JP5178598B2 - 熱式流量計 - Google Patents
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Description
本発明は、被計測流体中に発熱抵抗体を設置し流量を測定する熱式流量計に係り、特に、自動車の内燃機関の吸入空気流量や排ガス流量の測定に好適な熱式流量計に関わる。
自動車などの内燃機関の吸入空気量を検出する空気流量計として、質量流量を直接測定できる熱式の空気流量計が主流になっている。
近年では、マイクロマシン技術を用いてシリコン（Ｓｉ）などの半導体基板上に熱式流量計のセンサ素子を製造するものが提案されている。このような半導体タイプのセンサ素子は、半導体基板の一部を矩形状に除去した空洞部を形成し、この空洞部に形成した数ミクロンの電気絶縁膜上に発熱抵抗体を形成している。発熱抵抗体の大きさは数百ミクロンと微細であり、薄膜状に形成されることから、熱容量が小さく高速応答・低消費電力化が可能である。また、発熱抵抗体の近傍の上下流に温度センサ（測温抵抗体）を形成し、発熱抵抗体の上下流の温度差から流量を検出する温度差方式により、順流と逆流の判別も可能である。
自動車などの内燃機関に上記のような空気流量計を搭載して過酷な環境条件において長期間使用する場合、センサ素子の汚損に対する信頼性を確保することが重要である。熱式流量計を長期間吸入空気流に晒した場合、センサ素子の空洞部上の電気絶縁膜にカーボンなどの浮遊性粒子が熱泳動効果により堆積し、計測精度が損なわれる。このような汚損に対応した従来技術としては、特許文献１に記載されたものがある。
特許文献１に記載の技術は、電気絶縁膜上の発熱抵抗体の加熱温度と、発熱抵抗体の端部から空洞部上の電気絶縁膜の端部までの距離を規定し、前記発熱抵抗体の端部から上流側の電気絶縁膜の端部までの温度分布が緩やかに変化するようにしている。これにより、熱泳動現象による汚損物の堆積が緩和される。
しかし、特許文献１のような構成により対策する場合、発熱抵抗体の加熱温度を低く設定するか、空洞部を広げ薄膜部を拡大することが必要である。発熱抵抗体の加熱温度を低く設定すると、被計測流体の流れにより生じる発熱抵抗体の上下流の温度差が小さくなり流量の検出感度が低下してしまう。また、空洞部を広げる場合、薄膜部の面積が拡大し強度が低下するという課題がある。
本発明の目的は、自動車などの内燃機関に搭載し、過酷な汚損環境にて長期間使用した場合でも、センサ素子の発熱抵抗体が形成される薄膜部にカーボンなどの浮遊性粒子の堆積を防止することができ、高感度な熱式流量計を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明の熱式流量計は、内燃機関の吸気管路内に設置し前記吸気管路内を流れる吸気の一部を採り込む通路と、前記通路内に配置され被計測流体の流量を計測するセンサ素子とを備え、前記センサ素子が半導体基板と、前記半導体基板に形成された空洞部と、前記空洞部上に電気絶縁膜を介して形成された発熱抵抗体とを有し、前記発熱抵抗体から被計測流体に放熱することにより前記内燃機関の吸気の流量を計測する熱式流量計において、前記センサ素子上を流れる流体の流れ方向に対して垂直方向における前記発熱抵抗体の長さをＬｈとし、前記センサ素子上を流れる流体の流れ方向における前記発熱抵抗体の上流側端部から前記空洞部の周縁までの最近接距離をＷｄ、被計測流体の流れ方向に対して垂直方向における前記発熱抵抗体の端部から前記空洞部の周縁までの最近接距離をＬｄとするとき、ＬｈとＷｄとの関係をＷｄ≧０.５Ｌｈとし、ＬｈとＬｄとの関係がＬｄ≧０.５Ｌｈとしたものである。
また、被計測流体の流れ方向に対して垂直方向における前記発熱抵抗体の端部から前記空洞部の周縁までの最近接距離をＬｄとするとき、ＬｈとＬｄとの関係をＬｄ≧０.４Ｌｈにするとよい。好ましくはＬｈとＬｄとの関係をＬｄ≧０.５Ｌｈにするとよい。こうすることで、発熱抵抗体の加熱温度を上げることにより、カーボンなどの浮遊性微粒子の付着がより低減される構成となる。
従来技術では、発熱抵抗体の加熱温度を上げると熱泳動効果が促進され付着量が増大するが、上記の構成とすることで浮遊性微粒子の付着を抑制できるので、発熱抵抗体の加熱温度を上げセンサ素子の流量検出感度を向上することが容易になる。また、発熱抵抗体を小型にできることから消費電力を小さくできセンサ素子を低電力で駆動することが可能である。
また、ＷｄとＬｄとの関係はＬｄ≧Ｗｄであるとよい。これにより、より効果的に浮遊性微粒子の付着を抑制できる。さらに、電気絶縁膜３ｂに浮遊性微粒子が付着することにより発熱抵抗体５から半導体基板２への熱伝導が増加するが、電気絶縁膜３ｂへの浮遊性微粒子の付着を低減できるので、発熱抵抗体５から半導体基板２への熱伝導を低減することができ、低消費電力化が可能である。
また、前記発熱抵抗体の上流側と下流側とにそれぞれ形成された測温抵抗体を備え、被計測流体の流れ方向に対して垂直方向における前記測温抵抗体の長さが被計測流体の流れ方向に対して垂直方向における前記発熱抵抗体の長さ以下であるとよい。これにより、空洞部（ダイアフラム）上の温度分布は発熱抵抗体の中心がピーク温度になることから、上流側の側温抵抗体と下流側の側温抵抗体の長さを短くし、発熱抵抗体の中心付近に集約することにより、流量計測感度を向上することができる。また、被計測流体の流れ方向が傾くなどの偏流が発生したことによる浮遊性微粒子の付着箇所の変化などに対する計測精度の悪化を低減することができる。
