JP5683192B2 - 熱式流量センサ - Google Patents

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センサに係り、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センサに関する。

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センサとして、質量流量を直接測定できる熱式の空気流量センサ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厚の電気絶縁膜上に発熱抵抗体を形成している。また、このようなセンサ素子では、発熱抵抗体の近傍に感温抵抗体を形成し、発熱抵抗体上を流れる被計測流体から感温抵抗体への伝熱量をもとに流量を測定する方法が主流となっている。発熱抵抗体の大きさは数百ミクロンと微細であり、数ミクロンの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。

その反面、流路上に存在するオイルやダストなどの飛散物による破損など信頼性においては現在も様々な改善取り組みがなされている。例えば、センサ素子の汚損を低減するために、空気流の一部を取り込む通路内にセンサ素子を配置し、この通路を多様な形状に曲げることにより慣性効果を用いてオイルやダストなどがセンサ素子に衝突しにくい構造をとる方法がある。

しかし、このような多様な形状で曲げた構造の通路にセンサ素子を配置したとき、通路内を流れる流量に応じて空気流に働く慣性効果が変化し、センサ素子上を流れる空気の方向が流量に応じて変化してしまう。そして、センサ素子上を流れる空気の方向が変化すると、センサ素子で検出した流量に誤差が発生してしまう。

この原因の一因としては、発熱抵抗体周辺の構造の不均一性に伴い発熱抵抗体周辺の温度分布が不均一となるため、空気流量方向の微小な変化でもセンサ素子の検出感度が変化するという点がある。さらに、発熱抵抗体が小型になると、発熱抵抗体の周辺の温度分布の均一性がさらに悪化して測定誤差がさらに大きくなる。この問題を解決するために、例えば、特許文献１では、発熱抵抗体の配線幅を局所的に増減させることによって発熱抵抗体の発熱量を調節し、温度分布の平滑化を図っている。

特開２００９−１９８２９９号公報

しかし、従来では、発熱抵抗体の配線幅が局所的に相対的に細くなる部分があり、また小型のセンサ素子を構成する際に該当部位の強度が低下するため、オイルやダスト等による破損や、エレクトロマイグレーション等による劣化の恐れがある。特許文献１では発熱抵抗体周辺の温度分布に関しては考慮されていたが、発熱抵抗体の構造強度に関しては十分な配慮がなされていなかった。

そこで、本発明は上記課題に鑑みてされたものであり、その目的とするところは、自動車などの内燃機関に搭載する際に、発熱抵抗体の構造強度を低下することなく、空気流の流れ方向の微小な変化によるセンサ素子の検出感度の変化を低減することで流量測定誤差を低減し、小型かつ低消費電力で高精度な熱式流量センサを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の熱式流量センサは、前記発熱抵抗体の概形を構成する辺のうち基準軸の一方側に面した辺と前記空洞部の周縁を構成する辺のうち基準軸の一方側に面した辺とこれら２辺の末端部を結ぶ直線とからなる第１領域の熱抵抗と、前記発熱抵抗体の概形を構成する辺のうち基準軸の他方側に面した辺と前記空洞部の周縁を構成する辺のうち基準軸の他方側に面した辺とこれら２辺の末端部を結ぶ直線とからなる第２領域の熱抵抗と、がほぼ等しくなるように前記熱抵抗を調整したことを特徴とする。

本発明によれば、空気流の流れ方向の微小な変化によるセンサ素子の検出感度の変化を低減することで流量測定誤差を低減し、小型かつ低消費電力で高精度な熱式流量センサを提供することができる。

第１実施例におけるセンサ素子の平面図。 第１実施例におけるセンサ素子のＸ−Ｘ′断面構造及び温度分布。 熱式流量センサの検出回路構成。 領域１および領域２の解説図。 センサ素子の実装形態例。 本発明適応以前におけるセンサ素子の構成。 本発明適応以前におけるセンサ素子のＹ−Ｙ′断面構造及び温度分布。 本発明適応以前における領域１および領域２の熱抵抗の関係図。 本発明適応以前における発熱抵抗体周辺の平面図上の温度分布。 第１実施例におけるセンサ素子のＹ−Ｙ′断面構造及び温度分布。 第１実施例における領域１および領域２の熱抵抗の関係図。 第１実施例における発熱抵抗体周辺の平面図上の温度分布。 発熱抵抗体の配置指標値（＝Ｌ１／Ｌ２）と電気絶縁膜厚との相関。 発熱抵抗体の配置指標値（＝Ｌ１／Ｌ２）と点Ａ−点Ｂ間の温度差との相関。 第２実施例におけるセンサ素子の平面図。 第２実施例におけるセンサ素子のＹ−Ｙ′断面構造及び温度分布。 第３実施例におけるセンサ素子の平面図。 第３実施例におけるセンサ素子のＹ−Ｙ′断面構造及び温度分布。 第４実施例におけるセンサ素子の平面図。 第４実施例におけるセンサ素子のＹ−Ｙ′断面構造及び温度分布。 第５実施例におけるセンサ素子のＹ−Ｙ′断面構造及び温度分布。 第６実施例におけるセンサ素子の平面図。 第７実施例におけるセンサ素子の平面図。 第７実施例におけるセンサ素子のＸ−Ｘ′断面構造及び温度分布。 第７実施例における熱式流量センサの検出回路構成。 第８実施例におけるセンサ素子の平面図。

