JP5210491B2 - 熱式流量センサ - Google Patents

Description

本発明は、温度依存性を有する発熱抵抗体（感温抵抗体）を用いて空気などの被測定流体の流量を検出する熱式流量センサに関する。

熱式流量センサは、被測定流体により熱が奪われる発熱抵抗体と温度補償抵抗体との温度差が一定の温度差を保持するように、発熱抵抗体に流れる電流を制御する。この電流制御を行うために、発熱抵抗体および温度補償抵抗体を含むブリッジ回路と、そのブリッジ回路の中点電位差が零になるように制御する駆動回路（作動増幅回路、トランジスタ）を備える。

熱式流量センサは、質量流量を直接測定できることから、例えば自動車用エンジンの吸入空気流量を計測するセンサとして好適である。さらに、シリコンなどの半導体基板上に、発熱抵抗体、温度補償用の抵抗体などの感温抵抗体を、マイクロマシン技術を用いて微細加工する基板型の熱式流量センサが知られている。このシリコン基板型の熱式流量センサは、小型、低消費電力、低コストであることから注目されている。

シリコン基板型の熱式流量センサは、例えば特開2004-012358号公報や特開2004-340936号公報に記載されている。

特開2004-012358号公報 特開2004-340936号公報

前記公報に記載のものは、前記ブリッジ回路のすべての抵抗を同一基板内に同一の材料の抵抗体で形成している。これにより、ブリッジ回路を構成する抵抗体は同じ特性である。これらの抵抗体は、条件が同じであれば、同じ比率で経時変化するためブリッジ回路のバランスは変化しない。したがって、長期間測定精度を維持することができる。

しかしながら、熱式流量センサは、ブリッジ回路を構成する抵抗体のうち、一つが高温で発熱する発熱抵抗体であり、残りの抵抗体（感温抵抗体）は、略常温で使用されるものである。発熱抵抗体は使用につれて熱劣化し、残りの抵抗体に較べて劣化しやすく、センサの特性が変化する。発熱抵抗体の劣化により、ブリッジバランスが変化する。このような現象は、抵抗体の温度差制御の誤差ひいては流量測定精度の低下につながる。

特開2004-340936号公報記載のセンサでは、発熱抵抗体の近傍に配置した感温抵抗体を用いて発熱抵抗体の温度を検出し、その検出値に基づき発熱抵抗体の温度を制御している。この場合、前記温度検出用の感温抵抗体は、発熱抵抗体よりも低い温度になるため、この感温抵抗体の熱劣化を低減することができる。しかし、この構成では、発熱抵抗体から感温抵抗体への熱伝達遅れが生ずるため、その分だけ応答が遅くなる。また、駆動回路に基準電源を用いるため基準電源の変動の影響を受ける。

また、センサの特性変化の要因として、実装部材の応力の影響がある。多くの熱式流量センサは、接着剤によりセンサ素子を固定している。また、センサ素子から電気信号を取り出すためのワイヤーボンディングを保護するためにエポキシ樹脂などの封止剤が用いられている。

これらの接着剤や封止剤は、周囲の温度変化により膨張・収縮し、センサ素子に応力を発生させる。センサ素子に応力が発生すると、センサ素子上に形成した抵抗体に応力が加わり、抵抗値が変化する。さらに、発生する応力の程度は経時的に変化する。特にシリコンなど半導体で形成した抵抗体の場合、ピエゾ抵抗係数が大きく抵抗変化が大きい。このような抵抗変化は、測定精度の低下の原因になる。

本発明は、センサ素子の応答性を維持しつつ抵抗体の熱劣化を低減し、良好な測定精度を長期にわたり維持できる熱式流量センサを提供することにある。

本発明の熱式流量センサは、以下の手段により上記課題を解決する。
すなわち、発熱抵抗体の劣化による特性変動を低減するために、次のような熱式抵抗体の流量センサを提案する。

被測定流体の流量を、温度依存性を有する発熱抵抗体を用いて測定する熱式流量センサにおいて、複数の発熱抵抗体と、これらの発熱抵抗体に供給する発熱用の電流を制御する駆動回路とを備える。また、前記複数の発熱抵抗体は、被測定流体の流路に、被測定流体の流れ方向に配列されて設けられ、且つ配列の中心に位置する発熱抵抗体と、配列の中心より外側の位置にあって前記配列の中心にある発熱抵抗体より発熱温度の低い発熱抵抗体とが含まれている。さらに、前記複数の発熱抵抗体のうち、前記配列の中心より外側の位置にある発熱抵抗体は、感温抵抗体と共にブリッジ回路を形成し、前記配列の中心に位置する発熱抵抗体は、前記ブリッジ回路の外側で該ブリッジ回路と接続され、前記ブリッジ回路により前記配列の中心より外側の位置にある発熱抵抗体の抵抗の変化を検出し、前記駆動回路は、この抵抗変化の検出値にしたがって前記複数の発熱抵抗体への供給電流を制御する。

熱式流量センサは、発熱抵抗体を発熱させることにより、流量計測をする。発熱抵抗体は、高温に発熱するほど抵抗劣化が大きくなる。劣化を低減するために発熱抵抗体の発熱温度を低く設定すると、センサの感度が低下するため好ましくない。

これに対して、本発明は、複数の発熱抵抗体の中の発熱温度の低い抵抗体の抵抗変化を検出して発熱抵抗体全体の電流制御を行う。したがって、発熱抵抗体全体の発熱量は十分に確保しつつ、電流制御を行う比較的低温の発熱抵抗体の熱劣化を、長期にわたり抑制することができる。

