JP4906422B2 - Thermal gas flow sensor and internal combustion engine controller using the same - Google Patents
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Description
本発明は、半導体薄膜により発熱抵抗体を構成した熱式ガス流量センサに関する。 The present invention relates to a thermal gas flow sensor in which a heating resistor is constituted by a semiconductor thin film.
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の流量計や、半導体製造に用いる各種ガスおよび燃料電池に用いる水素/酸素の流量計として、熱式のガス流量計が質量ガス量を直接検知できることから主流である。 Thermal gas flowmeters are used as mass gas as flowmeters for intake air quantity installed in electronically controlled fuel injection devices for internal combustion engines such as automobiles, and for various gases used in semiconductor manufacturing and hydrogen / oxygen flowmeters used in fuel cells. It is mainstream because the amount can be detected directly.
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ガス流量計が、コストが低減でき且つ低電力で駆動することができることから注目されてきた。 Of these, gas flowmeters manufactured by semiconductor micromachining technology have attracted attention because they can be reduced in cost and driven with low power.
このような従来の半導体基板を用いたガス流量計としては、例えば、特許文献1や特許文献2に記載されているように、発熱抵抗体として耐熱性および材料コストの利点から、従来使用されていた白金に置き換えて多結晶ケイ素(ポリシリコン)を用いたものが知られている。
As such a conventional gas flow meter using a semiconductor substrate, for example, as described in
ところで、発熱抵抗体にポリシリコンや金属などを用いた場合、発熱抵抗体等の抵抗値の経時変化により、センサ耐久特性が左右されるため、経時変化抑制が必要である。 By the way, when polysilicon, metal, or the like is used for the heating resistor, the sensor durability characteristics are affected by the change with time of the resistance value of the heating resistor or the like, so it is necessary to suppress the change with time.
ここで、発熱抵抗体等の抵抗体を電気的に絶縁する保護膜は、抵抗体と同様に、半導体プロセスにて製作するため、成膜プロセス過程において、保護膜中にH2O(水分)が含まれ、成膜後にもH2Oが保護膜に吸着する。 Here, since the protective film that electrically insulates the resistor such as the heating resistor is manufactured by a semiconductor process in the same manner as the resistor, H 2 O (moisture) is contained in the protective film during the film forming process. And H 2 O is adsorbed on the protective film even after film formation.
発熱抵抗体等の抵抗値変動要因の中に、保護膜中に存在している、あるいは最表面に付着している水(H2O)、水素(H2)などが、発熱時のエネルギーを受けて解離する。発熱抵抗体がダイヤフラム部上に形成されるている場合、水や水素が保護膜から解離すると、膜応力が変化し、抵抗ピエゾ効果により抵抗値変動が発生する。 Among the resistance value fluctuation factors such as heating resistors, water (H 2 O), hydrogen (H 2 ), etc. present in the protective film or attached to the outermost surface will reduce the energy during heating. Receive and dissociate. When the heating resistor is formed on the diaphragm portion, when water or hydrogen is dissociated from the protective film, the film stress changes, and the resistance value fluctuates due to the resistance piezo effect.
このため、熱式ガス流量センサの流量検出精度が低下してしまっていた。 For this reason, the flow rate detection accuracy of the thermal gas flow rate sensor has been lowered.
本発明の目的は、発熱抵抗体や測温抵抗体の抵抗値経時変化を低減し、検出精度が向上された熱式ガス流量センサ及びそれを用いた内燃機関の制御装置を実現することである。 An object of the present invention is to realize a thermal gas flow rate sensor in which a resistance value change with time of a heating resistor or a resistance temperature detector is reduced and detection accuracy is improved, and a control device for an internal combustion engine using the same. .
本発明の熱式ガス流量センサは、基板に形成されたダイヤフラム上に、発熱抵抗体と、温度検出抵抗体とを有し、上記ダイヤフラム上に形成された発熱抵抗体及び温度検出抵抗体の表面を保護する表面保護膜は、酸窒化膜(SiON膜)もしくはポリシリコン膜である。 The thermal gas flow sensor of the present invention has a heating resistor and a temperature detection resistor on a diaphragm formed on a substrate, and the surface of the heating resistor and the temperature detection resistor formed on the diaphragm. The surface protective film for protecting the film is an oxynitride film (SiON film) or a polysilicon film.