以下、本発明に係る一実施例について図１から図２６を用いて説明する。

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の構成について図１，図２を用いて説明する。

図１において、センサ素子を構成する半導体基板１は、ケイ素（Ｓｉ）やセラミック等の熱伝導率の良い材料で構成される。そして、半導体基板１上に電気絶縁膜３ａを形成し、半導体基板１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２を形成する。ダイアフラム２上の電気絶縁膜３ａの表面には発熱抵抗体４と発熱抵抗体４に通電するための配線部５とを形成する。

ここで、発熱抵抗体４は、Ｙ−Ｙ′線方向に対して、配線部５が形成される側の空洞部２の短辺の端部から発熱抵抗体４の配線部側端部までの距離をＬ１、配線部５が形成される側とは反対側の空洞部２の短辺の端部から発熱抵抗体４の先端部までの距離をＬ２とすると、Ｌ１＞Ｌ２なる位置に発熱抵抗体４を配置する。また、Ｘ−Ｘ′線方向に対しては、ダイアフラム２の中央に発熱抵抗体４を配置する。

さらに、発熱抵抗体４の両側には上流側感温抵抗体６ａ，６ｂ，下流側感温抵抗体７ａ，７ｂを形成する。上流側感温抵抗体６ａ，６ｂは発熱抵抗体４に対して流体の流れ方向の上流側に配置し、下流側感温抵抗体７ａ，７ｂは発熱抵抗体４に対して流体の流れ方向の下流側に配置する。さらに、センサ素子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。さらに、ダイアフラム２外部の半導体基板１上には、発熱抵抗体４，上流側感温抵抗体６ａ，６ｂ，下流側感温抵抗体７ａ，７ｂを構成する各抵抗体を駆動・検出回路と接続するための引出し配線部８，９，１０及び電極パッド部１１を設ける。尚、電極パッド部１１はアルミニウム（Ａｌ）などで形成する。

ここで、これらの発熱抵抗体４，上流側感温抵抗体６ａ，６ｂ，下流側感温抵抗体７ａ，７ｂ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ケイ素や単結晶ケイ素などの半導体材料、また白金（Ｐｔ），モリブデン（Ｍｏ），タングステン（Ｗ），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。

また、発熱抵抗体４はダイアフラム２上の発熱の主となる部分であり、発熱抵抗体４に電気的に接続されていたとしても、配線部５の様に配線幅を広くすることにより単位長さあたりの抵抗値を小さくしている部位や、発熱抵抗体４からの突起状に形成されたパターン等の電流通路として成り立たない部位は発熱抵抗体４の範囲には含まれない。例えば、発熱抵抗体４の単位長さあたりの抵抗値は、配線部５の単位長さあたりの抵抗値に対して１０倍以上大きいことが望ましい。

次に、第１実施例のセンサ素子の製造方法に関して説明する。

半導体基板１としては、単結晶ケイ素等の半導体を用いる。ベースとなる単結晶ケイ素による半導体基板１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３ａとなる二酸化ケイ素と窒化ケイ素を形成する。次に、抵抗体として、厚さ約１μｍの多結晶ケイ素半導体薄膜をＣＶＤ法等により積層する。

次に、多結晶ケイ素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、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半導体薄膜をパターニングし、発熱抵抗体４，配線部５，感温抵抗体６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂ，引出し配線部８ａ，８ｂ，９ａ〜９ｄ，１０ａ〜１０ｄ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、二酸化ケイ素と窒化ケイ素を約１ミクロン厚にＣＶＤ法等により形成する。

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１１に保護膜３ｂを除去し、アルミニウム，金等で形成される。なお、各抵抗体と端子を接続するための引出し配線部８ａ，８ｂ，９ａ〜９ｄ，１０ａ〜１０ｄを、多結晶ケイ素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。

最終工程では、単結晶ケイ素半導体基板１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部を形成して、ダイアフラム２を形成する。

以上の工程により、センサ素子が完成する。

次に、熱式流量センサの検出原理について図２を用いて説明する。

図２に示した温度分布１２ａ，１２ｂはセンサ素子のＸ−Ｘ′線上の温度分布である。温度分布１２ａは、無風時のダイアフラム２表面上の温度分布であり、温度分布１２ｂは、空気流が発生したときのダイアフラム２表面上の温度分布である。空気流が発生することにより、発熱抵抗体４の上流側は空気流により冷却され温度が下がり、下流側は発熱抵抗体４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、上流側感温抵抗体６ａ，６ｂと下流側感温抵抗体７ａ，７ｂとによって発熱抵抗体４の上流部と下流部の温度差ΔＴｓを測定することにより、流量を計測することができる。