配列された複数の発熱抵抗体は、温度分布を持ち、配列の中心部が高温で、外側（中心から外れた位置）は低温になる。したがって、発熱抵抗体の中心部ほど抵抗劣化が大きくなる。本発明の構成によれば、複数の発熱抵抗体のうち外側に位置する発熱温度の低い発熱抵抗体の抵抗変化（流量に応じた抵抗変化）を電気信号として取り出す。その信号に基づき複数の発熱抵抗体の供給電流を制御し、発熱抵抗体が温度制御される。なお、一つの発熱抵抗体の数箇所に電気信号を取り出す電極を形成し、温度の低い外側の一部分の発熱抵抗体の電気的出力を取り出す構成としても、上記と同じ効果が得られる。
上記の本発明に係る熱式流量計に用いる好ましい抵抗体回路の応用例として次のようなものを提案する。

第１の抵抗体と第２の抵抗体が含まれる第１の直列回路と、第３抵抗体と第４抵抗体が含まれる第２の直列回路と、前記第１の直列回路と前記第２の直列回路を並列に接続したブリッジ回路と、前記ブリッジ回路と並列或いは直列に接続される第５の抵抗体とを備える。これらのうちの、第１から第４の抵抗体のうちのいずれかと第５の抵抗体とを発熱抵抗体とする。また、前記ブリッジ回路における発熱抵抗体の抵抗値の変化を検出して、発熱抵抗体全体の発熱電流を制御する。

さらに詳述すれば、これら第１〜第５の抵抗体は、例えばシリコンなどの半導体からなる基板に形成される。この基板には、その一部を取り除くことで薄肉部が形成される。第１から第５の抵抗体は、抵抗温度係数を持つ材料であればいかなるものでも良く、具体的には、例えば、多結晶シリコン、単結晶シリコンなどの半導体や、白金などの金属を使用することができる。例えば、第１の抵抗体および第５の抵抗体は薄肉部に配置し、第２、第３、第４の抵抗体は、薄肉部から外れた基板上に配置する。さらに第１の抵抗体は、薄肉部上で第５の抵抗体の周辺に配置する。このような構成で電流を印加すると、第１の抵抗体と第５の抵抗体は、熱容量が小さい薄肉部に形成しているために、他の抵抗体よりも温度上昇が大きくなる。したがって、第１の抵抗体と第５の抵抗体は、主に発熱抵抗体として動作する。また、第１の抵抗体は、第５抵抗体の周辺に配置することから、第１の抵抗体は、第５の抵抗体より温度が低くなる傾向がある。すなわち、発熱抵抗体のうち、中央に位置する第５の抵抗体の領域が最も温度が高くなり、その周辺の発熱抵抗体領域は中央よりも熱が逃げやすいので温度が低くなる傾向がある。さらに、第１の抵抗体は、第５の抵抗体よりも発熱量が小さくなるように、抵抗値を設定すると、より第１の抵抗体と第５の抵抗体の温度差を大きくすることができる。第２、第３、第４抵抗体は、被測定流体の温度により抵抗値が変化する。なお、この構成において、薄肉部に配置する抵抗体は、第１の抵抗体と第５の抵抗体に限られるものではなく、第２の抵抗体と第５の抵抗体を薄肉部に配置しても同様な構成である。この場合、第２の抵抗体と第５の抵抗体が主に発熱抵抗体として動作し、第１、第３、第４の抵抗体は、主に被測定流体の温度を検知する。

または、上記回路においてこれらの第１、第４、第５の抵抗体をセンサ素子の薄肉部に配置する。この場合、第１、第４の抵抗体は、第５の抵抗体の周辺に配置する。この場合には、第１、第４、第５の抵抗体が主に発熱抵抗体として動作し、第２、第３抵抗体が被測定流体の温度を検出する。

薄肉部に配置する抵抗体は第１、第４、第５の抵抗体に限られるものではなく、第２、第３、第５の抵抗体を薄肉部に配置しても同様な構成である。この場合、第２、第３、第５の抵抗体が主に発熱抵抗体として動作し、第１と第４の抵抗体が主に被測定流体の温度を検出する。
さらには、上記構成において、センサ素子上で、薄肉部から外れて配置される抵抗体、すなわち、ブリッジ回路に含まれて被測定流体の温度を検出する複数の抵抗体は、センサ素子上のほぼ同じ位置に集約して配置することで高精度化が図れる。
さらにセンサの高精度化を必要とする場合、ブリッジ回路内に調整用として用いる第６の抵抗体を以下のように設ける。センサ素子上に、第１の抵抗体と第２の抵抗体を含む第１の直列回路と、第３の抵抗体と第６の抵抗体と第４の抵抗体を含む第２の直列回路を備え、前記第１の直列回路と前記第２の直列回路を並列に接続したブリッジ回路とする。さらには、これらの抵抗体はすべて同一の材料でセンサ素子上に形成され、センサ素子上で電気的に接続する。
なお、ここで、本発明を構成するものではないが、本発明に関連する技術を併せて説明する。
まず、センサ素子に応力が加わる場合の特性変動を低減する構成について説明する。

熱式流量センサのセンサ素子は、半導体基板に金属やシリコンを材料として抵抗体を形成する。特にシリコン（多結晶シリコン・単結晶シリコン）で抵抗体を形成した場合、抵抗体のピエゾ抵抗係数が大きくなり、半導体基板に応力が加わると、抵抗体の抵抗値が変化してしまう。

このような応力が加わる形態としては、次のようなものが考えられる。

センサ素子の基板には、例えばアルミで電極パッドが形成される。電極パッドに金線などによってワイヤーボンディングし、センサ素子の電気的出力を取りだす。このような電極パッドや金線は腐食しやすく強度が不十分であることから、樹脂などの保護剤で覆う。そうすると、保護剤の膨張・収縮によってセンサ素子の基板に応力が発生する。また、センサ素子を実装するための部材の変形により、保護剤を通じてセンサ素子に応力が発生する。

上記のような課題に対処するためには、基板上に形成する抵抗体と電極パッドとを基板上で互いに離れた位置に配置する。また、センサ素子上に形成する抵抗体と電極パッドの間に、応力の伝達を緩和する薄肉部を形成する。以下、これらの具体的態様について説明する。

