JP5114463B2 - 発熱抵抗式空気流量測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、発熱抵抗体と測温抵抗体を半導体基板から熱的に絶縁するためのダイアフラム部上に構成した計測素子に関するものである。特に本発明は、内燃機関の吸入空気通路を流れる空気流量を測定する空気流量計に関するものである。

自動車など内燃機関の吸気管内に設置して吸入空気量を測定する空気流量計では、その出力信号を基にエンジンを最適制御して低燃費化を図る目的で、高速応答，高感度，長期安定性が要求される。そこで半導体薄膜形成技術およびマイクロマシニング技術に基づき半導体基板から熱的に絶縁されたヒータとなる抵抗体を備えた計測素子を採用することにより、高感度の空気流量計を実現している（例えば特許文献１参照）。また半導体基板上のヒータとなる抵抗体を高温に加熱することは、センサの流量検出感度の向上につながると共に、環境中に混在するオイルなどの有機系物質を焼き飛ばすためセンサの耐汚損性の向上につながる。さらにセンサ素子に撥水性または撥油性コーティングを設けることにより、稼動中に付着する汚れによる特性変動の低下を抑制し、長期安定性を実現している（例えば特許文献２参照）。

特開平８−２７１３０８号公報 特開２０００−１６９７９５号公報

本発明は、設置環境に存在する汚水，石油，飛沫，シリコン油，煤，塩，炭化水素，ダスト粒子のうち、特に塩が抵抗体式空気流量計に付着することを防止するものである。海岸地域の海塩または寒冷地の融雪塩を含んだ雨雪を吸気した場合、抵抗体に集中して塩が堆積して固着するという課題がある。抵抗体への塩の堆積固着は、空気流量計の測定精度の経時的な低下や、抵抗体および配線を含む構成材料の腐食の原因となる。

ここで抵抗体への塩の堆積固着挙動を、伝熱面での塩を含む水滴の挙動でもって説明する。材料表面の水滴が加熱されて消滅する現象としては、以下の４つの状態が存在する。
１．対流：沸騰開始温度以下では対流で加熱されて蒸発する。
２．核沸騰：伝熱面のくぼみ、突起などで沸騰する。その他の部分では対流。
３．遷移沸騰：核沸騰から膜沸騰への遷移領域。
４．膜沸騰：伝熱面全面が蒸気で覆われる。

膜沸騰の温度条件では、伝熱面は全面が蒸気で覆われているため、熱伝達は核沸騰に比べて小さい。すなわち蒸気膜内の熱伝導による膜を隔てた静かな安定な沸騰形態である。蒸発により水滴中の塩濃度が上昇して塩が飽和濃度を超えた場合、塩の析出が始まる。水滴は伝熱面と接触しておらず、蒸気膜とのみ接触している。そのため、塩は宙に浮いた状態で析出し、塩と伝熱面の密着性は著しく低い。すなわちこの状態では塩は伝熱面に密着していない。一方遷移沸騰および核沸騰の温度条件では、伝熱面は部分的に沸騰している箇所と、沸騰していない箇所が存在する。沸騰していない箇所では、水滴と伝熱面が接触している。水が蒸発するに伴い、水滴中の塩濃度が上昇する。塩が飽和濃度を超えた段階で、塩の析出が始まる。水滴は伝熱面と接触しているため、塩は伝熱面に析出するため、塩と伝熱面の密着性は高い。すなわちこの状態では塩は伝熱面に密着している。以上より発熱抵抗体の温度が遷移沸騰および核沸騰の温度以下の条件では、塩が伝熱面に堆積して固着することになる。

上記従来技術では、センサ素子に有機系材料からなる撥水性または撥油性コーティングを設けることで、抵抗体に塩を含んだ水滴が接触し蒸発消滅したときに塩が堆積固着するのを防止することが試みられた。しかしながら、撥水性または撥油性コーティングを使用した場合、抵抗体の表面温度が高いと有機系材料からなる撥水性または撥油性コーティングの熱酸化劣化により、撥水および撥油効果が低下し、抵抗体の特性が変動する危険性がある。

本発明の目的は、発熱抵抗体の表面に接触した水滴に含まれる塩の堆積固着を防止することにより、発熱抵抗体の汚損や腐食を低減し、発熱抵抗体式空気流量計の測定精度の低下を低減することにある。

上記目的を達成するために、センサ表面に接触した水滴が例えば２００℃で膜沸騰により蒸発消滅する性質を有する撥水性または撥油性の半導体プロセスで使用される材料を薄膜ダイアフラムの最表面層の薄膜に採用し、例えば金属膜材料を発熱抵抗体に採用し、発熱抵抗体式空気流量センサの稼動時に発熱抵抗体の温度をセンサ表面に接触した水滴が膜沸騰で蒸発消滅する温度かそれ以上の温度に設定した。