次に、温度差ΔＴｓを測定するための回路動作について図３を用いて解説する。

図３に示す回路は、発熱抵抗体４を発熱させるために必要な駆動電圧Ｖｈを印加する駆動回路１００と、ΔＴｓを測定するためのブリッジ回路２００により構成する。駆動回路１００は、発熱抵抗体４と固定抵抗１１０ａとからなる直列回路と、固定抵抗１１０ｂと固定抵抗１１０ｃ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、各直列回路に駆動電圧Ｖｈ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１１１に接続する。増幅器１１１の出力は、トランジスタ１１２のベースに接続する。トランジスタ１１２のコレクタをＶｈに接続し、エミッタは発熱抵抗体４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４の温度Ｔｈは空気流の温度Ｔａに対して一定温度ΔＴ（＝Ｔｈ−Ｔａ）高くなるように制御される。尚、固定抵抗１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃは、発熱抵抗体４に対して熱的に隔離された場所に配置する。例えば、半導体基板１上であってダイアフラム２上でない部分に配置してもよく、また半導体基板１上でない別の部位に設けても良い。ブリッジ回路２００は、感温抵抗体６ａ及び７ａからなる直列回路と、６ｂ及び７ｂからなる直列回路とを並列に接続したブリッジ回路構成をとり、基準電圧Ｖｒｅｆが印加される。次に、空気流により上流側感温抵抗体６ａ，６ｂと下流側感温抵抗体７ａ，７ｂとに温度差ΔＴｓが発生すると、各抵抗体それぞれの温度に応じて抵抗値が変化するため、ブリッジ回路の抵抗バランスに変化が生じ、各中間電圧間には差電圧が発生する。この差電圧から増幅器１３によって流量に応じた出力Ｖｏｕｔが得られる。なお、上述したように、感温抵抗体は発熱抵抗体に対して流体の流れ方向の上流側に配置された上流側感温抵抗体６ａ，６ｂと、発熱抵抗体に対して流体の流れ方向の上流側に配置された下流側感温抵抗体７ａ，７ｂを有し、さらに、図１に示すように、上流側感温抵抗体６ａ，６ｂおよび下流側感温抵抗体７ａ，７ｂは長手軸に対して略対称に構成する。このような構成にすることで、被計測流体の順流方向および逆流方向の流量を検出することができる。

次に、第１実施例により得られる効果について、図４〜図１２を用いて説明する。

図４において、配線部５が配置される側のダイアフラム２の短辺端部から、発熱抵抗体４の端部までの長さＬ１とダイアフラム２のＸ−Ｘ′軸方向の幅Ｗｄおよび発熱抵抗体４のＸ−Ｘ′軸方向の幅Ｗｈからなる台形領域を領域１とし、Ｌ２とＷｄおよびＷｈからなる台形領域を領域２とすると、領域１におけるＹ−Ｙ′軸方向への熱抵抗Ｒｔ１および領域２におけるＹ−Ｙ′軸方向への熱抵抗Ｒｔ２は、それぞれ式１，式２により表すことができる。
Ｒｔ１＝Ｌ１×ｌｏｇ(Ｗｈ／Ｗｄ)
／((ｋ１ｔ１＋ｋ２ｔ２＋η１ｋ３ｔ３)(Ｗｈ−Ｗｄ)) …（式１）
Ｒｔ２＝Ｌ２×ｌｏｇ(Ｗｈ／Ｗｄ)
／((ｋ１ｔ１＋ｋ２ｔ２＋η２ｋ３ｔ３)(Ｗｈ−Ｗｄ)) …（式２）

ここで、ｋ１，ｔ１は電気絶縁膜３ａ，３ｂを構成する素材（例えば、二酸化ケイ素など）の熱伝達係数および膜厚である。また、ｋ２，ｔ２は電気絶縁膜３ａ，３ｂを構成する素材（例えば、窒化ケイ素など）の熱伝達係数および膜厚である。また、ｋ３，ｔ３は発熱抵抗体４，感温抵抗体６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂおよび配線部５を構成する素材（例えば、不純物をドープした多結晶ケイ素など）の熱伝導係数および膜厚である。また、η１は発熱抵抗体４，感温抵抗体６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂおよび配線部５の合計面積が領域１に占める比率である。また、η２は発熱抵抗体４，感温抵抗体６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂおよび配線部５の合計面積が領域２に占める比率である。

図６のセンサ素子は、発熱抵抗体４のＹ−Ｙ′軸方向の配置がＬ１＝Ｌ２となる様に配置されている。このセンサ素子のＹ−Ｙ′線に沿った断面構造を図７に示す。センサ素子は、電気絶縁膜３ａ，３ｂ及び配線部５が領域１を構成しており、電気絶縁膜３ａ，３ｂが領域２を構成する。ここで、発熱抵抗体４，上流側感温抵抗体６ａ，６ｂ，下流側感温抵抗体７ａ，７ｂ、及び配線部５は、例えば、不純物をドープした多結晶ケイ素や単結晶ケイ素などの半導体材料、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。また、電気絶縁膜３ａ，３ｂは二酸化ケイ素や窒化ケイ素により形成する。一般的に、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や、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は、二酸化ケイ素や窒化ケイ素に比べて熱抵抗が小さい。故に、領域１におけるＹ−Ｙ′軸方向の長さＬ１と熱抵抗Ｒｔ１の関係と領域２におけるＹ−Ｙ′軸方向の長さＬ２と熱抵抗Ｒｔ２の関係は図８に示す様に、領域１の方が１／Ｌの増加に応じた熱抵抗の増加率が小さい。そのため、Ｌ１＝Ｌ２の場合は、センサ素子上の温度は点Ａよりも点Ｂ側が高い状態となり、Ｙ−Ｙ′軸方向の温度分布は図７のような温度分布１８ａの形をとる。また、このときのセンサ素子の平面図における温度分布１８ａの状態を表す等温線１９ａは図９で示される通りである。