前記空洞部は被計測流体の流れ方向に沿うように形成された短辺と前記短辺に垂直な長辺とを有する長方形に形成され、前記発熱抵抗体は前記長辺に沿う方向に延設されると共に延設方向の端部で折り返すことによって前記電気絶縁膜上に平行に並んだ複数の抵抗体部分を有し、前記抵抗体部分の延設方向における長さを平行に並んだ前記複数の抵抗体部分の全幅よりも大きくするとよい。
前記発熱抵抗体の加熱温度が被計測流体の温度よりも２００℃以上高くなるように加熱制御するとよい。これにより、自動車などの内燃機関に使用するオイルが吸入空気中に混入した場合でも、オイルを蒸発させることができ、オイルなどの付着によるカーボンなどの付着の促進を抑制することができる。
さらに、本発明の熱式流量計は、内燃機関の吸気管路内に設置し前記吸気管路内を流れる吸気の一部を採り込む通路と、前記通路内に配置され流量を計測するセンサ素子とを備え、前記センサ素子は、半導体基板と、前記半導体基板に形成された空洞部と、前記空洞部上に電気絶縁膜を介して形成された発熱抵抗体と、前記流れ方向における前記発熱抵抗体の上流側と下流側とに設けられ前記空洞部上に位置するように前記電気絶縁膜上に形成された測温抵抗体とを有し、前記空洞部は前記流れ方向に沿うように形成された短辺と前記短辺に垂直な長辺とを有する長方形に形成され、前記発熱抵抗体は、前記長辺に沿う方向に延設され、延設方向の端部で折り返すことによって前記電気絶縁膜上に平行に並んだ複数の抵抗体部分を有すると共に、前記抵抗体部分の延設方向における長さの方が平行に並んだ前記複数の抵抗体部分の全幅よりも大きくなるように形成され、前記測温抵抗体は、前記流れ方向に対して垂直方向における長さが前記流れ方向に対して垂直方向における前記発熱抵抗体の長さ以下に形成され、前記流れ方向に対して垂直方向の前記発熱抵抗体の長さをＬｈとし、前記流れ方向における前記発熱抵抗体の上流側端部から前記空洞部の周縁までの最近接距離をＷｄとし前記流れ方向に対して垂直方向における前記発熱抵抗体の端部から前記空洞部の周縁までの最近接距離をＬｄとするとき、ＬｈとＷｄとの関係がＷｄ≧０.５Ｌｈであり、ＬｈとＬｄとの関係がＬｄ≧０.５Ｌｈであるとよい。
本発明によれば、熱泳動効果によるカーボンなどの浮遊性微粒子が付着することを防止することができ信頼性を向上できるとともに、高感度で低消費電力な熱式流量センサを提供できる。
以下、本発明に係る実施例について説明する。
本発明に係る第１の実施例について以下説明する。
本実施例による熱式流量計のセンサ素子１の構成を図１，図２により説明する。図１は、センサ素子１を示す平面図である。また図２は、図１におけるＸ−Ｘ′線に沿った断面図を示す。センサ素子１の基板２は、シリコンやセラミックなどの熱伝導率の良い材料で構成される。そして、基板２上に電気絶縁膜３ａを形成し、基板２を裏面からエッチングすることで空洞部を形成しダイアフラム４を形成する。
ダイアフラム４上の電気絶縁膜３ａの中心付近の表面には発熱抵抗体５を形成する。発熱抵抗体５の周囲に発熱抵抗体５の加熱温度を検出する加熱温度センサ８が、発熱抵抗体５を取り巻くように形成される。発熱抵抗体５の温度を加熱温度センサ７で検出し、空気流６の温度に対して一定温度高くなるように加熱制御されている。さらに加熱温度センサ７の両側には上流側温度センサ８ａ，８ｂ，下流側温度センサ９ａ，９ｂを形成する。上流側温度センサ８ａ，８ｂは発熱抵抗体５よりも上流側，下流側温度センサ９ａ，９ｂは発熱抵抗体５よりも下流側に配置する。センサ素子１の最表面は電気絶縁膜３ｂによって覆われ、電気絶縁膜３ｂは電気的絶縁を行うほか、保護膜として働く。ダイアフラム４の外部の電気絶縁膜３ａ上には、空気流６の温度に応じて抵抗値が変化する感温抵抗体１０，１１，１２を配置する。
これらの発熱抵抗体５，加熱温度センサ７，上流側温度センサ８ａ，８ｂ，下流側温度センサ９ａ，９ｂ，感温抵抗体１０，１１，１２は温度によって抵抗値が変化する比較的抵抗温度係数が大きい材料で形成する。例えば、不純物をドープした多結晶シリコンや単結晶シリコンなどの半導体材料、また白金，モリブデン，タングステン，ニッケル合金などの金属材料などで形成すると良い。また、電気絶縁膜３ａ，３ｂは二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）や窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）により約２ミクロン厚の薄膜状に形成し、熱絶縁効果が十分に得られる構造とする。
上記のように、発熱抵抗体５，加熱温度センサ７，上流側温度センサ８ａ，８ｂ，下流側温度センサ９ａ，９ｂも、感温抵抗体１０，１１，１２と同様に、感温抵抗体である。
さらにセンサ素子１の端部には、発熱抵抗体５，加熱温度センサ７，上流側温度センサ８ａ，８ｂ，下流側温度センサ９ａ，９ｂ，感温抵抗体１０，１１，１２を構成する各抵抗体を駆動・検出回路と接続するための電極が形成された電極パッド部１３を設ける。尚、電極はアルミなどで形成する。