また、本発明の内燃機関の制御装置は、内燃機関に供給する空気流量を計測する空気流量計測手段と、この流量計測手段により計測された流量に基づいて、空気流量を制御する手段とを備え、上記空気流量計測手段は、基板に形成されたダイヤフラム上に、発熱抵抗体と、温度検出抵抗体とを有し、上記ダイヤフラム上に形成された発熱抵抗体及び温度検出抵抗体の表面を保護する表面保護膜は、酸窒化膜(SiON膜)もしくはポリシリコン膜である。 Further, the control device for an internal combustion engine of the present invention includes an air flow rate measuring means for measuring an air flow rate supplied to the internal combustion engine, and a means for controlling the air flow rate based on the flow rate measured by the flow rate measuring means. The air flow rate measuring means has a heating resistor and a temperature detection resistor on the diaphragm formed on the substrate, and protects the surface of the heating resistor and the temperature detection resistor formed on the diaphragm. The surface protective film is an oxynitride film (SiON film) or a polysilicon film.
発熱抵抗体や測温抵抗体の抵抗値経時変化を低減し、検出精度が向上された熱式ガス流量センサ及びそれを用いた内燃機関の制御装置を実現することができる。 It is possible to realize a thermal gas flow rate sensor in which resistance value changes with time of a heating resistor and a resistance temperature detector are reduced and detection accuracy is improved, and a control device for an internal combustion engine using the same.
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して説明する。なお、以下に示す実施形態は、本発明を熱式空気流量センサに適用した場合の例である。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. In addition, embodiment shown below is an example at the time of applying this invention to a thermal-type air flow sensor.
図1は、本発明の第1の実施形態が適用される熱式空気流量センサの検出素子1の平面図であり、図2は図1のA−A'線に沿った断面図である。
FIG. 1 is a plan view of a
図1、図2において、検出素子1はシリコンやセラミック等の熱伝導率の良い材料で構成される平板基板32に、保護膜30a、30b、31a、絶縁膜31b、30c、発熱抵抗体3、温度検出抵抗体4、コンタクト部33、強度補強保護膜37、引き出し配線部34を形成する。
1 and 2, the
その後、平板基板32を裏面からアルカリエッチ、例えばKOHやTMAH溶液などでエッチングすることで絶縁膜30cの下部に空間35を形成し、平板基板32に薄肉部(ダイヤフラム)2を形成する。
Thereafter, the
薄肉部2の表面には測定空気流量の温度と所定の温度差に加熱される発熱体として発熱抵抗体3と、発熱抵抗体3の両側に温度検出手段として温度検出抵抗体4、14を形成している。なお、発熱抵抗体3はポリシリコン薄膜、白金薄膜、モリブデン膜などでつくられた抵抗体で、これらの抵抗体の抵抗値が温度により変化することを利用して、温度検出抵抗体4、14が配置された場所の温度を検出する。
On the surface of the thin-walled
発熱抵抗体3及び温度検出抵抗体4、14から信号線を引き出せるように配線部18〜23と、これら配線部18〜23に接続されるパッド8〜13が形成されている。
Wiring
これらの発熱抵抗体部3及び温度検出抵抗体4、14とは、配線部18〜23を介してコンタクト部24〜29に接続される。そして、パッド8〜13を用いて外部に信号が取り出せるようにしている。発熱抵抗体3および温度検出抵抗体4、14は、保護膜30a、30b、31a、絶縁膜31b、30cで被覆されている。
The
保護膜31a、31bは、シリコンナイトライドなどの緻密な膜で形成されている。ここで保護膜31a、31bのシリコンナイトライド膜は、緻密であるため、水の吸湿や水の脱離が発生しにくい。しかし、計測する空気流量に接する最表面の保護膜30aは、低圧CVD法やプラズマ法により成膜を行うシリコン酸化膜などの絶縁膜であるため、緻密性に欠ける。
The
図3は、保護膜30a中からの水(H2O)の脱離を説明する図であり、図4は保護膜30aの最表面からの水(H2O)の脱離を説明する図である。図3、図4に示すように、発熱抵抗体3の加熱時において膜30a中もしくは最表面膜からの水の脱離がみられる。
FIG. 3 is a diagram for explaining desorption of water (H 2 O) from the