ここで、センサ素子の実装形態例を図５に示す。空気流１５ａが流れる通路１４ａ内に、通路１４ａの壁面から突出する形状のベース部材１６を設け、ベース部材１６にはサブ通路１４ｂが形成されており、通路１４ａ内を流れる空気流１５ａの一部が取り込まれる構造となっている。また、ベース部材１６には駆動回路１００および検出回路２００を搭載した回路基板１７が設けられており、回路基板１７の一部がサブ通路１４ｂ内に突出する様に配置する。そして、サブ通路１４ｂ内に突出した回路基板１７上にセンサ素子を配置し、サブ通路１４ｂ内を流れる空気流１５ｂにより流量測定を行う。

センサ素子の汚損を低減するために、サブ通路１４ｂは略Ｕ字状に曲げた構造としている。そのためサブ通路１４ｂでは、流量に応じて空気流１５ｂに生じる慣性力が変化するため、センサ素子上での空気流１５ｂの方向は流量に応じて変化する。

なお、本実施例ではサブ通路１４ｂの形状を略Ｕ字状に曲げた構造としているが、サブ通路１４ｂの構造はこれに限らず、サブ通路１４ｂに取り込まれた空気流１５ｂに慣性力が生じるような構造であればよい。また、慣性力に限らず、センサ素子の汚損を低減するために、サブ通路１４ｂに取り込まれた空気流１５ｂに遠心力が働く構造とする場合もあり、このような場合であっても、流量に応じて遠心力が変化するため、センサ素子上での空気流１５ｂの方向は流量に応じて変化する。

次に、空気流１５ｂの方向が変化することによる検出感度の低下について詳細に説明する。図９の等温線１９ａの状態において、慣性効果により傾いた空気流２０ａ，２０ｂが、それぞれダイアフラム２に流れ込んだ場合、発熱抵抗体４を通過して温度上昇した空気流が下流側感温抵抗体７ａ，７ｂに流れる。発熱抵抗体４上において、空気流２０ａと空気流２０ｂとで通過する場所の温度が異なるため、下流側感温抵抗体７ａ，７ｂに流れ込む空気の温度は、空気流２０ａの場合、温度が高くなり、空気流２０ｂの場合、温度が低くなる。すると、空気流２０ａの場合は、より多くの熱量が下流側感温抵抗体７ａ，７ｂに伝わるため、下流側感温抵抗体７ａ，７ｂの抵抗値が大きく変化し、良好な検出感度が得られる。一方、空気流２０ｂの場合は、２０ａの場合に比べて下流側感温抵抗体７ａ，７ｂに伝わる熱量が小さいため、下流側感温抵抗体７ａ，７ｂの抵抗値の変化は小さく、よって検出感度が低下する。

したがって、従来の熱式流量センサでは、空気流の方向が変化することによって感度変化が発生してしまうため、流量測定精度の低下を招いていた。

次に、本発明における第１実施例では、図１に示す様にＬ１＞Ｌ２を満たす位置に発熱抵抗体４を配置している。尚、図１０は図１のセンサ素子のＹ−Ｙ′線に沿った断面構造とダイアフラム２表面における温度分布を示す。式１，式２によれば、Ｌ１＞Ｌ２とすることにより、Ｒｔ１をより大きく、Ｒｔ２をより小さくする効果がある。そのため、図１１に示す様に、Ｌ１＞Ｌ２の場合はＲｔ１及びＲｔ２をほぼ同等値とすることができる。この時のセンサ素子上の温度分布は図１０の温度分布１８ｂの形をとる。

図１２は、温度分布１８ｂの状態を表す等温線１９ｂを示した図である。図１２の温度分布１９ｂの状態において、傾いた空気流２０ａ，２０ｂがダイアフラム２に流れ込んだ場合、発熱抵抗体４を通過して温度上昇した空気流が下流側感温抵抗体７ａ，７ｂに流れる。発熱抵抗体４上において、空気流２０ａと空気流２０ｂとで通過する場所の温度はほぼ同じなので、下流側感温抵抗体７ａ，７ｂに流れ込む空気の温度は、空気流２０ａの場合でも、空気流２０ｂの場合でもほぼ同じ温度となる。そのため、空気流の方向が変化しても空気流から下流側感温抵抗体７ａ，７ｂに伝わる熱量は変化せず、流量検出において安定した感度を維持することができ、良好に空気流の測定が可能となる。

また、加えて、配線部５は、発熱抵抗体４の線幅よりも大きい幅をもって設けると良い。これにより、配線部５の抵抗値を低減でき、配線部５に流れる電流による温度上昇を低減することができ、発熱抵抗体４周辺の温度分布をより均一にすることができる。

次に、さらに好ましいＬ１及びＬ２のとり方を、図１３，図１４を用いて解説する。

より有益な熱式流量センサを構成するためには、Ｌ１及びＬ２の比率Ｌ１／Ｌ２が１.５以上となる構造にすると良い。ここで、Ｒｔ１＝Ｒｔ２を満たす時のＬ１／Ｌ２は式３により算出することができる。ここでは簡単化のため、η２＝０としている。
Ｌ１／Ｌ２＝(ｋ１ｔ１＋ｋ２ｔ２＋η１ｋ３ｔ３)／(ｋ１ｔ１＋ｋ２ｔ２)
…（式３）

