JPH0666611A

JPH0666611A - 熱式流量センサ

Info

Publication number: JPH0666611A
Application number: JP4221094A
Authority: JP
Inventors: Isao Nunokawa; 功布川; Moriaki Fuyama; 盛明府山; Yutaka Nishimura; 豊西村; Minoru Takahashi; 実高橋; Tadao Suzuki; 忠雄鈴木; Tadashi Isono; 磯野　　忠
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-08-20
Filing date: 1992-08-20
Publication date: 1994-03-11

Abstract

(57)【要約】【構成】表面に凹凸を設けた絶縁性基板１１の凸部上面
のみに温度依存性の抵抗体薄膜１２ａを設け、少なくと
も該抵抗体薄膜が形成されている面に抵抗体を保護する
保護膜１４を設け、前記抵抗体に電極取付け端子１３を
設けたことを特徴とする熱式流量センサ。【効果】基板に設けた凹凸の凸部上面にのみ抵抗体薄膜
を形成したことにより、保護膜の被覆信頼性並びにセン
サとしての応答性を向上することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は温度センサ、空気流量セ
ンサ等の温度による抵抗変化を利用した熱式流量センサ
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、発熱抵抗体からの熱放散量を出力
信号とする熱式流量センサとして熱線式（ホットワイヤ
式）流量センサが知られている。

【０００３】この熱線式流量センサは、アルミナ等の絶
縁体の円筒の表面に白金等の細い金属線を抵抗体として
巻回し、該抵抗体の両端を白金イリジウム等の棒状のリ
ードに接続し、該リード部をターミナルに固定する構造
のものが知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の巻線式の熱式流
量センサでは、前記のように金属線の巻回工程を含むた
めどうしても生産性が劣り、かつ、高価な白金線を用い
ているためにコスト高になると云う欠点があった。

【０００５】こうした従来の熱式流量センサの欠点を改
良すべく、絶縁体として平板状の基板面に温度依存性を
示す薄膜抵抗体を形成し、その電極端子をターミナルに
接合する形式の熱式流量センサが検討されている。

【０００６】平板状の熱式流量センサの応答特性を向上
させるには、抵抗体を形成する平板状基板の熱容量を小
さくして放熱を良くし、流量変化に対する抵抗体の応答
時間を速くすることにある。また、抵抗体上に形成され
る保護層の膜厚を薄くして、断熱効果を小さくする等が
考えられる。

【０００７】流体に対して放熱を良くするための一つの
手段として、アルミナ等の絶縁基板面に凹凸を形成しそ
の上に白金の抵抗体薄膜を形成し、基板寸法を大きくせ
ずに抵抗体の表面積を増して放熱効果を向上させる方法
が提案されている（特開平２−２８１７０３号公報）。
しかし、この方法ではアルミナ基板に形成された凹凸面
の全面に抵抗体薄膜の微細パターンを形成することは容
易でない。

【０００８】また、前記抵抗体の膜厚はその目的に応じ
て異なるが、０.１〜１０μｍ程度の範囲内のものが多
い。特に、膜厚の薄いものでは前記基板面に形成した凹
凸によって生じるエッジ部における膜厚が薄くなり、そ
れに基づく抵抗値の変化や膜切れが発生し易い。同様
に、保護膜には加熱⇔冷却による熱応力が局所的に加わ
りそれに基づくクラックが発生し易い。こうした対策と
して、抵抗体の膜厚と保護膜の膜厚をある程度厚くする
ことが考えられるが、特に、保護膜を厚くすると断熱効
果が大きくなりセンサとしての応答性低下の原因とな
る。

【０００９】また凹凸を有する基板全面に抵抗体薄膜を
均一に形成後、凹部内壁面も含めて微細な抵抗パターン
を高精度に形成することは容易でない。

【００１０】こうした平板状の熱式流量センサにおい
て、高い応答特性を得るため抵抗体素子を測定流体の流
れ方向に直交させて取付けた場合、その感度は最も高く
なるが、流体中の異物が抵抗面に付着する、例えば、自
動車等のエンジンの吸気量測定に用いる場合、エアクリ
ーナでろ過された空気中に含まれる微細なダストや油
滴、あるいはエンジン側からのカーボン粒子等が付着し
易く測定精度が低下すると云う問題がある。これは、エ
ンジンの制御に誤差を生じる。