本発明の実施例である熱式流量計は、以下のように動作する。
図２に示したセンサ素子１の断面構成と共に示した温度分布１４はセンサ素子１の表面温度の分布である。温度分布１４の実線は無風時のダイアフラム４の温度分布を示す。発熱抵抗体５は、空気流６の温度よりもΔＴｈ高くなるように加熱する。温度分布１４の破線は、空気流６が発生したときのダイアフラム４の温度分布である。空気流６が発生することにより、発熱抵抗体５の上流側は空気流６により冷却され温度が下がり、下流側は発熱抵抗体５を通過し加熱された空気が流れることから温度が上がる。したがって、上流温度センサ８ａ，８ｂと下流温度センサ９ａ，９ｂとによって発熱抵抗体５の上下流の温度差ΔＴｓを測定することにより、流量が計測される。
次に、センサ素子１の駆動・検出回路について説明する。
図３に、センサ素子１の駆動・検出回路を示す。発熱抵抗体５の温度によって抵抗値が変化する加熱温度センサ７と感温抵抗体１０とからなる直列回路と、感温抵抗体１１と感温抵抗体１２とからなる直列回路とを並列に接続したブリッジ回路を構成し、各直列回路に基準電圧Ｖｒｅｆを印加する。これらの直列回路の中間電圧を取り出し、増幅器１５に接続する。増幅器１５の出力は、トランジスタ１６のベースに接続する。トランジスタ１６のコレクタは電源ＶＢに接続し、エミッタは発熱抵抗体５に接続し、フィードバック回路を構成する。これにより、発熱抵抗体５の温度Ｔｈは空気流６の温度Ｔａに対して一定温度ΔＴｈ（＝Ｔｈ−Ｔａ）高くなるように制御される。
そして、上流温度センサ８ａと下流温度センサ９ａとからなる直列回路と、下流温度センサ９ｂと上流温度センサ８ｂとからなる直列回路とを並列に接続したブリッジ回路を構成し、各直列回路に基準電圧Ｖｒｅｆを印加する。空気流により上流温度センサ８ａ，８ｂと下流温度センサ９ａ，９ｂとに温度差が発生すると、ブリッジ回路の抵抗バランスが変化して差電圧が発生する。この差電圧から増幅器１７によって空気流量に応じた出力が得られる。
次に、自動車などの内燃機関の吸気管路内にセンサ素子１、駆動・検出回路を実装した実施例を図４に示す。図４において、吸気管路１８の壁面から突出するようにベース部材１９を設ける。ベース部材１９には、吸気管路１８を流れる吸気２０の一部を取り込む副通路２１を形成する。副通路２１内に形成した矩形状の凹部に、センサ素子１を設置する。センサ素子１を設置する部分の副通路２１は流路を直線状とし、その上流側および下流側では流路を湾曲した形状とする。また、ベース部材１９には、センサ素子１の駆動・検出回路を搭載した回路基板２２が設けられ、金線ボンディングワイヤー２３によりセンサ素子１と回路基板２２を電気的に接続する。さらに、駆動回路の電源供給，出力信号の取り出しのための端子２４を設け、アルミボンディングワイヤー２５により回路基板２２と端子２４を電気的に接続する。
図５にセンサ素子１のダイアフラム４の近傍の拡大図を示す。
図５において、空気流６の流れ方向に対して垂直方向の発熱抵抗体５の長さをＬｈとする。また空気流６の流れ方向において発熱抵抗体５の上流側端部からダイアフラム４の上流側端部（辺４ｃ）までの最近接距離をＷｄとする。また、空気流６に対して垂直方向の発熱抵抗体５の端部からダイアフラム４の端部（辺４ｂ又は４ｄ）までの最近接距離をＬｄとする。これらＬｈ，Ｗｄ，Ｌｄの関係について本実施例ではＷｄ≧０.５ＬｈかつＬｄ≧０.５Ｌｈとなるように構成している。言い換えれば、発熱抵抗体５の外周からダイアフラム４の外周までの最近接距離Ｘｄが、少なくともＸｄ≧０.５Ｌｈになるように形成している。すなわち、発熱抵抗体５のＬｈは短くし、ダイアフラム４の幅及び長さは大きくなるように形成する。
ここで、発熱抵抗体５の領域は、ダイアフラム４上の発熱の主となる部分であり、図５に示した配線部３０ｉ，３０ｊのような幅広になる部位や、発熱抵抗体５に電気的に接続されていたとしても、流れる電流が著しく小さくなる抵抗体などは含まれない。或いは、図５に示した発熱抵抗体５のように、発熱の主となり、形状がＵ字やＭ字になるような１回または複数回の折り返しがある領域である。
また本実施例では、ダイアフラム４を辺４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄからなる四角形に形成している。すなわち、辺４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄはダイアフラム４の外周縁を構成する。特に、辺４ａ，４ｃを辺４ｂ，４ｄに対して長くした長方形にしている。長い辺４ａ，４ｃは空気の流れ方向を横切る方向に沿うように、また短い辺４ｂ，４ｄは空気の流れ方向に沿うように、ダイアフラム４を形成している。このとき、理想的には辺４ａ，４ｃは空気の流れ方向に対して垂直になり、辺４ｂ，４ｄは空気の流れ方向に平行になる。
発熱抵抗体５は長い辺４ａ，４ｃに沿う方向に延設し、延設方向（空気の流れ方向に対して垂直方向）の端部で折り返すことによって、電気絶縁膜３ａ上に平行に並んだ複数の抵抗体部分５ａ〜５ｄを有するように形成する。そして抵抗体部分５ａ〜５ｄの延設方向における長さＬｈを平行に並んだ複数の抵抗体部分５ａ〜５ｄの全幅Ｗ５よりも大きくする。