式３によれば、Ｒｔ１＝Ｒｔ２とするためには、Ｌ１，Ｌ２の比率を変更する方法のほかに、ｔ１，ｔ２≫ｔ３とする方法がある。電気絶縁膜３ａ，３ｂを構成する二酸化ケイ素の膜厚ｔ１、および窒化ケイ素の≫膜厚ｔ２を、発熱抵抗体４，感温抵抗体６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂおよび配線部５を構成する素材の膜厚ｔ３に対して十分大きくすることにより、発熱抵抗体４，感温抵抗体６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂおよび配線部５が熱抵抗Ｒｔ１，Ｒｔ２に占める割合を相対的に小さくすることができる。しかし、一方で、窒化ケイ素は大きな引張応力（１ＧＰａ）を有しているため、膜厚ｔ２が大きくなりすぎると、ダイアフラムにクラックが発生するなど、電気絶縁膜３ａ，３ｂの破損要因となることがあるため、内部応力に対して注意を払う必要がある。

図１３は、Ｌ１／Ｌ２とＬ１／Ｌ２においてＲｔ１＝Ｒｔ２を満足する電気絶縁膜３ａ，３ｂの膜厚に応じた内部応力との関係を示す。図１３によれば、Ｌ１／Ｌ２＜１.５においては、急峻に内部応力が増加することがわかる。例えば、Ｌ１／Ｌ２＝１.４においては、およそ１ＭＰａ・μｍの内部応力が生じ、電気絶縁膜３ａ，３ｂが破損する可能性がある。一方、Ｌ１／Ｌ２≧１.５では、内部応力は安定して小さい値となる。

また、Ｌ１／Ｌ２＜１.５の領域においては、Ｒｔ１＝Ｒｔ２を満足するために必要な電気絶縁膜厚が急峻に増大する。対して、より良好な空気流の測定感度を得るためには、電気絶縁膜３ａ，３ｂの熱絶縁性を向上させることが必要である。そのため、Ｌ１／Ｌ２≧１.５の構成とすることは、センサ素子の小型化に際しても有効である。

また、電気絶縁膜３ａ，３ｂの膜厚が一定の時のＬ１／Ｌ２と点Ａ―点Ｂ間の温度差ΔＴａｂとの相関を図１４に示す。図１４によれば、Ｌ１／Ｌ２とΔＴａｂの相関曲線は下降型の収束曲線を描く。さらに検討によれば、Ｌ１／Ｌ２≧１.５とすれば、Ｌ１＝Ｌ２の場合に対してΔＴａｂを半減以下にすることができる。

これにより、領域１および領域２の長手方向の熱抵抗の不等性を緩和することができ、温度分布の偏りを改善することができ、さらに、電気絶縁膜をより薄膜化することができ、更なる小型化・高感度化を図ることができる。

本発明に係る第２の実施例について図１５，図１６を用いて以下説明する。

図１５は、本実施例における熱式流量計のセンサ素子の構成を示した図である。

第２の実施例におけるセンサ素子は、第１の実施例におけるセンサ素子の構成に加えて、領域２内の発熱抵抗体４近傍に、Ｙ−Ｙ′軸に対称な形状の調整体２１を設けることにより構成される。この調整体２１は、例えば発熱抵抗体４と同じ素材を用いて形成され、発熱抵抗体４及び感温抵抗体６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂ、及び配線部５の成型時に、追加のレジストパターンを設けることにより形成することができる。

図１６に示す様に、調整体２１を、各抵抗体と同じ素材を用いて構成することにより、領域２の層構造（例えば、二酸化ケイ素および窒化ケイ素）を、領域１の層構造（例えば、二酸化ケイ素および窒化ケイ素および多結晶ケイ素）に近づけることができる。故に、熱抵抗Ｒｔ１，Ｒｔ２の値をより近づけることができる。すなわち、より領域１および領域２の長手方向の熱抵抗の不等性を緩和することができ、１８ｃに示すように偏りのない良好な温度分布にすることができる。

また、小型のセンサ素子においては、センサ素子端部に外部回路と接続するための電極やボンディングワイヤー等の凹凸物が存在するため、凹凸物により発生した乱流が発熱抵抗体４周辺の温度分布に影響を与える可能性がある。そのため、センサ素子の物理寸法が制限され、Ｌ１／Ｌ２の値が制限される場合がある。本実施例によれば、調整体２１を領域２に設けることでセンサ素子の寸法を変更せずに温度分布の偏りを改善することができるため、小型のセンサ素子などに対しては特に効果的である。

また、調整体２１の形状は図１５に示す様な多角形の形状でもよいが、分割した形状をとっても良い。また、より効果を高める手段として、調整体２１が領域２内に占める面積比率η２を式４により求め構造に反映すると良い。これにより、Ｒｔ１とＲｔ２をほぼ同等とすることができ、より高い効果が得られる。
η２＝(Ｌ２/Ｌ１）（ｋ１ｔ１+ｋ２ｔ２+η１ｋ３ｔ３）/（ｋ３ｔ３) …（式４）

次に、本発明に係る第３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の構成について図１７，図１８を用いて説明する。

