JPH0829224A

JPH0829224A - 流量検出装置

Info

Publication number: JPH0829224A
Application number: JP6162390A
Authority: JP
Inventors: Koji Tanimoto; 考司谷本; Mikio Bessho; 三樹生別所
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1994-07-14
Filing date: 1994-07-14
Publication date: 1996-02-02

Abstract

(57)【要約】【目的】同一の半導体基板上に形成された温度検出素
子および複数個の発熱素子の平均温度の差が略一定なる
ようにし、空気の流速検出範囲の拡大を図って、平均化
した流量信号を出力可能にする。【構成】半導体基板１０上に熱絶縁部を介して導電材
料層１１からなる架橋構造の発熱素子４０ａ〜４０ｄお
よび温度検出素子４１ａ〜４１ｄを備え、少なくとも上
記発熱素子４０ａ〜４０ｄを、上記半導体基板１０上に
一定間隔を離して複数個並設する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業用の利用分野】この発明はエンジンの吸入空気な
ど空気の流量を測定するのに利用する流量検出装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、自動車のエンジンの電子制御式
燃料噴射装置においては、空燃比制御のためエンジンへ
の吸入空気量を精度良く計測することが重要である。こ
の空気流量の検出装置として、従来ベーン式のものが主
流であったが、最近、小形で質量流量が得られ、応答性
の良い熱式流量検出装置が普及している。

【０００３】この熱式流量検出装置は流体通路内部に設
置され、電気的に加熱した発熱素子の吸気の流れによる
冷却効果と抵抗値が温度に対して変化する特性を利用し
て、流体通路内を通過する流速や流量を検出するもので
ある。

【０００４】また、昨今、写真製版およびエッチング等
半導体製造プロセスを利用して、半導体基板上に発熱素
子や温度検出素子を形成した流量検出装置が盛んに研究
されており、特に、発熱素子の殆ど大部分を半導体基板
と非接触状態になる架橋構造とすることによって、発熱
素子から半導体基板への熱伝導損失を低減することによ
り、高い流量感度および高速応答特性が実現できるもの
が提案されている。

【０００５】そして、上記のような流量検出用チップを
有する流量検出装置について記述した論文として、アー
ル・ジー・ジョンソン（R.G.Johnson ）とアール・イー
・ヒガシ（R.E.Higashi ）による「アハイセンシテ
ィブシリコンチップマイクロトランスデューサー
フォーエアフローアンドディファレンシャル
プレッシャーセンシングアプリケーション，セン
サーズアンドアクチュエーターズ（“A High Sensi
tive Silicon Chip Microtransducer for AirFlow and
Differential Pressure Sensing Application”，Senso
rs and Actuators ）」（１１，１９８７，ＰＰ６３−
７２）があり、この論文に対応するものとして、特開昭
６０−１４２２６８号公報に流量検出装置の構成および
流量検出用チップの構造が示されている。

【０００６】図１５および図１６は上記従来の流量検出
用チップの断面図および平面図をそれぞれ示し、図にお
いて、２８，２９は１対の薄膜の温度検出素子、２６は
これらの温度検出素子２８，２９に設けられた発熱素
子、２７は温度補償用の温度検出素子である。

【０００７】そして２個の温度検出素子２８，２９は発
熱素子２６の両側面に対向して配置され、さらにこれら
の温度検出素子２８、２９および発熱素子２６は、半導
体基板１０の上にパーマロイからなる薄膜抵抗を窒化シ
リコンからなる絶縁膜１２，１８で被覆した薄膜部材と
して形成されている。

【０００８】また、ここでは図１５に示すように、温度
検出素子２８と発熱素子２６の半分とからなる薄膜部材
と、温度検出素子２９と発熱素子２６の半分とからなる
薄膜部材は、半導体基板１０とは熱絶縁された状態で、
エッチング処理などにより形成された凹部２０上に配置
されている。また、発熱素子２６は温度検出素子２７よ
り約２００℃高い一定の温度に加熱される。なお、２２
は開口部である。