四角形の基板上に、抵抗体と、前記抵抗体の電気的信号を基板の外に取り出す電極パッドを形成して流量を計測するセンサ素子において、前記センサ素子の短辺をＷ、長辺をＬとしたとき、前記抵抗体は、電極パッドからＷ／２以上離れた位置に形成する。ここでいう抵抗体は、抵抗の主となる部分を示し、抵抗体を配置するための配線や、電気信号を取り出す配線については規定しない。また、抵抗体でブリッジ回路を構成する場合、電極パッドからＷ／２以上離れた位置で抵抗体を結線するのが好ましい。また、基板上に薄肉部を形成し、この薄肉部に抵抗体を形成する構成において、電極パッドからＷ／２以上離れた位置に薄肉部を形成するのが好ましい。

または、基板における抵抗体を形成している領域と電極パッドとの間に、基板の一部を取り除いた凹部（例えば溝）を形成する。
さらに、基板上に形成する抵抗体は、基板の長さ方向（“Ｌ”の方向）に電流が通流する帯状の抵抗体Ｒ１と、幅方向（“Ｗ”の方向）に電流が通流する帯状の抵抗体Ｒｗの合成抵抗とし、ＲｌとＲｗの比率を以下のようにする。

Ｒｗ：Ｒｌ＝πｔ：πｌ
ここで、πｌ、πtは、ピエゾ抵抗係数である。πｌは、抵抗体に通流する方向と並行な方向に加わる応力によって抵抗値が変化するときの抵抗変化率である。πtは、抵抗体に通流する方向と垂直な方向に加わる応力によって抵抗値が変化するときの抵抗変化率である。

上記のような構成とすることにより、発熱抵抗体の劣化による特性変化を低減し、長期にわたって測定精度を保持した熱式流量センサが得られる。

本発明を適用してなる熱式流量センサの実施例を、図を参照して説明する。
（第１の実施例）
図１は本実施例における熱式流量センサのセンサ素子を示す概略平面図、図２は図１におけるＡ−Ａ断面、図３はＢ−Ｂ断面を示す概略図である。これらの図において、センサ素子１のベースは、単結晶シリコン（Ｓｉ）板のような半導体基板２よりなる。この半導体基板２には、半導体基板２の一方の面を異方性エッチングすることよって空洞部３が形成されている。この空洞部３の平面形状は四角形である。空洞部３の一方の面には、ダイアフラム（薄肉部）４が形成されている。ダイアフラム４は、半導体基板２の一方の面を覆う電気絶縁膜５により形成される。電気絶縁膜５は、熱酸化あるいはＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)処理により形成された二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる。

ダイアフラム４上には、発熱抵抗体６、７と、感温抵抗体１２a、１２b、１３ａ、１３ｂを形成している。基板２上のダイアフラム４から外れた場所には、感温抵抗体８、９、１０を形成している。これらの抵抗体は、すべて温度によって抵抗値が変化する材料、すなわち温度依存性を有する材料により形成している。このうち、発熱抵抗体６，７は、ダイアフラム（薄肉部）４上に配置されるために、そこに発生した熱は、外部に逃げにくい。したがって高温に発熱される。ダイアフラムから外れる他の抵抗体８、９、１０は、発生した熱が基板２を通して逃げやすく、比較的低温に維持される。感温抵抗体、８、９、１０は空気温度に感応する。上記すべての抵抗体の材料（発熱抵抗体、感温抵抗体）としては、例えば多結晶シリコンを用いる。多結晶シリコンは、ＣＶＤ等により電気絶縁膜５上に形成される。この多結晶シリコンをエッチングすることにより、所望の抵抗体パターンが形成される。

さらに、所望の抵抗値・抵抗温度係数になるように、多結晶シリコンにリン（Ｐ）を熱拡散またはイオン注入によりドーピングし、ｎ型の多結晶シリコンとしている。なお、本実施例の抵抗体は、多結晶シリコンで形成しているが、抵抗温度係数をもつ材料であればいかなるものでも良い。例えば、単結晶シリコン、白金などの金属で形成しても良い。これらの抵抗体を保護するために、電気絶縁膜５および抵抗体の上面に電気絶縁膜１１を形成している。電気絶縁膜１１は、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）をＣＶＤ等の方法で形成している。各抵抗体を駆動回路に接続するためのアルミ電極１５ａ〜１５ｄ、１６ａ〜１６ｈを形成している。

発熱抵抗体６及び７は、空気流１４の方向に並んで配列される。発熱抵抗体６は、その配列の中央に設けられる。発熱抵抗体７は、発熱抵抗体６の三方を囲むようにパターン形成されている。すなわち、発熱抵抗体７は、配列の中心から外れた位置にある。本実施例では、この発熱抵抗体７の抵抗変化を検出し、この抵抗変化の検出値にしたがって複数の発熱抵抗体６および７への供給電流を制御する。この電流を供給するための駆動回路については、図４を用いて後述する。

感温抵抗体１２ａ，１２ｂと１３ａ，１３ｂは、発熱抵抗体６、７の左右両側に配置され、その配列は、図１の空気流方向１４に一致する。空気流方向１４は、エンジンの吸気管（図示せず）の空気取り入れ口からエンジン（図示せず）に向かう方向である。すなわち、感温抵抗体１２ａ，１２ｂは、発熱抵抗体６、７の直ぐ上流に配置され、感温抵抗体１３ａ，１３ｂは、発熱抵抗体の直ぐ下流に配置される。

半導体基板２の裏面には、凹部例えば溝１７ａ、１７ｂを形成している。これらの溝は、前記抵抗体（６−１０、１２ａ，１２，１３ａ，１３ｂ）の形成領域と前記電極（１５ａ−１５ｆ、１６ａ−１６ｈ）の形成領域との間に並んで設けられている。溝１７ａ，１７ｂは、空洞３と同様に異方性エッチングにより形成される。