また上記目的を達成するために、テトラエトキシシラン（Tetraethoxysilane，Ｓｉ(ＯＣ₂Ｈ₅)₄、以下ＴＥＯＳと称する）などを薄膜ダイアフラムの最表面層に採用し、金属膜としてＴａ，Ｍｏ．Ｔｉ，Ｗ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｆｅを薄膜ダイアフラムの発熱抵抗体に採用し、発熱抵抗体式空気流量計の稼動時に発熱抵抗体の温度をセンサ表面に接触した水滴が膜沸騰で蒸発消滅する温度かそれ以上の温度に設定した。

発熱抵抗体の表面に接触した水滴に含まれる塩の堆積固着を防止することにより、発熱抵抗体の汚損や腐食を低減し、発熱抵抗体式空気流量計の測定精度の低下を低減できる。

本発明を適用してなる発熱抵抗式流量センサに設けられた測定素子の一実施形態を示す図で、図１（ａ）はその概略平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａでの拡大断面図。 本発明を適用してなる発熱抵抗式流量センサに設けられた測定素子の一実施形態の概略構成を示す図。 高温面上の水滴が蒸発消滅するまでの寿命と表面温度の関係図。 発熱抵抗体の表面での塩の形態を表わす図。

以下、本発明に係わる実施例を説明する。

以下、本発明のダイアフラムセンサを適用してなる熱式流量センサを例に説明する。図１（ａ）は流量センサの測定素子１の概略平面図、図１（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａでの拡大断面図である。本実施例の熱式流量センサ測定素子１は、図１（ａ）に示すように、半導体基板２，発熱抵抗体３，上流側測温抵抗体４ａ，下流側測温抵抗体４ｂ，空気温度測温抵抗体５などで構成されている。矩形状の多結晶シリコン基板からなる半導体基板２の中央部下面には空洞部１０を有する薄膜ダイアフラム１０ａが形成されており、薄膜ダイアフラム１０ａ上に発熱抵抗体３，上流側測温抵抗体４ａ，下流側測温抵抗体４ｂが形成され、半導体基板２の薄膜ダイアフラム１０ａの外側に空気温度測温抵抗体５が形成されている。半導体基板２の薄膜ダイアフラム１０ａの外側には、発熱抵抗体３，上流側測温抵抗体４ａ，下流側測温抵抗体４ｂ，空気温度測温抵抗体５を外部の回路と電気的に接続するための端子９が形成されている。発熱抵抗体３，測温抵抗体４，空気温度測温抵抗体５は、各々複数回折り返して形成してもよい。なお抵抗体の構成は測定方式により異なり、ここではその一例を示している。マイクロヒータとして機能する発熱抵抗体３と測温抵抗体４ａ，４ｂと空気温度測温抵抗体５とは同様の膜構造を採用しても、個別の膜構成を採用してもよい。図１（ａ）に示した薄膜ダイアフラム１０ａの部分をＡ−Ａ線に沿って切断した図１（ｂ）で、発熱抵抗体３や測温抵抗体４ａ，４ｂは、下部薄膜である電気絶縁膜６，７および上部薄膜である電気絶縁膜８とにより挟まれている。

上記構成の発熱抵抗式空気流量測定装置２０は、図２に示すように測定素子１を支持する支持体２１、そして外部回路などを備えている。測定素子１は、電子制御燃料噴射装置の吸気通路２２内部にある副通路２３内に配置され、外部回路は、吸気通路２２の外壁面に設置されている。発熱抵抗体３及び測温抵抗体４ａ，４ｂは、電源管理回路２５，発熱抵抗体加熱制御回路（以下制御回路と記す）２６，出力調整回路２７等からなる電子回路と電気的に接続されている。発熱抵抗体３の加熱温度は、制御回路２６により測温抵抗体４ａ，４ｂが検出する吸気温度とほぼ一定温度差になるよう制御されており、従って、発熱抵抗体３から吸入空気２４への放熱量により、吸入空気流量を検出可能なものである。また、上流側の測温抵抗体の温度が低くなる特性を利用して、空気流の方向が検知できる。発熱抵抗式空気流量測定装置２０の流量検出方式は、加熱ヒータとそれにより加熱された温度検出抵抗により検出するものなど他の方式もあるが、本発明はどの方式も同様であるため個々の方式での説明は割愛する。この発熱抵抗式空気流量測定装置には、電源と接続する電源端子２８，流量信号を出力する流量出力端子２９ａ，吸気温度信号を出力する温度出力端子２９ｂ及びグランド端子２９ｃを有し、外部機器と電気的に接続されている。