【０００９】次に動作について説明する。いま、空気流
が図１６の矢印Ａ方向に流れた場合には、上流に位置す
る温度検出素子２８はその空気により冷却されるのに対
して、発熱素子２６の下流側に位置する温度検出素子２
９は発熱素子２６の熱が空気流に乗って伝わり熱せられ
る。

【００１０】これによって温度検出素子２８と２９に温
度差が生じ、これによるそれぞれの抵抗値の差が電圧差
となって、これを流速または流量として測定することが
できる。

【００１１】なお、温度検出素子２７，２８，２９と発
熱素子２６から構成されるセンシング部は半導体基板１
０上に１組だけ形成される。

【００１２】その他、流量検出装置のセンサに関する論
文として、“アシーモスサーマルアイソレーテッ
ドガスフローセンサ（“A CMOS Thermal Isolated
GasFlow Sensor ”）」（エム・パラメスワラン(M.Para
meswaran)，センサーズアンドマテリアルズ(Sensor
s and Materials) 第１２巻，Ｎｏ．１，１９９０，Ｐ
Ｐ１７−２６）および「ファブリケーションアンド
モデリングオブシーモスマイクロブリッジガス
―フローセンサーズ（“Fabrication and modeling o
f CMOS microbridge gas-flow sensors ”」（ディー・
モサー(D.Moser) ，センサーズアンドアクチュエー
ターズ，ビー，Ｎｏ．６(Sensors and Actuators,B,No.
6)，１９９２，ＰＰ１６５−１６９）等がある。

【００１３】いずれもセンシング部は架橋構造からなる
発熱素子および温度検出素子から構成され、発熱素子が
気流により冷却され、発熱素子近傍に設けた温度検出素
子の抵抗値が変化し、電圧変化が生じることを利用して
流量または流速を測定する。なお、ここには明確な記載
はないものの、流量検出装置は、流量検出用チップに形
成した１組のセンシング部と検出回路から構成されてい
る。

【００１４】図１４は流量検出装置を含む一般的なエン
ジンの吸気系を示すレイアウト図である。図において、
８３は流量検出装置で、これが流量検出用チップ３０を
有し、ダクト８７，検出用ダクト８４，および整流器８
２を含む吸気系に設けられ、そのダクト８７が検出用ダ
クトのエアクリーナ８１の下流側において、吸気管８５
に接続されている。

【００１５】流量検出用チップ３０の上流側には流速分
布を均一化するために、例えば線径が０．２ｍｍで、メ
ッシュピッチが１．５ｍｍからなる金網、あるいは格子
ピッチが５ｍｍで、厚さが１０ｍｍからなるモールド格
子等の上記整流器８２が配設されている。

【００１６】また、エアクリーナ８０から吸入された空
気は、エアクリーナエレメント８１，整流器８２，流量
検出用チップ３０，スロットルバルブ８６を通過してエ
ンジンの吸入ポートに至る。

【００１７】上記のように、従来の流量検出装置８３は
流量検出用チップ３０の半導体基板１０上に熱絶縁され
た発熱素子２６および少なくとも１個の温度検出素子２
８または２９からなる１組のセンシング部と図示しない
検出回路とから構成されている。

【００１８】また、発熱素子２６および温度検出素子２
８，２９は架橋構造により半導体基板１０と熱絶縁さ
れ、その架橋部のサイズは厚さが約０．５〜３μｍ、幅
および長さが数１０μｍ〜数１００μｍ程度のサイズと
されている。よって流量感度が高く、また熱容量が小さ
いため流量変化に対する応答性も比較的良好である。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】従来の流量検出装置は
以上のように構成されているので、これを自動車用エン
ジンの吸入空気流量検出用装置として使用する場合、以
下のような問題点が挙げられる。