図４（ａ）に、センサ素子１を駆動するための駆動回路２１を示す。発熱抵抗体７と感温抵抗体８、９、１０によりブリッジ回路を構成する。ブリッジ回路は、発熱抵抗体７（第１の抵抗体）と感温抵抗体８（第２の抵抗体）が含まれるアーム（第１の直列回路）と、感温抵抗体９（第３の抵抗体）と感温抵抗体１０（第４の抵抗体）が含まれるアーム（第２の直列回路）とを並列接続してなる。このブリッジ回路と並列に発熱抵抗体６（第５の抵抗体）が接続される。発熱抵抗体７と感温抵抗体８の中間電圧と、感温抵抗体９と感温抵抗体１０の中間電圧は、差動増幅回路１９に入力される。

差動増幅回路１９は、上記ブリッジ回路の中間電圧差が零になるようにトランジスタ２０を介してブリッジ回路に流れる電流（特に発熱抵抗体７に流れる発熱電流）をフィードバック制御する。この場合、発熱抵抗体６にもブリッジ回路との抵抗比に応じて電流が供給制御されている。したがって、発熱抵抗体全体（発熱抵抗体６と発熱抵抗体７）には、十分な発熱量を得るための発熱電流がトランジスタ２０を介して供給される。

発熱抵抗体６および７は、発熱電流により温度上昇し、温度に応じて抵抗値が変化する。空気流量により変化する発熱抵抗体７の温度を、ブリッジ回路により検出し、発熱抵抗体７と感温抵抗体８〜９との温度差が一定温度ΔＴとなるように制御される。

発熱抵抗体７の抵抗値をＲ７、感温抵抗体８の抵抗値をＲ８、感温抵抗体９の抵抗値をＲ９、感温抵抗体１０の抵抗値をＲ１０とする。なお、Ｒ７、Ｒ８、Ｒ９、Ｒ１０は、電流を印加（加熱）していないときの抵抗値である。そうすると、発熱抵抗体７の温度は下式のように決まる。

ここで、ΔＴは、発熱抵抗体７と感温抵抗体８、９、１０との温度差である。感温抵抗体８、９、１０は、被測定流体の温度を検出する。したがって、（１）式は、発熱抵抗体７の温度が被測定流体の温度よりもΔＴ（℃）高くなることを示す。（１）式のαは発熱抵抗体７の抵抗温度係数であり、本実施形態では多結晶シリコンの抵抗温度係数を示す。

図５は、発熱抵抗体６および発熱抵抗体７に電流を供給して発熱させた時のダイアフラム３の温度分布を示す。発熱抵抗体７は発熱抵抗体６の周辺に配置しているため、発熱抵抗体６の温度Ｔ１にくらべ発熱抵抗体７の温度Ｔ２は低くなる。本実施形態では、発熱抵抗体７の抵抗変化をブリッジ回路で検出する構成である。したがって、発熱抵抗体７の温度は比較的低く抵抗劣化が小さく、ブリッジ回路の抵抗比（Ｒ８／Ｒ７）の変動が低減する。発熱抵抗体６は高温になり、抵抗劣化が大きくなるが、ブリッジ回路の抵抗比には影響しない。したがって、長期間発熱温度を一定に保つことができる。

さらに、発熱抵抗体６は発熱抵抗体７よりも消費電力（熱容量）が大きくなるように抵抗値を設定すれば、発熱抵抗体６と発熱抵抗体７の温度差が大きくなり、より効果がある。

また、発熱抵抗体７に流れる発熱電流を直接検知して発熱抵抗体の温度制御を行うことから、起動時の温度上昇時間が短縮し、かつ既述した特開2004-340936号公報記載の方式にくらべ高速応答である。また、駆動回路に基準電源を使用しないので、基準電源の電圧変化により誤差が発生するといった問題を回避することができる。

感温抵抗体１２ａ、１２ｂおよび１３ａ、１３ｂは、空気流方向１４における発熱抵抗体６、７の両側（上流、下流）の温度差を検出し、被測定流体の流量に応じた電気信号を出力する。流体が流れると、発熱抵抗体６，７の熱的影響により、発熱抵抗体の上流側の感温抵抗体１２ａ、１２ｂよりも下流側の感温抵抗体１３ａ、１３ｂの方が、温度が高くなり、且つ流量が増大するにつれてその温度差が大きくなる。以上は、順流の場合であるが、逆流の場合には、感温抵抗体１３ａ、１３ｂが上流側、感温抵抗体１２ａ、１２ｂが下流側になり、温度差が従流の場合に比べて逆転する。本実施例では、この現象を利用して、流量を検出する。

図１に感温抵抗体１２ａ、１２ｂおよび１３ａ、１３ｂの平面形状を示す。

感温抵抗体１３ａ、１３ｂは、感温抵抗体１２ａ、１２ｂと同一形状で、発熱抵抗体６および７を中心に左右対称に配置される。

図４（ｂ）に上記感温抵抗体１２ａ、１２ｂおよび１３ａ、１３ｂの駆動回路を示す。

例えば、被測定流体がセンサ素子１上を矢印１４方向に流れると、感温抵抗体１２ａ、１２ｂは温度が低下し抵抗値が下がり、逆に感温抵抗体１３ａ、１３ｂは温度が上昇し抵抗値が上がる。図４（ｂ）に示した回路は、感温抵抗体１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂでブリッジ回路を構成している。このブリッジ回路に基準電圧Ｖｒｅｆを印加することによって、被測定流体に応じた抵抗変化から差動出力が得られる。この差動出力が流量検出信号となる。

本実施形態によれば、感温抵抗体１２ａ、１２ｂおよび１３ａ、１３ｂは、発熱抵抗体６および７により形成された熱に感応するので、センサ感度を良好に維持することができる。しかも、発熱抵抗体６，７の電流制御は、温度の低い方（熱劣化の少ない方）の発熱抵抗体７を用いて行われるので、センサのヒータ制御ひいては測定上の性能低下を低減することができる。

本実施形態における発熱抵抗体の駆動回路は、図６に示すように、ブリッジ回路の発熱抵抗体７と感温抵抗体８の位置、および感温抵抗体９と感温抵抗体１０との位置を図１の実施例と逆にする回路構成としても良い。