これにより、発熱抵抗体５の形状を適正化しつつ、ダイアフラム４の大きさを徒に大きくする必要が無い。そしてダイアフラム４を小さくできれば、ダイアフラム４の強度が低下するのを防ぐことができる。
上記の構成とした場合に、熱式流量計のセンサ素子１にカーボンなどの浮遊性微粒子が付着しにくくなる効果について、以下説明する。
図６は、発熱抵抗体を加熱制御したときのダイアフラム上の温度分布の形状を表すための等温線を示している。図６（ａ）は従来の構成、図６（ｂ）は本実施例による構成である。
図６（ａ）に示した従来の構成のダイアフラム２７上の温度分布は、発熱抵抗体２６の中心をピーク温度とした同心円状の温度分布を示す。また、発熱抵抗体２６の長さに沿った縦長の楕円形状をした等温線となる。このような形状をもったセンサ素子にカーボンなどの浮遊性微粒子が空気流によって運ばれてくると、発熱抵抗体２６の発熱により周辺の空気の熱運動が活発になって熱的な障壁ができ、発熱抵抗体２６の上流側のダイアフラム２７の端部に沿って微粒子の付着が起きる。さらに、発熱抵抗体２６の加熱温度を上げると熱泳動効果が高まり、微粒子の付着が促進する。
一方、図６（ｂ）に示した本実施例の構成におけるダイアフラム４上の温度分布は発熱抵抗体５の中心をピーク温度とした同心円状になるが、その等温線の形状は真円に近い。このような形状をもったセンサ素子にカーボンなどの浮遊性微粒子が空気流によって運ばれてくると、浮遊性微粒子は発熱抵抗体５の発熱による熱的な障壁に当たり、その後、発熱抵抗体５を回避するように、すなわち空気流に対して垂直方向の発熱抵抗体５の端部側を回りこむように流れる。これは、従来構成に比べ本実施例のダイアフラム４上の上流側の等温線の曲率が大きいためである。従来構成においても、空気流に対して垂直方向の発熱抵抗体２６の端部付近では、浮遊性微粒子の周り込みがあり熱的な障壁を回避できるが、ほとんどの浮遊性微粒子は発熱抵抗体２６による熱的な障壁に阻まれてしまうため、ダイアフラム２７の上流側の端部付近に停滞し付着してしまう。
また、Ｌｄ≧０.５Ｌｈとすることにより、浮遊性微粒子がヒータ５から離れた場所を通過するため、ヒータ５付近への付着を低減することが可能になる。
以下、ディーゼルエンジンの排気ガスの流れの中に熱式流量計を設置し、排気ガス中のカーボンやオイルなどによるセンサ素子の汚損状態を実験した結果について説明する。熱泳動現象による上流側のダイアフラム端部への浮遊性微粒子の付着は、被計測流体の流速が比較的低いときに付着する。このことから、本実験に用いたディーゼルエンジンはアイドリング状態とした。このときの被計測流体の流速はおよそ１.５ｍ／secである。また、熱式流量計を排ガス中に晒した時間は１時間である。この実験によりセンサ素子は、実際に自動車の吸気管に熱式流量計を設置し数万km走行した場合のセンサ素子の汚損状態と似た状態に汚損される。
図７は、上記実験によりダイアフラムに付着した浮遊性微粒子の分布の概略図を示す。図７（ａ）は、従来のダイアフラム部の構成において、発熱抵抗体の加熱温度（ΔＴｈ）を１００℃に設定したときの浮遊性微粒子の付着形状である。発熱抵抗体２６の上流側のダイアフラム２７の端部への付着が最も多い（図中の２８（ａ））。また、ダイアフラム２６の全方向の端部に沿ってに薄く付着している（図中の２８（ｂ））。図中の２８（ａ）への付着は、発熱抵抗体２６の加熱による熱泳動効果による付着が支配的であり、図中２８（ｂ）はダイアフラム２７周辺の浮遊性微粒子の拡散によるもの支配的である。
図７（ｂ）は本実施例のダイアフラム部の構成において、発熱抵抗体の加熱温度（ΔＴｈ）を１００℃に設定したときの浮遊性微粒子の付着形状である。本実施例の構成では、浮遊性微粒子の付着は、ダイアフラム４の端部に沿った図中２８（ｃ）部に薄く付着しており拡散による付着が支配的である。従来の構成で顕著であった熱泳動効果による発熱抵抗体５の上流側のダイアフラム４の端部への付着が低減されている。
図７（ｃ）は、本実施例のダイアフラム部の構成において、発熱抵抗体５の加熱温度（ΔＴｈ）を３００℃に設定したものである。本発明の構成では、ΔＴｈを上げても熱泳動効果による付着は促進されない。また、ΔＴｈを上げたことにより、ダイアフラム４上の空気の熱運動が活発になることにより、ダイアフラム４周辺から発熱抵抗体４へ向かう浮遊性微粒子の拡散が低減され、ダイアフラム４周辺部の付着域が外側に退く効果が得られる。また、ディーゼルエンジンなどの排ガス中にはオイルが含まれており、オイルが付着することによいカーボンなどの微粒子がさらに付着しやすくなるが、発熱抵抗体５の加熱温度ΔＴｈをあげ、オイルを２００℃以上に加熱することによりオイルが蒸発し、浮遊性微粒子の付着がさらに低減される。
また、本実施例の構成においては浮遊性微粒子の拡散が支配的となることから、発熱抵抗体５からダイアフラム４の端部までの距離を大きくとる（Ｌｄ，Ｗｄを大きくとる）ことによって、拡散によるダイアフラム４周辺の浮遊性微粒子の付着領域から発熱抵抗体５までの距離を遠ざけることができ、さら浮遊性微粒子の付着により生じる熱式流量センサの計測誤差を低減することができる。