【００２０】（１）一般に、流量検出装置８３はエアク
リーナ８０の下流側に設置され、塵埃，ダスト等はエア
クリーナエレメント８１によりトラップされるが、サイ
ズの小さいパーティクルはエアクリーナエレメント８を
通過して流量検出用チップに至る。流量検出用チップ３
０上の発熱素子２６や温度検出素子２８，２９が形成さ
れている架橋部は非常に薄いため、架橋部へのパーティ
クルの付着により放熱特性が変化し、流量検出装置８３
で検出される流量特性の精度劣化を招く可能性がある。

【００２１】（２）発熱素子２６と温度検出素子２８，
２９からなるセンシング部のサイズが小さいため、流量
検出装置８３の上流側の流速分布の僅かな変化に対して
も感度が高く、よって、流量検出用チップ３０の上流側
に配置された整流器８２やエアクリーナエレメント８１
に付着したダストなどによる流速分布の変化に対しても
感度が高く、流量検出装置８３で検出される流量特性の
精度劣化を招く。

【００２２】（３）また、上記（２）の理由により、整
流器８２と流量検出用チップ３０との位置関係が流量特
性に大きい影響を及ぼすため、整流器８２および流量検
出用チップ３０の取付については、高い取付精度が要求
され、この取付精度を確保するのに困難を伴う。

【００２３】（４）センシング部のサイズが小さくかつ
応答性が良好であるため、流量検出用チップ３０の表面
に形成される、吸気の小さな乱れに対しても応答し、出
力変動が大きくなる。

【００２４】請求項１の発明は同一の半導体基板上に形
成された温度検出素子および複数個の発熱素子の平均温
度の差が略一定なるようにし、空気の流速検出範囲の拡
大を図って、平均化した流量信号を出力できる流量検出
装置を得ることを目的とする。

【００２５】請求項２の発明はエッチングにより半導体
基板に凹部を形成することで、簡単に上記発熱素子と半
導体基板との間に熱絶縁部を形成できる流量検出装置を
得ることを目的とする。

【００２６】請求項３の発明はエッチングにより発熱素
子および半導体素子間の犠牲層を除去して空隙部を形成
することで、簡単に発熱素子と半導体基板との間に熱絶
縁部を形成できる流量検出装置を得ることを目的とす
る。

【００２７】請求項４の発明は各発熱素子どうしの熱的
影響を回避し、平均的な熱伝達率に応じた流量信号を得
ることができる流量検出装置を得ることを目的とする。

【００２８】請求項５の発明は発熱素子および温度検出
素子をそれぞれ複数設けて、これらを直列接続または並
列接続し、これらの各発熱素子および温度検出素子をブ
リッジ回路の一辺として、平均化した空気流量測定値を
得ることができる流量検出装置を得ることを目的とす
る。

【００２９】請求項６の発明は複数の定温度制御回路を
用いてさらに精度の高い流量検出を行える流量検出装置
を得ることを目的とする。

【００３０】請求項７の発明は各定温度制御回路の出力
およびこの出力の加算平均値から簡単な演算によって、
各定温度制御回路の出力流量特性が大きく変化した場合
にも流量特性を小さく抑えることができる流量検出装置
を得ることを目的とする。

【００３１】請求項８の発明は定温度制御回路の出力か
ら得た流量およびこの流量の加算平均値から演算によっ
て、出力流量特性の変化に対しても、略一定の流量信号
を出力できる流量検出装置を得ることを目的とする。

【００３２】請求項９の発明は流量検出用チップ上に発
熱素子，温度検出素子および定温度制御回路を一体に形
成して、構成のコンパクト化と組み付け工程の容易化を
図ることができる流量検出装置を得ることを目的とす
る。

【００３３】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る流
量検出装置は、半導体基板上に熱絶縁部を介して導電材
料層からなる架橋構造の発熱素子および温度検出素子を
備え、少なくとも上記発熱素子を、上記半導体基板上に
一定間隔を離して複数個並設したものである。

【００３４】請求項２の発明に係る流量検出装置は、熱
絶縁部を、半導体基板上に上記架橋構造とともにエッチ
ング形成された凹部としたものである。

【００３５】請求項３の発明に係る流量検出装置は、熱
絶縁部を、半導体基板とこれの上に形成された導電材料
層との間の犠牲層をエッチングにより除去して形成した
空隙としたものである。