本実施形態において、発熱抵抗体７、感温抵抗体８、９、１０、その他の感温抵抗体抵抗は、半導体基板２上にすべて多結晶シリコンで形成している。発熱抵抗体７と感温抵抗体８の線幅は同じで、折れ曲がりの角度・個数も同一である。また、感温抵抗体９と感温抵抗体１０においても同一材料で、線幅、折れ曲がりの角度・個数を等しくしている。同一の材料で形成していることから、材料の抵抗値に製造ばらつきが発生しても、ブリッジ回路の抵抗比は変動しない。また、同一線幅、同一の折れ曲がり個数とする。そうすることでオーバーエッチングなどにより抵抗体の線幅が小さくなっても、これらの抵抗体はほぼ同様にオーバーエッチングされ同じ線幅になることから、抵抗比の変動は小さい。

図７はセンサ素子１（半導体基板２）を、実装用の基板２２に搭載する場合の実施形態を示す。実装基板２２上には、既述したセンサ素子１と、それを駆動する駆動回路２１を搭載している。図７においては、センサ素子１および駆動回路２１の詳細については、省略している。センサ素子１と駆動回路２１を電気的に接続するには、センサ素子１上に形成したアルミ電極１５ａ〜１５ｄおよび１６ａ〜１６ｈ（図１参照）と駆動回路２１の電極とを金線などに用いてワイヤーボンディング２３をする。また、ワイヤーボンディング２３はエポキシなどの封止剤２４で覆い保護する。

図８は図７におけるＣ−Ｃ断面を示す。実装基板２２には、センサ素子１を設置するための凹部８０が形成されている。センサ素子１は実装基板２２に、シリコーン接着剤などの接着剤２５で接着される。接着剤２５は、センサ素子１の一部分に塗布し、センサ素子１は片持ち状態になる。封止剤２４は、ワイヤーボンディング２３を覆い隠すように塗布する。

熱式流量センサの使用につれて、アルミ電極１５ａ〜１５ｄおよび１６ａ〜１６ｈとワイヤーボンディング２３との接触部が劣化し接触抵抗が増加する。本実施形態では、発熱抵抗体７、感温抵抗体８、９、１０で構成したブリッジ回路は、測定素子１の半導体基板２上で結線し（図１および図４（ａ）の結線部１０１〜１０４を参照）、ブリッジ回路内にワイヤーボンディングの接触抵抗が入らない。したがって、ワイヤーボンディングが劣化し接触抵抗が増加したとしても、ブリッジバランスは全く変化しない。このような結線構造も、流量センサが長期にわたってブリッジバランスを良好な状態に維持するので、良好な発熱抵抗体の定温度制御を長期にわたり持続することができる。

上記のようなセンサ素子１の実装構造において、接着剤２５や封止剤２４の熱膨張・熱収縮によりセンサ素子１には、応力が発生する。このような応力に対する配慮がない場合には、センサ素子１上に形成した感温抵抗体（発熱抵抗体を含む）の抵抗値が変化する。センサ素子１の裏面に設けた溝１７ａ、１７ｂは、このような応力を緩和する機能をなす。

すなわち、溝１７ａ、１７ｂは、図８に示すように、接着剤２５の流れ出しを防止する効果があり、接着剤２５が溝１７ｂよりも先に流れ出さない。また、接着剤２５を安定した形状でセンサ素子１の裏面に塗布することができる。さらに、溝１７ａ、１７ｂは、封止剤２４や接着剤２５から発生する応力を緩和し、センサ素子１上の抵抗体に伝わる応力を低減する。実施形態では、溝１７ａと１７ｂの２つの溝を例示するが、溝を一つとしてもよく、また溝を２つ以上形成しても良い。

上記、溝１７ａ、１７ｂを形成することにより、特にセンサ素子１の長さ方向（図１の上下方向）の応力を低減することができる。センサ素子１の幅方向（図１の左右）方向の応力に対してはセンサ素子１上に形成する感温抵抗体を下記のような形状とすることで解決する。

本実施形態における感温抵抗体１２ａ、１２ｂの平面形状を、図９に示す。なお、感温抵抗体１３ａ、１３ｂの平面形状も、感温抵抗体１２ａ、１２ｂと同一形状であり、図９において図示省略する。発熱抵抗体６および７を中心に左右対称である。

感温抵抗体１３ａ、１３ｂの形状は、図中Ｌ方向に電流が流れる帯状の抵抗体（Ｒｌ）と図中Ｗ方向に電流が流れる帯状の抵抗体（Ｒｗ）の合成抵抗である。ＲｌとＲｗの抵抗値は下記のようにする。

Ｒｗ：Ｒｌ＝|πt|：|πl|
ここで、πｌ、πｔは、ピエゾ抵抗係数である。抵抗体πｌに流れる電流の方向と並行な方向に加わる応力によって抵抗値が変化するときの抵抗変化率である。πｔは、抵抗体に流れる電流の方向と垂直な方向に加わる応力によって抵抗値が変化するときの抵抗変化率である。たとえばｎ型多結晶シリコンで抵抗体を形成した場合、πｌとπｔの関係は、
πｌ：πｔ＝−３：１
である。したがって、
Ｒｗ：Ｒｌ＝１：３
となるような形状にする。

上記形状の抵抗体に、Ｗ方向の応力σｗが加わった場合、Ｒｌの抵抗変化ΔＲｌと、Ｒｗの抵抗変化ΔＲｗは下式のようになる。

感温抵抗体１２ａの抵抗変化は、ΔＲｗ＋ΔＲｌ＝０となり、応力σｗによる抵抗変化は生じない。

上記のように、センサ素子１の長さ方向の応力は、センサ素子の裏面の溝で低減し、センサ素子１の幅方向の応力影響は、抵抗体や他の形状によって低減することができる。

本実施形態では、センサ素子１上のアルミ電極にワイヤーボンディングをすることによりセンサ素子１上の抵抗体と駆動回路を電気的に接続している。

本実施形態では、図４、図６に示したように、ブリッジ回路に並列に発熱抵抗体６を接続しているが、図１０に示すように、発熱抵抗体６をブリッジ回路とトランジスタ２０との間に直列に接続する回路構成でも良い。また、図１１に示すように発熱抵抗体６をブリッジ回路とグラウンドとの間に接続する回路構成としても良い。