図８は、上記実験の汚損によって生じた熱式流量計の計測誤差の比較を示す。浮遊性微粒子の付着によりダイアフラム２６の温度分布が変化した場合、特に低流量域における熱式流量計の計測誤差に影響する。理由は、低流量域では空気流による上流温度センサ８ａ，８ｂと下流温度センサ９ａ，９ｂの温度差が微小であるためである。このことから、図８に示した流量計測誤差は、空気流の流速が１.５ｍ／ｓ程度での実験結果である。また、図８に示した測定点（ａ），（ｂ），（ｃ）は、図７におけるセンサ素子のダイアフラム形状（ａ），（ｂ），（ｃ）を用いた実験結果に対応している。また、グラフの横軸は、ダイアフラム４のＸｄ／Ｌｈである。Ｘｄはこれらのダイアフラム形状において、発熱抵抗体からダイアフラム端部まで最近接距離となる値である。
図８において、従来の構成を用いた場合の計測誤差を示す測定点（ａ）は１５％のプラス誤差となる。これは、熱泳動効果により空気流に対して上流側のダイアフラム２６の端部の汚損が大きいためであり、発熱抵抗体２６の上流側に形成した上流側温度センサ８ａ，８ｂの温度が低下したためである。一方、本実施例での構成を用いた場合の計測誤差を示す測定点（ｂ）は、わずかにマイナス誤差に変化するが従来の構成に比べ十分小さい値である。
また、汚損によって生じた計測誤差とＸｄ／Ｌｈとの関係を見ると、Ｘｄ／Ｌｈがおよそ０.４以下と汚損による計測誤差が急激に増大する。このことから、汚損による計測誤差を±５％以下とするには、Ｘｄ／Ｌｈを０.４以上に設定することが必要である。
また、Ｘｄ／Ｌｈが０.５以下では計測誤差がプラス誤差に、Ｘｄ／Ｌｈがおよそ０.５以上では計測誤差がマイナス誤差になる。これは、計測誤差がプラス誤差となる範囲では、空気流に対して上流側のダイアフラム端部への浮遊性微粒子の付着が大きく熱泳動効果による汚損が支配的であることを意味する。計測誤差がマイナス誤差となる範囲では、浮遊性微粒子の拡散や周り込みによりダイアフラム下流側への付着が上流側にくらべ相対的に大きくなる。しかし、拡散などによる微粒子の付着厚さは熱泳動効果の場合にくらべ薄いことから計測誤差への影響も小さい。
また、Ｘｄ／Ｌｈがおよそ０.５となるときは、ダイアフラム４に付着した微粒子が発熱抵抗体５の上流側と下流側とで同程度になる。この場合、微粒子の付着によるダイアフラム４上の温度変化は、発熱抵抗体４の上流側と下流側とで対称になり、上流温度センサ８ａ，８ｂと下流温度センサ９ａ，９ｂの温度差は変化しない。そのため、浮遊性微粒子の付着により発生する計測誤差が小さくなる。したがって、本実施例の構成は、発熱抵抗体の上流側と下流側の温度差を検出する少なくとも一対の測温抵抗体が前記発熱抵抗体の上流側と下流側に形成され、前記一対の測温抵抗体の温度差を用いて被計測流体の流量を計測する熱式流量センサに適用することにより特に効果が得られる。
図８の測定点（ｃ）は、本実施例の構成を用い発熱抵抗体５の加熱温度（ΔＴｈ）を３００℃に上げた場合の計測誤差である。また測定点（ｄ）は従来の構成において発熱抵抗体の加熱温度（ΔＴｈ）を２００℃に上げた場合の計測誤差である。測定点（ｄ）に示すように従来の構成において発熱抵抗体の加熱温度（ΔＴｈ）を上げると、熱泳動効果による浮遊性微粒子の付着がいっそう増大し計測誤差が大きくなる。一方、測定点（ｃ）に示すように本実施例の構成において発熱抵抗体の加熱温度（ΔＴｈ）を上げると計測誤差が小さくなることがわかる。すなわち、Ｘｄ／Ｌｈが０.５以下では、ΔＴｈを上げると熱泳動効果の影響が増大し、Ｘｄ／Ｌｈが０.５以上ではΔＴｈを上げても熱泳動効果の影響を受けることがない。
以上の結果から、本実施例の構成のように発熱抵抗体５の外周からダイアフラム４の外周までの最近接距離Ｘｄとし、空気流に対し垂直方向の発熱抵抗体５の長さをＬｈとしたとき、Ｘｄ／Ｌｈが０.５以上になることで、熱泳動現象による浮遊性微粒子の付着を抑制でき、発熱抵抗体５の加熱温度を上げ流量計測感度を向上することができる。さらに望ましくは、センサ素子の製造バラツキや空気流の乱れなどのバラツキを考慮して、Ｘｄ／Ｌｈを０.６以上にすると良い。
さらに望ましくは、図５において、上流側温度センサ８ａ，８ｂと下流側温度センサ９ａ，９ｂの被計測流体に対して垂直方向の最大長さＬｓが、発熱抵抗体５の長さＬｈよりも短くなるように設定する。これにより、ダイアフラム４の空気流に対して垂直方向の端部付近に付着した微粒子から、上流側温度センサ８ａ，８ｂ，下流側温度センサ９ａ，９ｂを遠ざけることができ、より浮遊性微粒子の付着の影響を低減することができる。また、ダイアフラム４上の温度分布は発熱抵抗体５の中心がピーク温度になることから、上流側温度センサ８ａ，８ｂと下流側温度センサ９ａ，９ｂの長さを短くして発熱抵抗体５の中心付近に集約することにより、流量計測感度を向上することができる。また、被計測流体の流れ方向が傾くなどの偏流が発生したことによるカーボンなどの浮遊性微粒子の付着箇所の変化などに対する計測精度の悪化を低減することができる。