図5は、保護膜30aをTSD(脱ガス分析)などで解析した温度と水の脱離量との関係を示す図である。図5に示すように、吸着水(H2O)、含有水分(H2O)が多く保護膜から脱離していることが判明した。特に、吸着水については、発熱抵抗体加熱時の温度に相当する80℃〜300℃において、多く脱離が見られることが判明している。
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the temperature at which the
保護膜30aが、発熱抵抗体発熱時の熱エネルギーを受けて、保護膜30a中や最表面よりH2Oが脱離する。このとき脱離に要したエネルギーと抵抗経時変化時における活性化エネルギー値が一致していることを確認している。
The
つまり、抵抗経時変化が発熱抵抗体の発熱時における最表面保護膜30aからのH2Oの脱離により、ダイヤフラム2の膜応力が変動し、抵抗ピエゾ効果により発熱抵抗体3の抵抗値が変動する。
In other words, the film stress of the
これにより、保護膜30aは、H2Oの含有量が小さく、吸着しない材質の膜が望ましい。具体的には、酸窒化膜(SiON膜)やポリシリコン膜であることが良い。シリコンナイトライド膜などを保護膜30aに用いることも考えられるが、シリコンナイトライド膜の場合、H2Oなどの含有量は低下するが硬い膜であるため、ダストなどが衝突した場合、クラックなどが発生し易すくなってしまう。
Accordingly, the
以上のように、ダイヤフラムに発熱抵抗体を設けて電気抵抗値を用いて空気流量を測定する熱式空気流量センサにおいて、ダイヤフラム最表面膜がSiON膜やポリシリコン膜により形成することにより、H2Oなどの含有量を低減して、クラックの発生も低減でき、発熱抵抗体、測温抵抗体の抵抗値変動が低減される。 As described above, in the thermal air flow sensor in which the heating resistor is provided in the diaphragm and the air flow rate is measured using the electric resistance value, the diaphragm outermost surface film is formed of a SiON film or a polysilicon film, thereby forming H 2. The content of O or the like can be reduced to reduce the occurrence of cracks, and resistance value fluctuations of the heating resistor and the resistance temperature detector can be reduced.
つまり、本発明の第1の実施形態によれば、発熱抵抗体や測温抵抗体の抵抗値経時変化を低減し、検出精度が向上された熱式ガス流量センサを実現することができる。 That is, according to the first embodiment of the present invention, it is possible to realize a thermal gas flow sensor with reduced resistance value aging of the heating resistor and the resistance temperature detector and improved detection accuracy.
図6は、本発明の第2の実施形態である熱式空気流量センサの検出素子1の平面図である。この第2の実施形態である熱式空気流量センサの検出素子の断面図は先に示した第1の実施例である熱式空気流量計測装置とほぼ同一の構造であり、保護膜30aの材質は酸窒化膜(SiON膜)又はポリシリコン膜であるが、第2の実施形態においては、膜応力低減のため、ダイヤフラム2上以外の部分にスリット30dが形成されている。
FIG. 6 is a plan view of the
つまり、配線部15と16との間、配線部16と17との間、配線部17と7との間、配線部7と6との間、配線部6と5との間にスリット30dが形成されている。これらのスリット30dを形成することにより、保護膜30aの膜応力がさらに低減され、発熱抵抗体、測温抵抗体の抵抗値変動が低減される。
That is, the
次に、本発明の熱式流量センサについて、駆動回路も含めた具体例について、図7〜図10を参照して説明する。なお、図7は本発明の熱式流量センサの検出素子71の平面図、図8は図7のB−B'線に沿った断面図、図9は本発明の熱式流量計測センサの検出素子38の発熱抵抗体68に関連する部分の平面図、図10は本発明の熱式流量センサを動作させる駆動回路図である。 Next, specific examples of the thermal flow sensor of the present invention including a drive circuit will be described with reference to FIGS. 7 is a plan view of the detection element 71 of the thermal flow sensor of the present invention, FIG. 8 is a cross-sectional view taken along line BB ′ of FIG. 7, and FIG. 9 is a detection of the thermal flow sensor of the present invention. FIG. 10 is a drive circuit diagram for operating the thermal flow sensor of the present invention.