換言すれば、図１０および図１１の実施例の発熱抵抗体駆動回路は、第１の抵抗体７と第２の抵抗体８が含まれる第１の直列回路と、第３の抵抗体９と第４の抵抗体１０が含まれる第２の直列回路と、前記第１の直列回路と前記第２の直列回路を並列に接続したブリッジ回路とを備え、第５抵抗体６をブリッジ回路に直列に接続してなる。

図１３にセンサ素子２６の駆動回路３５を示す。発熱抵抗体２９（第１の抵抗体）と感温抵抗体３３（第２の抵抗体）からなる第１の直列回路と、感温抵抗体３４（第３の抵抗体）と発熱抵抗体３０（第４の抵抗体）からなる直列回路によりブリッジ回路を構成する。また、発熱抵抗体２８（第５の抵抗体）を上記ブリッジ回路に並列に接続する。ブリッジ回路の差電圧は差動増幅器１９に入力される。差動増幅器１９の出力は、既述した実施形態同様にトランジスタ２０のベース電圧となりブリッジ回路に流れる発熱電流をフィードバック制御する。

本実施例では、発熱抵抗体２９（第１の抵抗体）と発熱抵抗体３０（第４の抵抗体）がブリッジ回路に組み込まれ、温度はほぼ同一になる。発熱抵抗体２８（第５の抵抗体）は、発熱抵抗体２９、３０よりも消費電力（発熱量）が大きくなるように抵抗値を設定する。これにより、発熱抵抗体２９、３０の発熱温度を比較的低くすることができるため、発熱抵抗体２９、３０の抵抗劣化か小さくなる。したがって、第１の実施例と同様に、発熱抵抗体の温度制御は、抵抗劣化が小さい発熱抵抗体２９、３０の電気的信号を検出して行うことから、長期間発熱温度を一定に保つことができる。

さらに、本実施例は、発熱抵抗体２９と発熱抵抗体３０の２つの温度情報により発熱抵抗体を制御していることから、検出感度が高く高精度な定温度制御が可能になる。 また、図１４に示すように、ブリッジ回路の感温抵抗体３３と発熱抵抗体３０の間をトランジスタ２０のエミッタと接続し、発熱抵抗体２９と感温抵抗体３４の間をグラウンド（GND）を接続する回路構成としても良い。

第１実施例では、発熱抵抗体のほかに、３つの感温抵抗体に発熱電流が流れ電力損失が生じていた。本実施例では、感温抵抗体は２つであることから、電力損失が２／３に低減する。

本実施形態では、図１３、図１４に示したように、ブリッジ回路に並列に発熱抵抗体２８（第５の抵抗体）を接続しているが、図１５に示すように、発熱抵抗体２８をブリッジ回路とトランジスタ２０との間に直列に接続する回路構成でも良い。また、図１６に示すように発熱抵抗体２８をブリッジ回路とグラウンドとの間に接続する回路構成としても良い。
（第４の実施例）
図１７は本実施例のセンサ素子３６の平面図を示す。センサ素子３６の製造方法は、第１実施例と同様である。また、センサ素子３６には、第１実施例は同様にダイアフラム３７を形成する。ダイアフラム３７の領域には、発熱抵抗体３８、３９、４０、４１と、感温抵抗体４２ａ、４２ｂ、４３ａ、４３ｂを形成する。ダイアフラム３７から外れた場所に感温抵抗体４４を形成する。

図１８にセンサ素子３６の駆動回路４５を示す。発熱抵抗体（第１の抵抗体）３９と感温抵抗体（第２の抵抗体）４４からなる第１の直列回路と、発熱抵抗体４１（第３の抵抗体）と発熱抵抗体（第４の抵抗体）４０からなる第２の直列回路によりブリッジ回路を構成する。また、発熱抵抗体３８（第５の抵抗体）をブリッジ回路に並列に接続する。ブリッジ回路の差電圧は差動増幅器１９に入力する。差動増幅器１９の出力は、トランジスタ２０のベース電圧となり、ブリッジ回路にフィードバックする発熱電流を制御する。

本実施例では、発熱抵抗体４０と発熱抵抗体４１の温度はほぼ同一である。したがって、ブリッジ回路の発熱抵抗体３９の抵抗変化をもとに、発熱抵抗体の温度を制御する構成である。発熱抵抗体３８は、発熱抵抗体３９、４０、４１よりも消費電力が大きくなるように抵抗値を設定する。これにより、発熱抵抗体３９、４０、４１の発熱温度を比較的低くすることができるため、発熱抵抗体３９、４０、４１の抵抗劣化か小さくなる。したがって、第１の実施例と同様に、発熱温度は、抵抗劣化が小さい発熱抵抗体３９、４０、４１の電気的信号を検出して制御することから、長期間加熱温度を一定に保つことができる。

また、図１９に示すように、感温抵抗体４４と発熱抵抗体４０の間にトランジスタ２０のエミッタを接続し、発熱抵抗体３９と発熱抵抗体４１の間にグラウンドを接続する回路構成としても良い。

第１実施例では、３つの感温抵抗体に発熱電流が流れ電力損失が生じていた。本実施例では、感温抵抗体は１つであることから、電力損失が１／３に低減し、第２の実施形態よりもさらに低消費電力になる。