【００１１】前記異物の付着を最小限に抑制するために
抵抗体素子を流体の流れ方向と平行に取付けるのが好ま
しいが、放熱性が悪くなるために応答特性の高いものが
要求される。

【００１２】本発明の目的は、平板状の熱式流量センサ
の前記課題を解決し、応答特性の優れた平板状の熱式流
量センサを提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決する本発
明の要旨は、表面に凹凸を設けた絶縁性基板の凸部上面
のみに温度依存性の抵抗体薄膜を設け、少なくとも該抵
抗体薄膜が形成されている面に抵抗体を保護する保護膜
を設け、前記抵抗体に電極取付け端子を設けたことを特
徴とする熱式流量センサにある。

【００１４】また、前記表面に凹凸を設けた絶縁性基板
の凹部内壁面が傾斜して構成されており、その傾斜角度
が基板面の法線に対して１０〜６０度である熱式流量セ
ンサにある。

【００１５】上記の基板面に設けられた凹凸は、センサ
の使用目的に応じて形成することができるが、凹部の深
さで１〜５０μｍ、幅１〜２００μｍのものが一般的で
ある。

【００１６】上記熱式流量センサの基板としては、アル
ミナ、ＳｉＣ等のセラミック絶縁体が用いられ、その厚
さは０.１〜０.２ｍｍのものが一般的である。該基板面
に白金、ニッケル等の温度依存性の抵抗体をスパッタ、
蒸着、めっき法またはペースト印刷法等の手段により、
目的に応じた任意のパターン状に抵抗体を形成すること
ができる。なお、一般には抵抗体薄膜の膜厚としては
０.１〜１０μｍが好ましい。

【００１７】また、抵抗体薄膜として白金を使用する場
合は、白金自体が極めて安定なため接着強度を得るに
は、抵抗体薄膜を形成する基板面を粗化するのが好まし
い。

【００１８】抵抗体薄膜を形成後、その上に被覆する保
護膜としては、例えば、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ガラス等
が用いられ、該保護膜形成時に既に形成されている抵抗
体薄膜に影響を及ぼさず、かつ、使用条件で溶融，軟化
等の恐れがないものであれば特に制限されない。なお、
保護膜の膜厚は、センサとしての応答性の点からは薄い
ほどよいが、０.５〜１０μｍが望ましい。

【００１９】

【作用】本発明によれば絶縁体の基板面に形成された凹
凸の凸部にのみ抵抗体を形成し、上記凹部も含めた全表
面に保護膜を形成することにより、該保護膜の信頼性を
高めることができる。その理由は、保護膜がセラミック
製の絶縁基板と前記凹部において直接接触しているため
に密着性が優れ、その結果、抵抗体の形成により生じた
エッジ部においても欠陥のない保護膜が形成できるため
と考える。

【００２０】また、前記凹部内壁面を傾斜させたもので
は、よりエッジ部の欠陥がない保護膜を形成することが
できるので、高信頼性の熱式流量センサを得ることがで
きるものと考える。

【００２１】前記保護膜の信頼性が向上することによ
り、該保護膜の膜厚を小さくできるので、抵抗体の放熱
特性あるいは加熱特性が良好となり測定精度を向上する
ことができる。

【００２２】

【実施例】図１は、試験に供した抵抗体素子の模式断面
図である。これを用いて基板面形状と保護膜の被覆性と
の関係を調べた。

【００２３】基板１１としては、図１で示すように表面
が平なもの（試料Ａ）と、凹凸（凹部の深さ１０μ
ｍ、幅１００μｍ）を形成したもの（試料Ｂ，Ｃおよ
びＤ）４種を用い、これに抵抗体１２を形成後その上に
保護膜１４を被覆した。抵抗体１２は膜厚１μｍの白金
薄膜を積層後、ＳｉＯ₂の保護膜１４をスパッタ法で０.
５μｍ被覆し、抵抗体素子とした。

