JPH08201131A - 熱式流量センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】熱式流量センサの検出素子の基板１１として薄
板ステンレス鋼板を使用して基板１１上に絶縁層１２を
介して温度依存性の薄膜抵抗体１３が形成され、薄膜抵
抗体１３の形成された面に抵抗体を保護する保護膜１４
を設け、薄膜抵抗体１３が形成されている面以外のステ
ンレス鋼が除去されている検出素子を有する熱式流量セ
ンサ。 【効果】基板に薄板化が容易で耐熱性，耐食性，耐久性
および加工性に優れた低コストな薄板のステンレス鋼板
を基板に用いることにより、応答特性の劣化原因であっ
た基板の熱容量を小さくし、熱式流量センサの応答特性
を向上し、低コストのセンサを提供できる。

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。

【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ワイヤ式，巻線式そし
てフィルム式等の流量センサが知られている。

【０００３】ワイヤ式の流量センサは、流体の吸入管内
に発熱抵抗体として白金素線を張り巡らし白金素線の抵
抗変化により流量を検知する構造のものが知られてい
る。

【０００４】巻線式の流量センサは、アルミナ等の絶縁
体の円筒の表面に白金等の温度依存性の金属線を抵抗体
として巻まわし、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、リード部をターミナルに固定す
る構造が知られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の技術において、
ワイヤ式は、計測流体に対しての応答性がすぐれている
が細い白金線を張り巡らせているために耐久性および雑
音の問題があった。

【０００６】そこで巻線式の流量センサが開発された
が、上記のような白金線の巻まわし工程を含むためにど
うしても生産性が劣り、かつ高価な白金素線を用いてい
るためにコスト高になっている。そして計測流体の上流
側の検出部に異物が付着して検出誤差が発生する耐汚損
性が悪い等の欠点がある。

【０００７】上記欠点を改良するために平板状の絶縁体
基板上に温度依存性の抵抗体を形成して計測流体の温度
に対して平板状の基板温度が常に一定差になるように抵
抗体をブリッヂ回路を用いて加熱し、抵抗体への供給電
流値より流体の流量を検出するフィルム式の熱式流量セ
ンサが検討されている。このフィルム式の熱式流量セン
サは、計測流体の流れ方向と平行に取り付けて汚損物質
から抵抗体面を保護して耐汚損性を向上させている。ま
た自動車等の内燃機関の計測に用いる場合には排ガス規
制，燃費規制そしてリーンバンエンジン等により、さら
に空燃費制御の精度向上が望まれており、従来電子回路
等で補正していたスロットルバルブの全開付近で発生し
ている、はね上がり（２値），逆流等による計測誤差を
小さくするために検出素子自体に機能性を持たせるため
に、一つの検出素子上に多数の検出用の抵抗体を形成可
能なフィルム式の熱式流量センサは有利である。

【０００８】こうしたフィルム式の熱式流量センサで問
題となるのは、平板状の絶縁体基板の熱容量のための応
答性の低下による測定精度の悪さにある。これからの熱
式流量センサは計測精度を向上させるためにワイヤ式並
みの高応答性が要求され、フィルム式の熱式流量センサ
の応答性を向上させるためには該平板状の絶縁体基板の
熱容量を小さくし、加熱⇔放熱を良くして流量変化に対
する抵抗体の抵抗変化を速くすることにある。

【０００９】検討されているフィルム式の熱式流量セン
サとして基板に絶縁性のアルミナ平板基板を用いて、ア
ルミナ基板上に温度依存性の抵抗体を形成した検出素子
がある（特開平2−269915 号公報）。

【００１０】この方法では、焼結体であるアルミナ基板
を用いているために熱容量が大きく、熱容量を小さくす
るためにアルミナ基板の板厚を１００μｍ以下の薄さに
しなければならず信頼性試験の一つである落下試験によ
る抗折性に問題がありまたアルミナ基板の加工性および
焼結時の反りの発生によるアルミナ基板の大きさにも制
約ができて量産化が容易でなくコスト高となる。

【００１１】また、シリコン基板を用いて半導体技術で
シリコンチップ上に薄膜抵抗体を形成した熱式流量セン
サがある（特開昭63−271167号公報）。

【００１２】この方法は、計測部の微小化により応答性
はワイヤ式並みの応答特性を実現しているが、計測部の
微小化による計測場所が限定されるとともに自動車等の
内燃機関に適用するには耐久性および耐汚損性に問題が
残る。