本発明の熱式流量計測装置の検出素子38は次のようにして形成される。つまり、シリコンやセラミック等の熱伝導率の良い材料で構成される平板基板75にシリコン酸化膜74、シリコン窒化膜73、シリコン酸化膜72を形成し、この上にポリシリコン薄膜を積層して、このポリシリコン薄膜をパターニングすることで発熱抵抗体66、吸気温度検出抵抗68、温度差検出抵抗39、40、64、65などが形成される。そして、保護膜としてシリコン酸化膜69、シリコン窒化膜70、シリコン酸化膜71を形成し、この上にアルミニウム薄膜を積層し、このアルミニウム薄膜をパターニングすることで配線とパッドを形成する。
The
また、平板基板75を裏面からエッチングすることでシリコン酸化膜74の下部に空間を形成し、平板基板75にダイアフラム(薄肉部)67を形成する。ダイアフラム67には測定空気流の温度と所定の温度差に加熱される発熱体として発熱抵抗体66と、発熱抵抗体66の両側に温度差検出手段として温度差検出抵抗39、40、64、65を形成している。
Further, by etching the flat substrate 75 from the back surface, a space is formed below the silicon oxide film 74, and a diaphragm (thin portion) 67 is formed on the flat substrate 75. The
また、発熱抵抗体66の一端は引き出し配線45を介してパッド48に接続され、もう一端は固定抵抗59に接続され、発熱抵抗体66と固定抵抗59の接続点はパッド58に接続している。また、固定抵抗59のもう一端はパッド58に接続している。
One end of the
また、温度差検出抵抗39、40、64、65は引き出し配線41、42、43、44、60、61、62により接続されることでブリッジ回路を構成し、温度差検出抵抗39、40、64、65の各々の接続点はパッド46、47、49、55に引き出される。ここで、発熱抵抗体66のヒータ温度は80℃以上の高温で動作するため、水などの吸着水や膜中の含有水などが存在した場合、蒸発や脱離現象が発生する。
The temperature
次に、本発明の検出部38を動作させる駆動回路を説明する。この駆動回路は検出素子38の発熱抵抗体66、固定抵抗59、吸気温度検出抵抗68、固定抵抗63、58により構成されるブリッジ回路の出力電圧を増幅する差動増幅器76と、温度差検出抵抗39、40、64、65により構成されるブリッジ回路の出力電圧を増幅してセンサ出力を出力する差動増幅器78と、この差動増幅器78の出力で制御され発熱抵抗体66に電流を流すトランジスタ77とを備える。
Next, a drive circuit for operating the
この駆動回路は、発熱抵抗体66、固定抵抗59、吸気温度検出抵抗68、固定抵抗59、58により構成されるブリッジ回路の出力電圧が0に成るように発熱抵抗体66に流す電流を制御する。
This drive circuit controls the current flowing through the
ここで、発熱抵抗体66、吸気温度検出抵抗68、固定抵抗59、58は上述したようにポリシリコン薄膜で構成され、それぞれの抵抗体の温度に応じて各抵抗の抵抗値が変化する。このため、このブリッジ回路の出力電圧は発熱抵抗体66、固定抵抗59、吸気温度検出抵抗68、固定抵抗59、58の抵抗値とそれぞれの抵抗の温度に応じて変化するが、各抵抗の値を適当に選ぶことで発熱抵抗体66の温度と吸気温度検出抵抗68の温度が所定の温度差になった時に本ブリッジ回路の出力が0になるように設計しておく。
Here, the
こうすることで本駆動回路は発熱抵抗体66の温度と吸気温度検出抵抗68の温度が所定の温度差になるように動作する。また、発熱抵抗体66の両側の温度を温度差検出抵抗39、40、64、65により構成されるブリッジ回路で検出し、このブリッジ回路の出力電圧を差動増幅器78により増幅することで空気流量に応じたセンサ出力を得る。
In this way, the drive circuit operates so that the temperature of the
図11は、上述した本発明による熱式空気流量センサが適用される内燃機関制御装置の要部概略構成図である。 FIG. 11 is a schematic configuration diagram of a main part of an internal combustion engine controller to which the above-described thermal air flow sensor according to the present invention is applied.