【００２４】比較試験は、銅めっき用電解液（硫酸銅水
溶液）中で上記４種の抵抗体素子を陰極側に接続し、電
解めっき法により銅めっきを行い、保護膜１４の被覆不
良箇所に析出する銅めっきから不良率を算出した。結果
を表１に示す。なお、試験素子は、各１０個用いて行っ
た。

【００２５】

【表１】

【００２６】試料Ａは、抵抗体１２による段差のエッジ
部に銅の析出が見られ、その被覆不良率は約４０％であ
った。また、試料Ｂは、凹部内の側面およびエッジ部に
銅の析出が見られ、膜厚０.５μｍの保護膜として膜厚
０.５μｍでは不十分なことが分かった。

【００２７】これに対して、本実施例の試料Ｃおよび試
料Ｂは不良発生率が１０％以下であり、優れていること
が分かる。

【００２８】本発明の凹凸を形成した基板１１の凸部の
みに抵抗体１２を形成した抵抗体素子の保護膜１４は、
凹部内に白金の薄膜が形成されていいないため、保護膜
の密着性がよく、それによってエッジ部も十分に被覆さ
れるものと思われる。また、試料Ｄのように凹部内壁面
を傾斜させた抵抗体素子においては、更に、充分な被覆
性を示している。

【００２９】図２は本発明の一実施例による抵抗体素子
の平面（ａ）とその断面（ｂ）を示す図である。

【００３０】抵抗体１２は、抵抗検出部１２ａと電極取
付け端子部１２ｂからなり、所定の抵抗値に調整後、電
極取付け端子部１２ｂを除き、保護膜１４が形成され
る。電極取付け端子部１２ｂは、駆動用回路とリード線
１３により電気的に接続され熱式流量センサが構成され
る。

【００３１】基板１１して表面粗さ０.２μｍ以下、板
厚０.１ｍｍのアルミナ基板を用い、抵抗体層１２とし
ては白金をめっき法により１μｍ厚さに形成した。次い
で、抵抗体層１２をフォトリソグラフィー法を用いて所
定のパターン状に形成するため、エッチング用マスクと
してポジ型フォトレジストを形成する。このエッチング
用マスクは、後で基板１１の表面に凹部を形成する際凹
部内壁面を傾斜加工するため露光現像処理時に傾斜角度
を制御した。なお、傾斜角度は１０〜６０度で露光して
制御し、所定のパターン状抵抗体を形成した。

【００３２】上記白金膜をＡｒガスでイオンミリング法
により所定のパターン状にエッチングして形成後、アル
ミナ基板１１の凹部形成部をエッチングガスとしてＣＨ
Ｆ₃、ＣＦ₄を用いてイオンミリング法によりエッチング
し凹部を形成した。

【００３３】図３は、上記イオンミリング法によるエッ
チング用マスク（ポジ型フォトレジスト膜）の傾斜角度
（θ₁）とアルミナ基板１１のエッチング角度（θ₂）と
の関係を示すグラフである。イオンミリングガスにＣＦ
₄を用いた場合、ポジ型フォトレマスクの傾斜角度に対
してアルミナ凹部の傾斜角度はほぼ１対１で形成するこ
とができる。また、ＣＨＦ₃ガスはエッチング比が大き
いためにエッチング用マスクを薄くすることができる。

【００３４】イオンミリング法により基板１１の凹部内
壁面の傾斜角度を１０〜６０度に制御エッチングした
後、エッチング用マスクをＯ₂ガスと導入できる加熱減
圧槽内で加熱して除去し、更に、抵抗体層１２の温度係
数の安定化のために９００〜１２００℃で熱処理し、抵
抗検出部１２ａを所定の抵抗値に調整して電極取付け端
子部１２ｂ以外にガラスペーストを塗布焼成して保護膜
１４を形成した。