【００１３】本発明の目的は、フィルム式の熱式流量セ
ンサの前記課題を解決し、応答性に優れたフィルム式の
熱式流量センサを低コストで提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する、本
発明の要旨は、安価で加工性にすぐれ、抗折性の良い導
電性の薄い金属板を熱式流量センサの基板に用いて、前
記金属板の基板上に絶縁層を介して温度依存性の抵抗体
薄膜を有し、前記抵抗体薄膜の形成されている面に抵抗
体を保護する保護膜を設け、前記抵抗体薄膜の形成され
ていない金属面は除去され、熱式流量センサの基板の熱
容量を最小限にした検出素子で前記基板の少なくとも一
部が保持具に溶着され、計測流体中に検出素子の一部が
直接さらされている。さらに温度依存性の薄膜抵抗体の
電極取り出し端子が薄膜抵抗体の加熱用のブリッヂ回路
に電気的に接続され前記ブリッヂ回路の出力信号により
システム制御を行うマイクロコンピュータから構成され
ているフィルム式の熱式流量センサ。

【００１５】熱式流量センサの基板は、板厚が２０〜５
０μｍのステンレス鋼板が応答性，機械的強度および作
業性等から好ましい。また該基板であるステンレス鋼の
材質は、１８−８Ｃｒ組成が安価で入手しやすく溶着性
があり磁化されづらく好ましい。

【００１６】前記基板と温度依存性の抵抗体間に形成す
る絶縁層は、Ａｌ，Ｓｉ，Ｔａ，Ｔｉ等の酸化物および
窒化物をスパッタリング法，プラズマＣＶＤ法等の手段
により形成し、その膜厚は０.５ 〜２μｍが好ましく使
用条件で溶解，軟化等の恐れがなければ特に制限されな
い。

【００１７】絶縁層上の温度依存性の薄膜抵抗体は、白
金，金，ニッケル等をスパッタ，蒸着，めっき法および
ペースト印刷法の手段により形成して熱処理による安定
化処理をする。薄膜抵抗体は、温度係数の安定性および
抵抗値より抵抗体の膜厚は０.１ 〜３μｍが好ましい。

【００１８】温度依存性の薄膜抵抗体を保護する保護膜
は前記絶縁層と同じ酸化膜，窒化膜を用いるか安価なガ
ラスを用いるかが使用条件で溶解，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
熱式流量センサは薄いほどよいが０.５ 〜３μｍが望ま
しい。

【００１９】

【作用】本発明によれば熱式流量センサの検出素子の基
板にステンレス鋼の薄い板を用いることにより材料費が
安価で加工性，耐熱性、および量産性にすぐれ熱式流量
センサを低コストで製造可能であると考える。その理由
は、従来基板として用いていた絶縁体の平板基板である
焼結体のアルミナ基板，ガラス基板およびシリコン基板
は製造上における基板の反りの問題により基板のサイズ
が限定される。

【００２０】また、基板自体のコストおよび基板の熱容
量を小さくするための薄板化により信頼性の一つである
落下試験で検出素子が折れるために基板の薄板化がむず
かしい。しかし基板に金属材料であるステンレス鋼を用
いることで基板サイズが限定されず、基板の薄板化を行
っても検出素子が折れるような基板自体の耐久性には問
題ないと考える。

【００２１】基板は薄板化が可能であるために応答特性
の劣化の原因であった基板自身の熱容量を小さくできる
ために応答特性を向上させることができるとともに測定
精度が改善される。

【００２２】

【実施例】図１は、熱式流量センサの検出素子の模式図
である。この図を用いて検出素子の製造方法を説明す
る。

【００２３】検出素子の基板１１は、板厚４０μｍのス
テンレス鋼板の１８−８Ｃｒ組成の基板を用いて、スパ
ッタリング装置の関係から本実施例では基板サイズを１
００×１００mmを用いたが、処理装置により基板のサイ
ズは大きくできる。基板サイズでは１枚の基板から数百
個の検出素子を一度に処理できる。

【００２４】基板１１は、大気中で熱処理を行って基板
表面に薄い酸化膜を形成した後、絶縁層１２としてＡｌ
₂Ｏ₃膜をスパッタリング法により膜厚１μｍを形成し、
次に温度依存性の抵抗体層１３として白金膜をスパッタ
リング法で膜厚１μｍを積層する。

【００２５】温度依存性の抵抗体層１３は、検出用の抵
抗体として使用されるために温度係数の安定化を行う必
要があり、大気中で安定化熱処理を行う。そして検出抵
抗体素子として使用するには所定の抵抗体パターン１３
ａ形状にトリミングする必要があるためにエッチング用
のマスクとして感光性のドライフィルムを抵抗体層１３
上にラミネートして露光、現像処理を行って所定のエッ
チングマスク用の抵抗体パターン１３ａを形成するが、
その際に基板１１裏面に保護フィルムをラミネートして
個々の検出素子が離脱するのを防止する。