発熱抵抗式空気流量測定装置２０の発熱抵抗体３は、流量計測中、すなわちエンジン駆動中は加熱制御されている。発熱抵抗体の加熱温度と吸気温度は一定温度差であるため、吸気温度（外気温度）が低い場合（例えば寒冷地）は発熱抵抗体の表面温度は相対的に低くなる。

発熱抵抗式空気流量測定装置２０は、発熱抵抗体３の加熱温度を、機種により異なるものの、通常、制御回路２６により発熱抵抗体３が吸気温度より２００℃高くなるように制御される。吸気温度は−４０〜１２０℃を対象としていることから、発熱抵抗体の表面温度は１６０〜３２０℃に設定されていることになる。発熱抵抗体３の温度が３２０℃の場合、従来技術として述べた発熱抵抗体に設けた撥水性かつ撥油性の保護コーティングは熱劣化して、撥水性かつ撥油性効果が低下し、発熱抵抗体の特性が変動する危険性がある。高温で有機系の撥水性かつ撥油性の保護コーティングを分解消失させる従来技術も報告されているが、吸気温度が−４０〜１２０℃の範囲で変動する環境では、保護コーティングの不十分な分解消失で、かえって発熱抵抗体の特性が変動する危険性が考えられる。

以上説明したところによれば、次の発熱抵抗式流量計が構成される。内燃機関に吸入される空気の流量を検出のために表面温度が設定される発熱抵抗体と、発熱抵抗体と電気的に接続され、前記発熱抵抗体からの放熱量あるいは検出温度により吸入空気の流量に応じた信号を出力する電子回路を有する発熱抵抗式流量測定装置において、センサ表面に接触した水滴が低温（例えば２００℃）で膜沸騰により蒸発消滅する性質を有する撥水性または撥油性材料を薄膜ダイアフラムの最表面層の薄膜に採用し、高温（例えば３４０℃）環境で使用できる薄膜材料を発熱抵抗体薄膜に採用し、発熱抵抗体式空気流量センサの稼動時に発熱抵抗体の温度をセンサ表面に接触した水滴が膜沸騰で蒸発消滅する温度かそれ以上の温度に設定する。

ここで、センサ表面に接触した水滴が低温（例えば２００℃）で膜沸騰により蒸発消滅する性質を有する撥水性または撥油性材料、および高温（例えば３６０℃）環境で使用できる薄膜材料について説明する。

まずセンサ表面に接触した水滴が低温（例えば２００℃）で膜沸騰により蒸発消滅する性質を有する撥水性または撥油性材料について説明する。図３に、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン），ＳｉＯ₂の高温面上に３％ＮａＣｌの水滴１０μｌ滴下したときの水滴が消滅するまでの寿命と表面温度の関係を示す。ＴＥＯＳ上の液滴は、常温では明確な撥水性を示していないが、表面温度が高くなるに従い対流，核沸騰，遷移沸騰で蒸発消滅し、２００℃以上で膜沸騰により蒸発消滅する。２００℃以上では、表面と水滴の間は完全に蒸気で隔てられているため、水滴は回転楕円体状のまま静止した。このように発熱抵抗体の温度が膜沸騰の温度以上である場合、発熱抵抗体の表面が撥水性または撥油性である場合と同等以上に、水滴は付着せず水膜は形成されない。また水滴が発熱抵抗体の凹部に停留しても、発熱抵抗体の表面と水滴の間は完全に蒸気で隔てられている。図４（ａ）に発熱抵抗体３の表面での塩の形態を示す。ここで水滴３０中が蒸発消滅しても、塩３１は発熱抵抗体３の表面に堆積固着することなく塊状に析出する。この塊状の塩３１は、発熱抵抗体３の表面から浮いた状態で析出しているため、吸入空気の流れで吹き飛ばされる。発熱抵抗体３の温度が膜沸騰以下の温度の場合は、水滴が発熱抵抗体表面に濡れて所定の接触角でもって付着した状態、水膜３０の状態で対流または核沸騰または遷移沸騰により水分が蒸発消滅する。この場合、図４（ｂ）に示すように水膜３０は蒸発する過程で塩３１と発熱抵抗体は接触しているため、発熱抵抗体３に塩３１は堆積固着する。この場合、吸入空気の流れで吹き飛ばすことは難しい。一方、ＳｉＯ₂上の液滴は、常温では明確な撥水性を示していないが、表面温度が高くなるに従い対流、核沸騰、遷移沸騰で蒸発消滅し、３００℃以上で膜沸騰により蒸発消滅する。３００℃以上では、表面と水滴の間は完全に蒸気で隔てられているため、水滴は回転楕円体状のまま静止した。以上のように発明者等は、ＴＥＯＳは、ＳｉＯ₂同様に常温では明確な撥水性を示していないが、２００℃付近から撥水性かつ撥油性を示すこと、すなわちＳｉＯ₂よりも１００℃低い温度で撥水性かつは撥油性を示すことを見出した。なお保護コーティングを用いた場合、膜沸騰状態になることは期待できる。しかし前述のように保護コーティングの熱劣化により撥水性かつ撥油性効果が低下し、発熱抵抗体の特性が変動する危険性が考えられる。