図11において、エアクリーナ100から吸入された吸入空気116は、熱式空気流量センサ117が配置された主管118、吸気ダクト103、スロットルボディ104及び燃料が供給されるインジェクタ(燃料噴射弁)105を備えたインテークマニホールド106を経て、エンジンシリンダ107に吸入される。そして、エンジンシリンダ107で発生したガス108は排気マニホールド109を経て外部に排出される。
In FIG. 11, the
熱式空気流量センサ117は、エンジンルーム内のエアクリーナー100と、スロットルボディ104との間に設置される。熱式空気流量センサ117から出力される空気流量信号、吸入空気温度信号、スロットル角度センサ111から出力されるスロットルバルブ角度信号、排気マニホールド109に設けられた酸素濃度計112から出力される酸素濃度信号、及びエンジン回転速度計113から出力されるエンジン回転速度信号等は、コントロールユニット114に送信される。
The thermal
コントロールユニット114は、送信された信号を逐次演算して、最適な燃料噴射量とアイドルエアコントロールバルブ開度とを求め、その値を使ってインジェクタ105及びアイドルエアコントロールバルブ115を制御する。
The
本発明による熱式空気流量センサ117が適用された内燃機関の制御装置によれば、熱式空気流量センサ117のダイヤフラム最表面膜がSiON膜やポリシリコン膜により形成することにより、H2Oなどの含有量を低減して、クラックの発生も低減でき、発熱抵抗体、測温抵抗体の抵抗値変動が低減される。
According to the control apparatus for an internal combustion engine to which the thermal
これにより、流量検出精度が向上されるので、内燃機関の制御精度も向上することができる。 Thereby, since the flow rate detection accuracy is improved, the control accuracy of the internal combustion engine can also be improved.
なお、上述した例は発明を、熱式空気流量センサに適用した場合の例であるが、空気のならず、水素、酸素等の他のガス流量を測定するセンサにも適用可能である。 In addition, although the example mentioned above is an example at the time of applying this invention to a thermal air flow sensor, it is applicable also to the sensor which measures not only air but other gas flow rates, such as hydrogen and oxygen.
1・・・検出素子、2・・・薄肉部、3・・・発熱抵抗体、4・・・温度検出抵抗体、5〜7・・・配線部、8〜13・・・パット部、14〜17・・・配線部、18〜23・・・電極引き出し配線、24〜29・・・コンタクト部、30a、30b、31a・・・保護膜、30d・・スリット、30c、31b・・・絶縁膜、32・・・平板基板、33、36・・・コンタクト部、34・・引き出し配線部、35・・中空部、37・・強度補強保護膜、38・・検出素子、39・・温度差検出抵抗、40〜45・・・引き出し配線、46〜57・・・パッド部、58〜63・・・引き出し配線、64、65・・・温度差検出抵抗、66・・・ヒータ抵抗、67・・・ダイアフラム、68・・吸気温度検出抵抗、69、71、72、74・・・シリコン酸化膜、70、73・・・シリコン窒化膜、75・・平板基板、76、78・・・差動増幅器、77・・・トランジスタ
DESCRIPTION OF
Claims (5)
上記ダイヤフラム上に形成された発熱抵抗体及び温度検出抵抗体の表面を保護する表面保護膜の最表面保護膜は、ポリシリコン膜であることを特徴とする熱式ガス流量センサ。 In a thermal gas flow sensor having a heating resistor and a temperature detection resistor on a diaphragm formed on a substrate,
A thermal gas flow sensor, wherein the outermost protective film of the surface protective film for protecting the surfaces of the heating resistor and the temperature detecting resistor formed on the diaphragm is a polysilicon film.
上記空気流量計測手段は、基板に形成されたダイヤフラム上に、発熱抵抗体と、温度検出抵抗体とを有し、上記ダイヤフラム上に形成された発熱抵抗体及び温度検出抵抗体の表面を保護する表面保護膜の最表面保護膜は、ポリシリコン膜であることを特徴とする内燃機関の制御装置。 In a control apparatus for an internal combustion engine, comprising: an air flow rate measuring unit that measures an air flow rate supplied to the internal combustion engine; and a unit that controls the air flow rate based on the flow rate measured by the flow rate measuring unit.
The air flow rate measuring unit has a heating resistor and a temperature detection resistor on a diaphragm formed on the substrate, and protects the surface of the heating resistor and the temperature detection resistor formed on the diaphragm. The control apparatus for an internal combustion engine, wherein the outermost protective film of the surface protective film is a polysilicon film.
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