ダイアフラム４の形状を、発熱抵抗体５の長手方向、すなわち空気の流れ方向に垂直な方向の辺を長くした長方形とすることにより、発熱抵抗体５の形状を適正化しつつ、ダイアフラム４の大きさを徒に大きくする必要が無い。このとき、Ｘｄ／Ｌｈを０.４以上、好ましくは０.５以上、更に好ましくは０.６以上にすれば、浮遊性微粒子の付着の影響を低減できることが分かったので、Ｘｄを最低でもこの関係を満たす範囲のできるだけ小さい値に選定することにより、ダイアフラム４の強度が低下するのを防ぐことができる。
また、基板２の大きさは有限であり、ダイアフラム４を広くすると強度的に問題がるので、Ｘｄ／Ｌｈの上限値は無限大ということは有り得ず、有限な値に収まる。すなわち、Ｘｄ／Ｌｈの上限値は基板２の大きさや強度的な問題から決まる設計的な事項であり、各センサ素子毎に適宜適当な値を採用し得るものである。
図９は、本発明の第２の実施例である熱式流量センサ素子１のダイアフラム４の拡大図である。図５の第１の実施例と異なるのは、発熱抵抗体３２の中央部が、空気流６の方向に膨らんだ形状としたことである。これにより、発熱抵抗体３２の形状が略十字または略円形となり、ダイアフラム４の温度分布が発熱抵抗体３２の中心をピークとしたより円形の温度分布にすることができる。円形の温度分布になることにより、カーボンなどの浮遊性微粒子の付着を防止することができる。
図１０は、本発明の第３の実施例である熱式流量センサ素子１のダイアフラム３１の拡大図である。図５の第１の実施例と異なるのは、空気流の方向に対してダイアフラム３１の上流側端部と下流側端部の中央が膨らむ形状になっていることである。これにより、ダイアフラム３１の形状が略円形となり、ダイアフラム３１上の温度分布が発熱抵抗体３２の中心をピークとしたより円形の温度分布にすることができる。円形の温度分布になることにより、カーボンなどの浮遊性微粒子の付着を防止することができる。
次に、第１〜３実施例のセンサ素子１の製造方法に関して説明する。
基板としては、単結晶ケイ素（Ｓｉ）などの半導体基板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法などにより所定の厚さ約１μｍの電気絶縁膜３ａ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法などにより積層する。
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などの方法により、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５，７，８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂ，１０，１１，１２と配線部３０ａ〜３０ｎが得られる。
その後工程では、保護膜として電気絶縁膜３ｂを電気絶縁膜３ａ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法などにより形成する。
次に、外部回路との接続のための端子となる端子電極が電極パッド部１３に保護膜３ｂを除去し、アルミニウム，金などで形成される。また、各抵抗体と端子を接続するための配線部３０ａ〜３０ｎを、多結晶ケイ素（Ｓｉ）半導体薄膜とアルミニウム，金などの多層膜構成としてもかまわない。
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）など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洞２９を形成して、ダイアフラム４を形成する。
以上の工程により、センサ素子１が完成する。
上記各実施例では、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、白金などの金属材料を用いた場合でも同様の効果が得られる。
また、発熱抵抗体５として、ダイアフラム部４上に略Ｍ字状としたが、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。
また、上記各実施例では、発熱抵抗体５の上下流に配した二対の測温抵抗体８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂ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。
また、上記各実施例では、発熱抵抗体５の周囲に配した加熱温度センサ７の抵抗変化により発熱抵抗体５の温度を検出し、発熱抵抗体５の加熱温度を制御する方式としたが、直接発熱抵抗体５の抵抗変化から発熱抵抗体５の温度を検出し、発熱抵抗体５の加熱温度を制御する方式としても同様な効果が得られる。
また、上記各実施例では、発熱抵抗体５の上下流に配した温度センサ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５の加熱電流や抵抗変化から流量および方向を計測する方式においても、同様の効果が得られる。
上述した実施例を要約すると、以下の構成を有する。
