方式においても、同様の効果が得られることは自明である。
【００７４】
【発明の効果】
本発明によれば、熱泳動効果によるカーボン等の浮遊性微粒子が付着することを防止することが出来るとともに、低コストでより信頼性の高い熱式流量センサが提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例である熱式流量センサ素子１の平面を示す図である。
【図２】図１の素子のＡ−Ａ′断面を示す図である。
【図３】図１の素子のダイヤフラム部３の拡大図である。
【図４】熱式流量センサ素子１の実装構造を示す図である。
【図５】抵抗体４，５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，６の電気回路を示す図である。
【図６】ダイヤフラム部３の平面を示す説明図である。
【図７】図６のダイヤフラム部３の断面を示す説明図である。
【図８】無風でのダイヤフラム部３の温度分布を示す図である。
【図９】媒体流ありでのダイヤフラム部３の温度分布を示す図である。
【図１０】図８，図９のダイヤフラム部３の断面の温度分布を示す説明図である。
【図１１】温度勾配とカーボン付着高さの関係を示す図である。
【図１２】本発明の第二の実施例である素子のダイヤフラム部３の拡大図である。
【図１３】本発明の第三の実施例である素子のダイヤフラム部３の拡大図である。
【符号の説明】
１…素子、２…半導体基板、３…ダイヤフラム、４…発熱抵抗体、４ａ，４ｂ…補助発熱抵抗体、５ａ，５ｂ…上流側測温抵抗体、５ｃ，５ｄ…下流側測温抵抗体、６…媒体温度測温抵抗体、７…空洞、９…吸気通路、１１，１１ａ〜11ｌ…配線接続部、１２，１２ａ〜１２ｈ…端子、１３…副通路、１４…支持体、１５…外部回路。
Claims (7)
- 空洞部を有する半導体基板の前記空洞部上に電気絶縁膜を介して前記空洞部の中央近傍に少なくとも発熱抵抗体を形成すると共に、前記発熱抵抗体の上流側でかつ前記空洞部の外側の半導体基板上に被計測媒体の温度を計測するための媒体温度測温抵抗体を形成し、前記発熱抵抗体の温度を被計測媒体温度より一定温度高く制御して流量を計測する熱式流量センサにおいて、
前記発熱抵抗体の空気の流れ方向に対する上流側端部から前記空洞部上電気絶縁膜の上流側端部の最近接距離（Ｗｓ）と前記一定温度（ΔＴｈ）が、
ΔＴｈ／Ｗｓ≦８００（℃／mm）
の関係を満たすように構成されたことを特徴とする熱式流量センサ。 - 請求項１に記載の熱式流量センサにおいて、前記一定温度（ΔＴｈ）が１６０℃以下で、且つ、前記最近接距離（Ｗｓ）が０.２mm以上であることを特徴とする熱式流量センサ。
- 請求項１又は２に記載の熱式流量センサにおいて、前記発熱抵抗体の上下流方向に離間して、前記空洞部上電気絶縁膜上に少なくとも一対の測温抵抗体を形成し、前記一対の測温抵抗体の温度差から流量を計測することを特徴とする熱式流量センサ。
- 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の熱式流量センサにおいて、前記空洞部上電気絶縁膜は略矩形形状で、媒体の流れ方向の幅（Ｗ）に対して空洞部の中央部の幅が一部広がった略十字型形状としたことを特徴とする熱式流量センサ。
- 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の熱式流量センサにおいて、前記空洞部上電気絶縁膜は略矩形形状で、前記電気絶縁膜の上流側端部および下流側端部に補助発熱抵抗体を形成し、前記補助発熱抵抗体により前記電気絶縁膜の上下流端部境界を加熱するとともに、前記補助発熱抵抗体の電気導通状態から前記電気絶縁膜の破断状況を自己診断することを特徴とする熱式流量センサ。
- 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の熱式流量センサにおいて、被計測媒体の流速は、常用の最低流速で０.２５ｍ／sec以上になるように設定されていることを特徴とする熱式流量センサ。
- 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の熱式流量センサを用いて内燃機関の吸入空気量を計測し、燃料噴射量を制御する内燃機関制御装置。
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