第３の実施例におけるダイアフラム２は、図４のセンサ素子のダイアフラム２の構成に加えて、領域２内に配線部５と略対称な疑似配線部２２ａ，２２ｂを設けることにより構成する。疑似配線部２２ａ，２２ｂは、例えば発熱抵抗体４と同じ素材を用いて設けることにより構成する。この疑似配線部２２ａ，２２ｂは、発熱抵抗体４及び感温抵抗体６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂ、及び配線部５の成型時に、追加のレジストパターンを設けることにより形成することができる。すると、センサ素子の断面構造は、図１８に示す様に領域１および領域２の構造が略対称となるため、熱抵抗Ｒｔ１およびＲｔ２は、式１及び式２よりほぼ等しくなる。そのため、センサ素子上の温度分布は図１８の温度分布１８ｄに示すように、偏りのない良好な温度分布が得られる。すなわち、より領域１および領域２の長手方向の熱抵抗の不等性を緩和することができ、温度分布の偏りを改善することができる。

本発明に係る第４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の構成について図１９，図２０を用いて解説する。

第４の実施例におけるダイアフラム２は、図４のセンサ素子のダイアフラム２の構成に加えて、領域２において電気絶縁膜３ａ，３ｂに加え、電気絶縁膜３ｂの上層に保護膜２３を形成することで構成する。保護膜２３は、例えば電気絶縁膜３ａ，３ｂと同じ素材を用いて設けることにより構成する。また、図１２に示す様に、センサ素子の断面構造は領域１における膜厚Ｔ１よりも領域２における膜厚Ｔ２の方が厚くなる様に構成する。この時のＲｔ２は式５により表すことができる。
Ｒｔ２＝Ｌ２×ｌｏｇ(Ｗｈ／Ｗｄ）
／((ｋ１ｔ１＋ｋ２ｔ２＋η２ｋ３ｔ３＋ｋ４ｔ４)(Ｗｈ−Ｗｄ))
…（式５）

ここで、ｋ４は保護膜２３の熱伝達係数である。またｔ４は保護膜２３の膜厚である。その他の記号については実施例１で説明したものと同様である。式５によれば、保護膜２３を形成することにより熱抵抗Ｒｔ２は小さくなり、Ｒｔ１の大きさに近づく。また、式１のＲｔ１と上記式５のＲｔ２が等しいときのｔ４の値は、式６により得られる。
ｔ４＝(Ｌ２／Ｌ１)(ｋ１ｔ１＋ｋ２ｔ２＋η１ｋ３ｔ３)
／ｋ４−(ｋ１ｔ１＋ｋ２ｔ２＋η２ｋ３ｔ３)／ｋ４ …（式６）

式６によれば、保護膜２３の膜厚ｔ４を、式６により得た膜厚に近づけることにより、Ｒｔ１≒Ｒｔ２とすることができ、センサ素子上の温度分布は図２０の温度分布１８ｅに示すように、偏りのない良好な温度分布を得られる。すなわち、領域１および領域２の長手方向の熱抵抗の不等性を緩和することができ、温度分布の偏りを改善することができる。

本発明に係る第５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の構成について図２１を用いて解説する。

第５の実施例におけるセンサ素子は、第４の実施例のセンサ素子において、ダイアフラム２の膜厚がＴ１からＴ２に変化する膜厚変化点２４に傾斜を設けた構造をとることにより構成する。本構成とすることにより、膜厚Ｔ１と膜厚Ｔ２との境界において発生する応力を分散させる構造となる。

熱式流量センサを自動車の内燃機関に搭載した場合、発熱抵抗体４によりダイアフラム２表面上が発熱することに加え、センサの周囲温度が大きく変化する。そのため、熱応力や振動などの機械的応力がダイアフラム２の破損につながる可能性がある。本実施例によれば、膜厚Ｔ１及びＴ２の境界に生じる応力を分散させることができるため、領域１および領域２の長手方向の熱抵抗の不等性を緩和しつつ、ダイアフラム２の強度・耐久性および電気絶縁膜の強度を向上させることができ、高信頼な流量センサを実現することができる。

本発明に係る第６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の構成について図２２を用いて解説する。

第６の実施例におけるセンサ素子は、第４の実施例のダイアフラム２内において、膜厚Ｔ１と膜厚Ｔ２との境界が成す境界線２５が、少なくとも１つ以上の屈曲部を有する様に保護膜２３を形成することにより構成する。本構成とすることにより、膜厚Ｔ１と膜厚Ｔ２との境界において、力学的応力を分散させる構造となる。そのため、領域１および領域２の長手方向の熱抵抗の不等性を緩和しつつ、よりダイアフラム２の強度・耐久性および電気絶縁膜の強度を向上させることができ、高信頼な流量センサを実現することができる。

本発明に係る第７の実施例について以下図２３〜図２５を用いて説明する。

本実施例による熱式流量計のセンサ素子の構成について図２３を用いて解説する。

第７の実施例におけるセンサ素子は、第１の実施例におけるセンサ素子の構成に加えて、測温抵抗体２６を発熱抵抗体４の近傍に設け、さらに固定抵抗２７ａ，２７ｂ，２７ｃをダイアフラム２外部に形成する。続いて、測温抵抗体２６および固定抵抗２７ａ，２７ｂ，２７ｃによりブリッジ回路を形成し、各抵抗体の中間電圧は引出配線部２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄおよび電極パッド部１１に接続される。