被計測流体を採り込む通路２１と、通路２１内に配置され被計測流体の流量を計測するセンサ素子１とを備え、センサ素子１が半導体基板２と、半導体基板２に形成された空洞部２９と、空洞部２９上に電気絶縁膜３ａを介して形成された発熱抵抗体５とを有し、発熱抵抗体５から被計測流体に放熱することにより被計測流体の流量を計測する熱式流量計において、被計測流体の流れ方向６に対して垂直方向における発熱抵抗体５の長さをＬｈとし、被計測流体の流れ方向における発熱抵抗体５の上流側端部から空洞部２９の周縁２９ａ（ダイアフラムの外周縁４ａ）までの最近接距離をＷｄとするとき、ＬｈとＷｄとの関係をＷｄ≧０.４Ｌｈとしたものである。こうすることで、発熱抵抗体５の加熱温度を上げることにより、カーボンなどの浮遊性微粒子の付着がより低減される構成となる。好ましくはＬｈとＷｄとの関係をＷｄ≧０.５Ｌｈにするとよい。
また、被計測流体の流れ方向６に対して垂直方向における発熱抵抗体５の端部から空洞部２９の周縁２９ａ（４ａ）までの最近接距離をＬｄとするとき、ＬｈとＬｄとの関係をＬｄ≧０.４Ｌｈとする。好ましくはＬｈとＬｄとの関係をＬｄ≧０.５Ｌｈにするとよい。こうすることで、発熱抵抗体５の加熱温度を上げることにより、浮遊性微粒子の付着がより低減される構成となる。
従来技術では、発熱抵抗体の加熱温度を上げると熱泳動効果が促進され付着量が増大するが、上記の構成とすることで浮遊性微粒子の付着を抑制できるので、発熱抵抗体５の加熱温度を上げセンサ素子１の流量検出感度を向上することが容易になる。また、発熱抵抗体５を小型にできることから消費電力を小さくできセンサ素子１を低電力で駆動することが可能である。
また、ＷｄとＬｄとの関係をＬｄ≧Ｗｄとする。これにより、より効果的に浮遊性微粒子の付着を抑制できる。さらに、電気絶縁膜３ｂに浮遊性微粒子が付着することにより発熱抵抗体５から半導体基板２への熱伝導が増加するが、電気絶縁膜３ｂへの浮遊性微粒子の付着を低減できるので、発熱抵抗体５から半導体基板２への熱伝導を低減することができ、低消費電力化が可能である。
また、発熱抵抗体５の上流側と下流側とにそれぞれ形成された測温抵抗体８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂを備え、被計測流体の流れ方向６に対して垂直方向における測温抵抗体８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂの長さＬｓが被計測流体の流れ方向６に対して垂直方向における発熱抵抗体５の長さＬｈ以下である。これにより、空洞部２９（ダイアフラム４）上の温度分布は発熱抵抗体５の中心がピーク温度になることから、上流側の側温抵抗体８ａ，８ｂと下流側の側温抵抗体９ａ，９ｂの長さを短くし、発熱抵抗体５の中心付近に集約することにより、流量計測感度を向上することができる。また、被計測流体の流れ方向６が傾くなどの偏流が発生したことによる浮遊性微粒子の付着箇所の変化などに対する計測精度の悪化を低減することができる。
空洞部２９は被計測流体の流れ方向６に沿うように形成された短辺４ｂ，４ｄと短辺４ｂ，４ｄに垂直な長辺４ａ，４ｃとを有する長方形に形成され、発熱抵抗体５は長辺４ａ，４ｃに沿う方向に延設されると共に延設方向の端部で折り返すことによって電気絶縁膜３ａ上に平行に並んだ複数の抵抗体部分５ａ〜５ｄを有し、抵抗体部分５ａ〜５ｄの延設方向における長さＬｈを平行に並んだ複数の抵抗体部分５ａ〜５ｄの全幅Ｗ５よりも大きくする。
発熱抵抗体５の加熱温度が被計測流体の温度よりも２００℃以上高くなるように加熱制御することにより、自動車などの内燃機関に使用するオイルが吸入空気中に混入した場合でも、オイルを蒸発させることができ、オイルなどの付着によるカーボンなどの付着の促進を抑制することができる。
さらに、本発明に係る熱式流量計は、被計測流体を採り込む通路２１と、通路２１内に配置され被計測流体の流量を計測するセンサ素子１とを備え、センサ素子１は、半導体基板２と、半導体基板２に形成された空洞部２９と、空洞部２９上に電気絶縁膜３ａを介して形成された発熱抵抗体５と、被計測流体の流れ方向６における発熱抵抗体５の上流側と下流側とに設けられ空洞部２９上に位置するように電気絶縁膜３ａ上に形成された測温抵抗体８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂとを有し、空洞部２９は被計測流体の流れ方向６に沿うように形成された短辺４ｂ，４ｄと短辺４ｂ，４ｄに垂直な長辺４ａ，４ｃとを有する長方形に形成され、発熱抵抗体５は、長辺４ａ，４ｃに沿う方向に延設され、延設方向の端部で折り返すことによって電気絶縁膜３ａ上に平行に並んだ複数の抵抗体部分５ａ〜５ｄを有すると共に、抵抗体部分５ａ〜５ｄの延設方向における長さＬｈの方が平行に並んだ複数の抵抗体部分５ａ〜５ｄの全幅Ｗ５よりも大きくなるように形成され、測温抵抗体８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂは、被計測流体の流れ方向６に対して垂直方向における長さが被計測流体の流れ方向に対して垂直方向における発熱抵抗体５の長さ以下に形成され、被計測流体の流れ方向６に対して垂直方向の発熱抵抗体５の長さをＬｈとし、被計測流体の流れ方向６における発熱抵抗体５の上流側端部から空洞部２９の周縁２９ａ（４ａ）までの最近接距離をＷｄとし、被計測流体の流れ方向６に対して垂直方向における発熱抵抗体５の端部から空洞部２９の周縁２９ａ（４ａ）までの最近接距離をＬｄとするとき、ＬｈとＷｄとの関係をＷｄ≧０.４Ｌｈとし、ＬｈとＬｄとの関係をＬｄ≧０.４Ｌｈとする。