【００２６】抵抗体層１３と絶縁層１２をイオンミリン
グ法を用いてＡｒガスにより所定の抵抗体パターン１３
ａに形成後、エッチング用マスクをアルカリ溶液で除去
する。次に各検出素子の抵抗値を検査して必要に応じて
修正後、抵抗体パターン13ａをエッチングマスクとして
基板１１のステンレス鋼を塩化第二鉄水溶液で基板１１
の不要なステンレス鋼をエッチング除去する。

【００２７】さらに抵抗体パターン１３ａの保護膜１４
としてＡｌ₂Ｏ₃膜をスパッタリング法により膜厚１μｍ
形成して基板１１の厚さ方向もＡｌ₂Ｏ₃膜でカバレージ
して抵抗体パターン１３ａ下部のステンレス鋼の接触に
よる短絡を防止する。最後に基板１１裏面の保護フィル
ムをアセトン溶剤により溶解して個々の検出抵抗体を分
離して検出抵抗体素子とする。

【００２８】検出抵抗体素子を自動車等の内燃機関用の
熱式流量センサとして使用する場合には発熱用抵抗体と
計測流体の温度を計測する抵抗体とに使いわける。

【００２９】次に検出素子の保持方法の一実施例につい
て説明する。

【００３０】検出抵抗体素子は、ステンレス製の保持用
台１５に基板１１のステンレス鋼面が溶接されて固定さ
れ、抵抗体パターン１３ａの端子部が加熱用のブリッヂ
回路からの接続リード端子１６と白金めっきされたニッ
ケルからなるリード線１７とが電気的に接続されて熱式
流量センサが構成され、ブリッヂ回路は流体温度と加熱
された検出抵抗体素子の温度差が常に一定になるように
構成され、加熱された検出抵抗体素子が流体に放熱した
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
る出力電圧が燃焼制御用のマイクロコンピュータへの出
力信号として接続されている。

【００３１】図２は熱式流量センサを用いた自動車用の
燃焼システムのブロック図である。エアクリーナから吸
入した空気流量を熱式流量センサ２１で計測して、その
出力信号を燃焼制御用のマイクロコンピュータ２０が空
燃費を計算し、マイクロコンピュータ２０からの信号で
燃料噴射弁２２を制御して燃料の供給を規制する。図３
は本発明の検出抵抗体素子の保持方法の他の実施例によ
る説明図である。検出抵抗体素子の基板１１裏面の両端
が保持用台１５に溶着されて固定され、接続リード端子
１６と検出抵抗体の端子がリード線１７で電気的に接続
される。

【００３２】

【発明の効果】本発明による熱式流量センサは、安価で
加工性に優れ、アルミナ基板と比較して薄板化しても耐
久性の良いステンレス鋼板を基板に使用することで応答
特性の劣化原因である基板の熱容量を小さくできるため
に応答特性を向上させることができ、従来測定の困難で
あった脈動流，逆流の測定とともに低流量側での測定精
度も向上する。また、薄板基板の製造が容易であるため
に基板サイズを大きくできるために量産性に優れ、低コ
ストの熱式流量センサを供給できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による熱式流量センサの検出
素子部の説明図。

【図２】本発明の一実施例の熱式流量センサを用いた自
動車用の燃焼システムのブロック図。

【図３】本発明の他の一実施例による検出素子の保持方
法の説明図。

【符号の説明】

１１…基板、１２…絶縁層、１３…抵抗体層、１３ａ…
抵抗体パターン、１４…保護膜、１５…保持用台、１６
…接続リード端子、１７…リード線。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡辺 泉 茨城県ひたちなか市大字高場字鹿島谷津 2477番地３日立オートモティブエンジニア リング株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ステンレス鋼の基板上に絶縁層を介して温
   度依存性の抵抗体薄膜を有し、前記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、ステンレ
   ス鋼の前記基板を加熱する手段と前記抵抗体薄膜の抵抗
   変化によりシステム制御を行う制御回路からなることを
   特徴とする熱式流量センサ。
2. 【請求項２】請求項１において、前記ステンレス鋼の基
   板の板厚が２０〜５０μｍを用いて、前記抵抗体薄膜が
   形成された前記基板の下部以外が除去されている熱式流
   量センサ。
3. 【請求項３】請求項１または２において、前記基板のス
   テンレス鋼の組成が１８−８Ｃｒで、少なくとも前記基
   板の一部が直接計測流体にさらされ、少なくとも前記基
   板の一端部が溶着されて保持されている熱式流量セン
   サ。