本実施形態では、図１８、図１９に示したように、ブリッジ回路に並列に発熱抵抗体２８を接続しているが、図２０に示すように、発熱抵抗体３８をブリッジ回路とトランジスタ２０との間に直列に接続する回路構成でも良い。また、図２１に示すように発熱抵抗体３８をブリッジ回路とグラウンドとの間に接続する回路構成としても良い。
(第５の実施例)
図２２に本実施例のセンサ素子４６の平面図を示す。本実施例は、第１の実施例と同様の測定素子１に調整用抵抗４７を形成している。調整用抵抗４７は、ブリッジ回路の感温抵抗体９と感温抵抗体１０の間に形成する。また、調整用抵抗４７は、発熱抵抗体６、７、感温抵抗体８、９、１０と同じ多結晶シリコンで形成される。基板上には、調整用抵抗４６の両端の電気的信号を取り出すアルミ電極４８ｃ、４８ｄが形成される。その他の構造は、第１の実施形態のセンサ素子１と同様である。

図２３にセンサ素子４６の駆動回路４９を示す。発熱抵抗体７と感温抵抗体８の直列回路と、感温抵抗体９と調整用抵抗４７と感温抵抗体１０の直列回路を並列に接続しブリッジ回路を形成する。発熱抵抗体６はブリッジ回路に並列に接続される。

駆動回路４９は、バッファ５０、５１と、多段の直列抵抗５２、スイッチ５３、差動増幅回路１９、トランジスタ２０、スイッチ制御回路５４で構成する。

バッファ５０、５１は、配線抵抗の影響をなくして調整用抵抗体４７の両端電圧を検出する。
スイッチ５３は、多段の直列抵抗５２の分圧比を可変調整するためのものであり、複数のスイッチング素子により構成される。スイッチング素子は、たとえばＭＯＳトランジスタを用いることにより、電気的に開閉できる。スイッチ制御回路５４は、スイッチ５３に電気的信号を送り、開閉制御され、任意のスイッチング素子が選択される。

スイッチ５３のスイッチング素子を選択することで、調整用抵抗体４７の両端電圧が多段直列抵抗５２の分圧比により調整される。それによって、差動増幅回路１９に入力する感温抵抗体９と感温抵抗体１０の中間電圧は、任意に調整できる。本実施例によれば、ブリッジ回路を構成する抵抗体の抵抗値がばらついても、バランスを調整することができる。

また、調整用抵抗４７の両端からバッファ５０、５１に入力する配線部には、ほとんど電流が流れない。したがって、ワイヤーボンディングなどの接触抵抗によりブリッジ回路のバランスを崩すことがない。また、第１の実施形態と同様に、ブリッジ回路を構成する抵抗体はセンサ素子内部で結線しているためブリッジ内にワイヤーボンディングの接触抵抗が入らない。したがって、ワイヤーボンディングの接触抵抗の変化を受けず、長期間、発熱抵抗体をフィードバック制御により一定温度を保つことができる。
(第６の実施形態)
図２４は本実施例のセンサ素子５５の平面図を示す。センサ素子５５は、駆動回路が形成された実装基板に搭載される。このとき、センサ素子５５と駆動回路を電気的に接続するために、金線ワイヤーボンディングを用いる。金線ワイヤーボンディングを保護するために、エポキシ樹脂などの封止剤２４を塗布する。センサ素子５５の構成は第１の実施例と同様である。

本実施例において、センサ素子５５の横幅をＷとすると、センサ素子５５上のダイアフラム３、および発熱抵抗体７、８、９、１０は、センサ素子５５の電極部１５ａ〜１５ｄ、１６ａ〜１６ｈを覆うように塗布した封止剤２４からＷ／２以上離隔した位置に形成する。

図２５に測定素子５５のレイアウトを示す。封止剤２４を塗布すると、特にセンサ素子の幅方向の両端ａおよびｂ点に大きな応力が加わる。ａ点およびｂ点で発生した応力は、測定基板５５に広がる。特に、図中の領域ｄには比較的大きな応力が加わる。この領域ｄは、ａ−ｂ点間を底辺とし、ａ点、ｂ点の角度を４５度とした二等辺三角形の領域である。そのため、センサ素子５５の基板上に形成すべき抵抗体は、封止剤２４からＷ/２以上離れた領域ｃに形成することが好ましい。また、抵抗体によりブリッジ回路を形成する場合は、領域ｃ内で結線する。本実施形態の場合、発熱抵抗体７、感温抵抗体８、９、１０はブリッジ回路であり、領域ｃ内で結線している。また、ダイアフラム３も同様に、封止剤２４からＷ／２以上離隔して形成する。

第１実施形態におけるセンサ素子の平面図。 第１実施形態におけるセンサ素子の断面図。 第１実施形態におけるセンサ素子の断面図。 第１実施形態におけるセンサ素子の駆動回路。 第１実施形態におけるセンサ素子の温度分布。 第１実施形態におけるセンサ素子の駆動回路。 第１実施形態におけるセンサ素子の実装形態の平面図。 第１実施形態におけるセンサ素子の実装形態の断面図。 第１実施形態における感温抵抗体の形状を示す平面図。 第１実施形態におけるセンサ素子の駆動回路。 第１実施形態におけるセンサ素子の駆動回路。 第３実施形態におけるセンサ素子の平面図。 第３実施形態におけるセンサ素子の駆動回路。 第３実施形態におけるセンサ素子の駆動回路。 第３実施形態におけるセンサ素子の駆動回路。 第３実施形態におけるセンサ素子の駆動回路。 第４実施形態におけるセンサ素子の平面図。 第４実施形態におけるセンサ素子の駆動回路。 第４実施形態におけるセンサ素子の駆動回路。 第４実施形態におけるセンサ素子の駆動回路。 第４実施形態におけるセンサ素子の駆動回路。 第５実施形態におけるセンサ素子の平面図。 第５実施形態におけるセンサ素子の駆動回路。 第６実施形態におけるセンサ素子の平面図。 第６実施形態におけるセンサ素子のレイアウト図。 第２実施形態におけるセンサ素子の駆動回路。