１ センサ素子
２ 基板
３ａ，３ｂ 電気絶縁膜
４，３１ ダイアフラム
５，３２ 発熱抵抗体
６ 空気流
７ 加熱温度センサ
８ａ，８ｂ 上流側温度センサ
９ａ，９ｂ 下流側温度センサ
１０，１１，１２ 感温抵抗体
１３ 電極パッド部
１４ 温度分布
１５，１７ 増幅器
１６ トランジスタ
１８ 吸気管路
１９ ベース部材
２０ 吸気
２１ 副通路
２２ 回路基板
２３ 金線ボンディングワイヤー
２４ 端子
２５ アルミボンディングワイヤー
２６ 従来の発熱抵抗体
２７ 従来のダイアフラム
２８ 浮遊性微粒子の付着部
２９ 空洞部
３０ａ〜ｎ 配線部
２ 基板
３ａ，３ｂ 電気絶縁膜
４，３１ ダイアフラム
５，３２ 発熱抵抗体
６ 空気流
７ 加熱温度センサ
８ａ，８ｂ 上流側温度センサ
９ａ，９ｂ 下流側温度センサ
１０，１１，１２ 感温抵抗体
１３ 電極パッド部
１４ 温度分布
１５，１７ 増幅器
１６ トランジスタ
１８ 吸気管路
１９ ベース部材
２０ 吸気
２１ 副通路
２２ 回路基板
２３ 金線ボンディングワイヤー
２４ 端子
２５ アルミボンディングワイヤー
２６ 従来の発熱抵抗体
２７ 従来のダイアフラム
２８ 浮遊性微粒子の付着部
２９ 空洞部
３０ａ〜ｎ 配線部
Claims (6)
- 内燃機関の吸気管路内に設置し前記吸気管路内を流れる吸気の一部を採り込む通路と、前記通路内に配置され流体の流量を計測するセンサ素子とを備え、前記センサ素子が半導体基板と、前記半導体基板に形成された空洞部と、前記空洞部上に電気絶縁膜を介して形成された発熱抵抗体とを有し、前記発熱抵抗体から被計測流体に放熱することにより前記内燃機関の吸気の流量を計測する熱式流量計において、
前記センサ素子上を流れる流体の流れ方向に対して垂直方向における前記発熱抵抗体の長さをＬｈとし、前記センサ素子上を流れる流体の流れ方向における前記発熱抵抗体の上流側端部から前記空洞部の周縁までの最近接距離をＷｄ、被計測流体の流れ方向に対して垂直方向における前記発熱抵抗体の端部から前記空洞部の周縁までの最近接距離をＬｄとするとき、ＬｈとＷｄとの関係がＷｄ≧０.５Ｌｈであり、ＬｈとＬｄとの関係がＬｄ≧０.５Ｌｈであることを特徴とする熱式流量計。 - 請求項１に記載の熱式流量計において、ＷｄとＬｄとの関係がＬｄ≧Ｗｄであることを特徴とする熱式流量計。
- 請求項１または２に記載の熱式流量計において、前記発熱抵抗体の上流側と下流側とにそれぞれ形成された測温抵抗体を備え、被計測流体の流れ方向に対して垂直方向における前記測温抵抗体の長さが被計測流体の流れ方向に対して垂直方向における前記発熱抵抗体の長さ以下であることを特徴とする熱式流量計。
- 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の熱式流量計において、前記空洞部は被計測流体の流れ方向に沿うように形成された短辺と前記短辺に垂直な長辺とを有する長方形に形成され、前記発熱抵抗体は前記長辺に沿う方向に延設されると共に延設方向の端部で折り返すことによって前記電気絶縁膜上に平行に並んだ複数の抵抗体部分を有し、前記抵抗体部分の延設方向における長さが平行に並んだ前記複数の抵抗体部分の全幅よりも大きいことを特徴とする熱式流量計。
- 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の熱式流量計において、前記発熱抵抗体の加熱温度が被計測流体の温度よりも２００℃以上高くなるように加熱制御されることを特徴とする熱式流量計。
- 内燃機関の吸気管路内に設置し前記吸気管路内を流れる吸気の一部を採り込む通路と、前記通路内に配置され流体の流量を計測するセンサ素子とを備え、
前記センサ素子は、半導体基板と、前記半導体基板に形成された空洞部と、前記空洞部上に電気絶縁膜を介して形成された発熱抵抗体と、前記流体の流れ方向における前記発熱抵抗体の上流側と下流側とに設けられ前記空洞部上に位置するように前記電気絶縁膜上に形成された測温抵抗体とを有し、
前記空洞部は前記流体の流れ方向に沿うように形成された短辺と前記短辺に垂直な長辺とを有する長方形に形成され、
前記発熱抵抗体は、前記長辺に沿う方向に延設され、延設方向の端部で折り返すことによって前記電気絶縁膜上に平行に並んだ複数の抵抗体部分を有すると共に、前記抵抗体部分の延設方向における長さの方が平行に並んだ前記複数の抵抗体部分の全幅よりも大きくなるように形成され、
前記測温抵抗体は、前記流れ方向に対して垂直方向における長さが前記流体の流れ方向に対して垂直方向における前記発熱抵抗体の長さ以下に形成され、
前記流体の流れ方向に対して垂直方向の前記発熱抵抗体の長さをＬｈとし、前記流体の流れ方向における前記発熱抵抗体の上流側端部から前記空洞部の周縁までの最近接距離をＷｄとし、前記流体の流れ方向に対して垂直方向における前記発熱抵抗体の端部から前記空洞部の周縁までの最近接距離をＬｄとするとき、ＬｈとＷｄとの関係がＷｄ≧０.５Ｌｈであり、ＬｈとＬｄとの関係がＬｄ≧０.５Ｌｈであることを特徴とする熱式流量計。
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