次に、第７の実施例における熱式流量センサの動作原理について図２４を用いて解説する。

図２４に示したセンサ素子の断面構成図と共に示した温度分布１２ａ，１２ｂはセンサ素子の表面温度の分布である。温度分布１２ａは、無風時のダイアフラム２表面上の温度分布を示す。温度分布１２ｂは、空気流が発生したときのダイアフラム２表面上の温度分布である。空気流が発生することにより、発熱抵抗体４の上流側は空気流により冷却され温度が下がり、下流側は発熱抵抗体４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、上流側感温抵抗体６ａ，６ｂと下流側感温抵抗体７ａ，７ｂとによって発熱抵抗体４の上下流の温度差ΔＴｓを測定することにより、流量を計測することができる。

次に、第７の実施例における駆動・検出回路について図２５を用いて解説する。

第７の実施例における駆動回路１０１は、発熱抵抗体４の温度によって抵抗値が変化する測温抵抗体２６と固定抵抗２７ａとからなる直列回路と、固定抵抗２７ｂと固定抵抗２７ｃ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２９に接続する。増幅器２９の出力は、トランジスタ３０のベースに接続する。トランジスタ３０のコレクタは電源Ｖｈに接続し、エミッタは発熱抵抗体４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４の温度Ｔｈは空気流の温度Ｔａに対して一定温度ΔＴ（＝Ｔｈ−Ｔａ）高くなるように制御される。

第７の実施例における検出回路は、第１の実施例におけるブリッジ回路２００と同じ構成をとる。ブリッジ回路２００は、感温抵抗体６ａ及び７ａからなる直列回路と、６ｂ及び７ｂからなる直列回路とを並列に接続したブリッジ回路構成をとり、基準電圧Ｖｒｅｆが印加される。次に、空気流により上流側感温抵抗体６ａ，６ｂと下流側感温抵抗体７ａ，７ｂとに温度差ΔＴｓが発生すると、上流側感温抵抗体６ａ，６ｂと下流側感温抵抗体７ａ，７ｂは、それぞれの温度に応じて抵抗値が変化するため、ブリッジ回路の抵抗バランスに変化が生じ、各中間電圧間には差電圧が発生する。この差電圧から増幅器１３によって流量に応じた出力Ｖｏｕｔが得られる。

第７の実施例の熱式流量センサにより得られる利点は、第１の実施例における熱式流量センサによって得られる利点に加え、発熱抵抗体４に供給する電力を低減することができ、発熱抵抗体４をさらに小型化できる。従って、ダイアフラム２内における発熱抵抗体４の配置自由度が向上し、より温度分布の改善に有利な部位に発熱抵抗体４を配置することが可能となる。また、本実施例は第２〜第６の実施例、および後述する第８の実施例に対しても適用可能である。

本発明に係る第８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の構成について図２６を用いて解説する。

第８の実施例における発熱抵抗体４は、第１の実施例において、第１の実施例における発熱抵抗体４よりも配線幅を細くし、さらに多数の折り返し形状を持たせた構成をとる。これにより単位面積あたりの発熱密度を向上することができる。

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は、ポリシリコンなどの半導体材料に比べて耐熱性が高いため、熱抵抗体４の加熱温度の高温化が図れるが、加熱温度を上げると消費電力が増加するため、低消費電力・低電圧・低電流でのセンサ動作を行うには、発熱抵抗体４をより小型に形成することが望ましい。

第８の実施例における利点は、第１の実施例における熱式流量センサによって得られる利点に加え、発熱抵抗体４の単位面積あたりの発熱密度が大きくなるため発熱量を大きくでき、同時に発熱抵抗体４を小型化することができる点である。従って、ダイアフラム２内における発熱抵抗体４の配置自由度が向上し、より温度分布の改善に有利な部位に発熱抵抗体４を配置することが可能となる。また、本実施例は第２〜第７の実施例に対しても適用可能である。

また、本実施例における発熱抵抗体４は略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。

前述の各実施例において、発熱抵抗体４の上流部および下流部に二対の感温抵抗体６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂを配置した場合について説明したが、一対の感温抵抗体の構成であっても各実施例により得る利点と同様の利益を得られる。

１ 半導体基板
２ ダイアフラム
３ａ，３ｂ 電気絶縁膜
４ 発熱抵抗体
５ 配線部
６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂ 感温抵抗体
８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄ 引出し配線部
１１ 電極パッド部
１２ａ，１２ｂ，１８ａ，１８ｂ，１８ｄ，１８ｅ 温度分布
１３，２９ 増幅器
１４ａ 通路
１４ｂ サブ通路
１５ａ，１５ｂ 空気流
１６ ベース部材
１７ 回路基板
１９ａ，１９ｂ 等温線
２０ａ，２０ｂ 空気流の方向
２１ 調整体
２２ａ，２２ｂ 疑似配線部
２３ 保護膜
２４ 膜厚変化点
２５ 膜厚境界線
２６ 測温抵抗体
２７ａ，２７ｂ，２７ｃ，１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ 固定抵抗
３０，１１２ トランジスタ
１００，１０１ 駆動回路
１１１ 演算増幅器
２００ 検出回路

Claims (15)