符号の説明

１…センサ素子、２…半導体基板、３…空洞部、４…ダイアフラム、５…電気絶縁膜、６、７…発熱抵抗体、８、９、１０…感温抵抗体、１１…電気絶縁膜、１２a、１２ｂ…感温抵抗体、１３ａ、１３ｂ…感温抵抗体、１４…空気流、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ…アルミ電極、１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ、１６ｆ、１６ｇ、１６ｈ…アルミ電極、１７ａ、１７ｂ…溝、１９…差動増幅回路、２０…トランジスタ、２１…駆動回路、２２…実装基板、２３…ワイヤーボンディング、２４…封止剤、２５…接着剤、２６…センサ素子、２７…ダイアフラム、２８、２９、３０…発熱抵抗体、３１ａ、３１ｂ…感温抵抗体、３２ａ、３２ｂ…感温抵抗体、３３、３４…感温抵抗体、３５…駆動回路、３６…センサ素子、３８、３９、４０、４１…発熱抵抗体、４２ａ、４２ｂ…感温抵抗体、４３ａ、４３ｂ…感温抵抗体、４４…感温抵抗体、４５…駆動回路、４６…センサ素子、４７…調整用抵抗、４８ａ、４８ｂ、４８ｃ、４８ｄ…アルミ電極、４９…駆動回路、５０、５１…バッファ、５２…抵抗、５３…スイッチ、５４…スイッチ制御回路。

Claims (9)

1. 被測定流体の流量を、温度依存性を有する発熱抵抗体を用いて測定する熱式流量センサにおいて、
   複数の発熱抵抗体と、これらの発熱抵抗体に供給する発熱用の電流を制御する駆動回路とを備え、
   前記複数の発熱抵抗体は、被測定流体の流路に、被測定流体の流れ方向に配列されて設けられ、且つ配列の中心に位置する発熱抵抗体と、配列の中心より外側の位置にあって前記配列の中心にある発熱抵抗体より発熱温度の低い発熱抵抗体とが含まれており、
   前記複数の発熱抵抗体のうち、前記配列の中心より外側の位置にある発熱抵抗体は、感温抵抗体と共にブリッジ回路を形成し、前記配列の中心に位置する発熱抵抗体は、前記ブリッジ回路の外側で該ブリッジ回路と接続され、前記ブリッジ回路により前記配列の中心より外側の位置にある発熱抵抗体の抵抗の変化を検出し、前記駆動回路は、この抵抗変化の検出値にしたがって前記複数の発熱抵抗体への供給電流を制御することを特徴とする熱式流量センサ。
2. 請求項１において、前記熱式流量センサは、
   薄肉部を形成した基板と、
   第１の抵抗体と第２の抵抗体が含まれる第１の直列回路と、
   第３の抵抗体と第４の抵抗体が含まれる第２の直列回路と、
   前記第１の直列回路と前記第２の直列回路とを並列に接続して形成される前記ブリッジ回路と、を備え、
   前記第１の抵抗体は、前記配列の中心より外側の位置にある発熱抵抗体よりなり、前記第２の抵抗体、第３の抵抗体、及び前記第４の抵抗体は、前記感温抵抗体よりなり、
   前記配列の中心に位置する発熱抵抗体は、第５の抵抗体として前記ブリッジ回路と並列に接続され、
   前記第１の抵抗体と前記第５の抵抗体を構成するそれぞれの前記発熱抵抗体は、前記基板上の薄肉部に形成され、
   さらに、前記駆動回路は、前記第１の抵抗体と前記第２の抵抗体の間の第１の中間電圧と、前記第３の抵抗体と前記第４の抵抗体の間の第２の中間電圧を取り出し、これらの中間電圧の差により、前記第１の抵抗体と前記第５の抵抗体に供給する発熱用の電流を制御する熱式流量センサ。
3. 請求項２において、前記第４の抵抗体も前記基板上の薄肉部に形成されている熱式流量センサ。
4. 請求項２又は３において、前記第３の抵抗体も前記基板上の薄肉部に形成されている熱式流量センサ。
5. 請求項１において、前記熱式流量センサは、
   薄肉部を形成した基板と、
   第１の抵抗体と第２の抵抗体が含まれる第１の直列回路と、
   第３の抵抗体と第４の抵抗体が含まれる第２の直列回路と、
   前記第１の直列回路と前記第２の直列回路とを並列に接続して形成される前記ブリッジ回路と、を備え、
   前記第１の抵抗体は、前記配列の中心より外側の位置にある発熱抵抗体よりなり、前記
   第２の抵抗体、第３の抵抗体、及び前記第４の抵抗体は、前記感温抵抗体よりなり、
   前記配列の中心に位置する発熱抵抗体は、第５の抵抗体として前記ブリッジ回路と直列に接続され、
   前記第１の抵抗体と前記第５の抵抗体を構成するそれぞれの前記発熱抵抗体は、前記基
   板上の薄肉部に形成され、
   さらに、前記駆動回路は、前記第１の抵抗体と前記第２の抵抗体の間の第１の中間電圧と、前記第３の抵抗体と前記第４の抵抗体の間の第２の中間電圧を取り出し、これらの中間電圧の差により、前記第１の抵抗体と前記第５の抵抗体に供給する発熱用の電流を制御する熱式流量センサ。
6. 請求項５において、前記第４の抵抗体も前記基板上の薄肉部に形成されている熱式流量センサ。
7. 請求項５又は６において、前記第３の抵抗体も前記基板上の薄肉部に形成されている熱式流量センサ。
8. 請求項２ないし７のいずれか１項において、前記第１の抵抗体、前記第２の抵抗体、前記第３の抵抗体、前記第４の抵抗体、および前記第５抵抗体は、同一の前記基板上に形成されている熱式流量センサ。
9. 請求項２において、
   前記第１〜第４の抵抗体は、前記基板上でのパターン形成により結線されて前記基板上だけでブリッジ回路が形成され、
   前記第１の抵抗体は前記薄肉部上に配置され、前記第２〜第４の抵抗体は前記基板上の前記薄肉部から外れた領域に互いに近接して配置されている熱式流量センサ。

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