ＴＥＯＳなど２００℃付近で撥水性かつ撥油性を示す材料を薄膜ダイアフラムの差異表面層の薄膜に採用することにより、塩付着による特性変動を低減できる。しかしながら発熱抵抗体の材料によっては、２００℃で抵抗経時変化する危険性が考えられる。そこで次に高温環境で使用できる薄膜材料について説明する。

通常、高温環境での発熱抵抗体の抵抗経時変化の観点から、制御回路２６により測温抵抗体４が検出する吸気温度より１００〜２００℃高くなるように制御される。吸気温度は−４０〜１２０℃を対象としていることから、従来製品の発熱抵抗体の表面温度は１６０〜３２０℃または６０〜２２０℃に設定されている。この温度では、ＳｉＯ₂はもちろんＴＥＯＳでも稼動時に撥水性かつ撥油性を示さない。高温（例えば３５０℃）環境で使用できる発熱抵抗体として、金属膜としてＰｔ，Ｔａ，Ｍｏ．Ｔｉ，Ｗ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｆｅなどを採用した。例えば制御回路２６により測温抵抗体４が検出する吸気温度より３００℃高くなるように制御した場合、吸気温度は−４０〜１２０℃を対象としていることから、本発明の発熱抵抗体の表面温度は２６０〜４２０℃に設定できる。この設定温度で、センサ表面に接触した水滴が低温（例えば２００℃）で膜沸騰により蒸発消滅する性質を有する撥水性または撥油性材料としてＴＥＯＳを薄膜ダイアフラムの最表面層の薄膜に採用すれば、自動車が使用されるいかなる環境でも、発熱抵抗体に集中して塩が堆積して固着することはない。

このように、センサ表面に接触した水滴が例えば２００℃で膜沸騰により蒸発消滅する性質を有する撥水性または撥油性材料を薄膜ダイアフラムの最表面層の薄膜に採用し、例えば３００℃以上の高温環境で使用できる材料を発熱抵抗体に採用し、発熱抵抗体式空気流量センサの稼動時に発熱抵抗体の温度をセンサ表面に接触した水滴が膜沸騰で蒸発消滅する温度かそれ以上の温度に設定することにより、塩付着による特性変動と共に抵抗経時変化による特性変動を低減できる。

１ 熱式流量センサ測定素子
２ 半導体基板
３ 発熱抵抗体
４ａ 上流側測温抵抗体
４ｂ 下流側測温抵抗体
５ 空気温度測温抵抗体
６，７，８ 電気絶縁膜
１０ 空洞
１０ａ 薄膜ダイアフラム
２１ 支持体
２２ 吸気通路
２３ 副通路
２５ 電源管理回路
２６ 発熱抵抗体加熱制御回路
２７ 出力調整回路
２８ 電源端子
２９ａ，２９ｂ 出力端子
２９ｃ グランド端子
３０ 水滴
３１ 塩

Claims (2)

1. 半導体基板と、半導体基板上に形成された電気絶縁膜と、電気絶縁膜上に形成されたヒータを構成する抵抗体と、抵抗体の本体部が形成された領域に対応する半導体基板部分を除去して形成した空洞部とを備え、抵抗体本体部が形成された領域を空洞部により薄肉部とした計測素子を有する発熱抵抗式空気流量測定装置において、
   センサ表面に接触した水滴が膜沸騰で蒸発消滅する温度かそれ以上の温度で撥水性または撥油性を示す薄膜材料を金属膜からなる発熱抵抗体を含む薄膜ダイアフラムの最表面に形成し、稼動時に発熱抵抗体の温度をセンサ表面に接触した水滴が膜沸騰で蒸発消滅する温度かそれ以上の温度に設定し、前記薄膜材料は、テトラエトキシシランであり、発熱抵抗体式空気流量測定装置の稼動時に前記発熱抵抗体の温度を２００℃以上の温度に設定したことを特徴とする発熱抵抗式空気流量測定装置。
2. 請求項１に記載の発熱抵抗式空気流量測定装置において、
   前記金属膜は、Ｔａ膜，Ｍｏ膜，Ｔｉ膜，Ｗ膜，Ｃｏ膜，Ｎｉ膜，Ｎｂ膜，Ｈｆ膜，Ｃｒ膜，Ｚｒ膜またはＦｅ膜のいずれかであることを特徴とする発熱抵抗式空気流量測定装置。

Images