1. 半導体基板上に形成した矩形状の空洞部と、前記空洞部を覆うように形成した電気絶縁膜と、前記電気絶縁膜上に形成した矩形状の概形を備える発熱抵抗体と、前記発熱抵抗体の近傍に形成した感温抵抗体と、前記半導体基板の周縁部において周縁に対して略並行に配置した導電体からなる電極部と、前記電極部と前記発熱抵抗体とを電気的に接続する配線部とを有し、被計測流体と前記感温抵抗体との伝熱量に基づいて被計測流体の流量を検出する熱式流量センサにおいて、
   前記被計測流体の流れ方向に垂直、かつ、前記電気絶縁膜の表面に平行な軸を基準軸とすると、
   前記配線部は、前記発熱抵抗体の概形を構成する辺のうち基準軸の一方側に面した辺から前記空洞部の周縁を構成する辺のうち基準軸の一方側に面した辺に向けて延伸されており、
   前記発熱抵抗体の概形を構成する辺において最も基準軸の一方側にある部分と 前記空洞部の周縁を構成する辺において最も基準軸の一方側にある部分との距離をＬ１とし、
   前記発熱抵抗体の概形を構成する辺において最も基準軸の他方側にある部分と 前記空洞部の周縁を構成する辺において最も基準軸の他方側にある部分との距離をＬ２とすると、
   L１＞L２となるように前記発熱抵抗体を配置し、
   前記発熱抵抗体の概形を構成する辺のうち基準軸の一方側に面した辺と前記空洞部の周縁を構成する辺のうち基準軸の一方側に面した辺とこれら２辺の末端部を結ぶ直線とからなる第１領域の熱抵抗と、
   前記発熱抵抗体の概形を構成する辺のうち基準軸の他方側に面した辺と前記空洞部の周縁を構成する辺のうち基準軸の他方側に面した辺とこれら２辺の末端部を結ぶ直線とからなる第２領域の熱抵抗と、がほぼ等しくなるように前記熱抵抗を調整したことを特徴とする熱式流量センサ。
2. 請求項１に記載の熱式流量センサにおいて、
   前記発熱抵抗体の長手方向の配置がL１／L２≧１.５を満足することを特徴とする熱式流量センサ。
3. 請求項１に記載の熱式流量センサにおいて、
   前記熱抵抗は、前記発熱抵抗体の近傍の前記電気絶縁膜上に設けられた前記第１領域および前記第２領域の熱抵抗の不等性を緩和する調整体により調整されることを特徴とする熱式流量センサ。
4. 請求項３に記載の熱式流量センサにおいて、
   前記調整体は、前記第２領域内に設けられたことを特徴とする熱式流量センサ。
5. 請求項３に記載の熱式流量センサにおいて、
   前記調整体は、前記空洞部の中心軸に対して対称な形状であることを特徴とする熱式流量センサ。
6. 請求項３に記載の熱式流量センサにおいて、
   前記調整体は、前記発熱抵抗体と同一材料で形成したことを特徴とする熱式流量センサ。
7. 請求項２に記載の熱式流量センサにおいて、
   前記空洞部の一方側の前記電気絶縁膜上に前記配線部を形成し、
   前記空洞部の他方側に前記配線部と略対称な疑似配線部を設けることにより前記熱抵抗を調整することを特徴とする熱式流量センサ。
8. 請求項２に記載の熱式流量センサにおいて、
   前記熱抵抗は、前記第１領域および前記第２領域における前記電気絶縁膜の積層膜の膜厚によって調整され、
   前記第１領域における積層膜の平均膜厚をＴ１とし、前記第２領域における積層膜の平均膜厚をＴ２とすると、前記平均膜厚の膜厚分布がＴ１＜Ｔ２を満たす膜厚分布であることを特徴とする熱式流量センサ。
9. 請求項８に記載の熱式流量センサにおいて、
   前記Ｔ１から前記Ｔ２に変化する境界において段階的に前記電気絶縁膜の積層膜の膜厚を変化させたことを特徴とする熱式流量センサ。
10. 請求項８に記載の熱式流量センサにおいて、
    前記電気絶縁膜の積層膜は、前記Ｔ１と前記Ｔ２との境界線において少なくとも１つの屈曲部を有することを特徴とする熱式流量センサ。
11. 請求項１に記載の熱式流量センサにおいて、
    前記発熱抵抗体の温度を検出するための測温抵抗体が前記電気絶縁膜上に形成され、前記測温抵抗体の抵抗値に基づいて前記発熱抵抗体の発熱量を制御する駆動回路が前記発熱抵抗体に電気的に接続されたことを特徴とする熱式流量センサ。
12. 請求項１に記載の熱式流量センサにおいて、
    前記感温抵抗体は、前記発熱抵抗体に対して被計測流体の流れ方向の上流側に配置された第１の感温抵抗体と、前記発熱抵抗体に対して前記被計測流体の流れ方向の下流側に配置された第２の感温抵抗体を有し、
    前記第１の感温抵抗体および前記第２の感温抵抗体は、前記発熱抵抗体に対して略対称に配置されたことを特徴とする熱式流量センサ。
13. 請求項１に記載の熱式流量センサにおいて、
    前記発熱抵抗体は、少なくとも１つの屈曲部を有していることを特徴とする熱式流量センサ。
14. 請求項１に記載の熱式流量センサにおいて、
    前記配線部の線幅は、前記発熱抵抗体の線幅よりも広いことを特徴とする熱式流量センサ。
15. 請求項１に記載の熱式流量センサにおいて、
    前記発熱抵抗体は、導電性素材を用いて形成され、ジュール熱により発熱することを特徴とする熱式流量センサ。

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