【００３５】なお、前記において基板１１に複数の抵抗
体素子を形成後、個々に切断，分離する手段によれば、
より生産性を上げることができる。

【００３６】図４に上記により作製した凹部内壁面が傾
斜した抵抗体素子の断面図を示す。また、図５には凹部
内壁面が傾斜し、かつ、抵抗体形成面の裏面にも凹部を
形成し熱放散性を向上した本発明の他の本実施例の抵抗
体素子の断面図を示す。

【００３７】なお、図６は従来の抵抗体素子の断面図で
ある。

【００３８】前記の抵抗体素子を自動車等のエンジンの
熱式流量センサとして使用する場合は、発熱用抵抗体セ
ンサと流体の温度センサとに使い分けることができる。

【００３９】熱式流量センサは流体温度と発熱用抵抗体
センサの温度差が常に一定になるようにブリッジ回路が
構成され、発熱用抵抗センサが流体に放熱した熱量に相
当する熱量をフィードバックして熱量に相当する出力検
出電圧から流体の流量を算出する電子回路に接続されて
いる。

【００４０】前記電子回路との接続用リード線１３はパ
ラレルギャップ溶接、共晶圧接接合またはペースト焼付
け法等によって電極取付け端子部１２ｂに接続され、熱
式流量センサを構成する。

【００４１】前記電子回路を用いて、本発明の抵抗体素
子と従来の抵抗体素子とで空気流量をステップ変化させ
た場合の応答特性を比較すると、９５％応答で従来の抵
抗体素子に対し本発明の抵抗体素子の応答速度は約２倍
と、大幅に向上した。特に、低流量側での測定精度が向
上した。

【００４２】

【発明の効果】本発明による熱式流量センサは、基板面
の凸部にのみ抵抗体を形成したため流体への放熱性が優
れ、特に、低流量側での測定精度が向上できる。

【００４３】また、基板面の凹部内壁面が傾斜している
ために抵抗体を保護する保護膜の抵抗体エッジ部で発生
する局部的な応力集中を緩和し、被覆性に優れ、保護膜
の厚さを薄くすることができるので放熱性が良くなり応
答速度を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の比較試験に用いた抵抗体素子の模式断
面図である。

【図２】本発明の一実施例による抵抗体素子の平面図と
断面図である。

【図３】本実施例におけるイオンミリング法によるエッ
チング用マスクのエッチング傾斜角度（θ₁）とアルミ
ナ基板のエッチング角度（θ₂）との関係を示すグラフ
である。

【図４】本発明に一実施例に係る抵抗体素子の模式断面
図である。

【図５】本発明に一実施例に係る抵抗体素子の模式断面
図である。

【図６】従来の抵抗体素子の模式断面図である。

【符号の説明】

１１…基板、１２…抵抗体、１２ａ…抵抗検出部、１２
ｂ…電極取付け端子部、１３…リード線、１４…保護
膜。

フロントページの続き (72)発明者高橋実茨城県勝田市大字高場2520番地株式会社日立製作所自動車機器事業部内 (72)発明者鈴木忠雄茨城県勝田市大字高場2520番地株式会社日立製作所自動車機器事業部内 (72)発明者磯野忠茨城県勝田市大字高場2520番地株式会社日立製作所自動車機器事業部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】表面に凹凸を設けた絶縁性基板の凸部上
面のみに温度依存性の抵抗体薄膜を設け、少なくとも該
抵抗体薄膜が形成されている面に抵抗体を保護する保護
膜を設け、前記抵抗体に電極取付け端子を設けたことを
特徴とする熱式流量センサ。
【請求項２】前記表面に凹凸を設けた絶縁性基板の凹
部内壁面が傾斜して構成されており、その傾斜角度が基
板面の法線に対して１０〜６０度である請求項１に記載
の熱式流量センサ。
【請求項３】前記絶縁性基板がセラミック材料で形成
され、前記抵抗体を保護する保護膜がＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ
₃またはガラスからなる膜厚０.５〜１０μｍの被膜で形
成されている請求項１または２に記載の熱式流量セン
サ。
【請求項４】前記抵抗体薄膜が白金またはニッケルの
スパッタ膜、蒸着膜またはめっき膜である請求項１，２
または３に記載の熱式流量センサ。