【００３６】請求項４の発明に係る流量検出装置は、複
数の発熱素子のそれぞれを空気の流れ方向に対して重な
らないように配置したものである。

【００３７】請求項５の発明に係る流量検出装置は、複
数個の発熱素子および温度検出素子の各合成抵抗値が略
一定となるように制御する定温度制御回路を設けたもの
である。

【００３８】請求項６の発明に係る流量検出装置は、定
温度制御回路を複数設け、これらの各出力を加算平均し
て流量信号としたものである。

【００３９】請求項７の発明に係る流量検出装置は、複
数の定温度制御回路の各出力と該各出力の加算平均値と
の偏差を求め、該各偏差の上記加算平均値に対する割合
が設定値を超えたとき、上記出力を除外した後の加算平
均値を流量信号とする演算手段を設けたものである。

【００４０】請求項８の発明に係る流量検出装置は、複
数の定温度制御回路の各出力から流量変換した各流量値
と該各流量値の加算平均値との偏差を求め、該偏差の上
記加算平均値に対する割合が設定値を超えたとき、上記
流量値を除外した後の加算平均値を流量信号とする演算
手段を設けたものである。

【００４１】請求項９の発明に係る流量検出装置は、定
温度制御回路を発熱素子および温度検出素子とともに流
量検出用チップ上に設けたものである。

【００４２】

【作用】請求項１の発明における流量検出装置は、同一
の半導体基板上に複数個の発熱素子を並設することで、
空気の流速検出領域を拡大し、これらの各平均温度の差
を略一定として、エンジンの吸気系などに入る空気の平
均値的な流量を検出可能にする。

【００４３】請求項２の発明における流量検出装置は、
半導体基板上にエッチング形成した凹部を熱絶縁部とし
て、これを介して上記半導体基板と架橋構成の発熱素子
とを熱絶縁する。

【００４４】請求項３の発明における流量検出装置は、
導電材料層下部の犠牲層をエッチングすることで、その
導電材料層の下部に空隙を形成し、半導体基板に対し発
熱素子をその空隙によって熱絶縁する。

【００４５】請求項４の発明における流量検出装置は、
複数の発熱素子のそれぞれが上流から流れる空気熱の影
響を受けるのを回避して、各発熱素子の温度管理を高精
度に行えるようにする。

【００４６】請求項５の発明における流量検出装置は、
複数の温度検出素子および発熱素子をブリッジ回路上の
一辺として、所期の定温度制御を高精度かつ容易に実施
可能にする。

【００４７】請求項６の発明における流量検出装置は、
複数の定温度制御回路で得られた出力の加算平均値を流
量信号として出力可能にし、一部の定温度制御回路の出
力が変動しても、流量信号への影響を小さくする。

【００４８】請求項７の発明における流量検出装置は、
複数の定温度制御回路で得られた出力とこの出力の加算
平均値との偏差を求めて、この偏差の上記加算平均値に
対する割合が一定値を超えた場合には、上記出力を除い
てＮ回積算を行い、その積算量を積算回数で除して新た
に平均流量を演算により求める。

【００４９】請求項８の発明における流量検出装置は、
複数の定温度制御回路で得られた流量とこの流量の加算
平均値との偏差を求めて、この偏差の上記加算平均値に
対する割合が一定値を超えた場合には、上記流量を除い
てＮ回積算を行い、その積算量を積算回数で除して新た
に平均流量を演算により求める。

【００５０】請求項９の発明における流量検出装置は、
定温度制御回路を発熱素子および温度検出素子とともに
流量検出用チップ上に設けて、これらの構成のコンパク
ト化および組み付け工程数の削減およびローコスト化を
実現する。

【００５１】

【実施例】

実施例１．以下、この発明の一実施例を図について説明
する。図１において、３０は流量検出用チップで、これ
が半導体基板１０上に架橋構造よりなる発熱素子として
の発熱抵抗４０ａ〜４０ｄおよび吸気の温度検出素子と
しての温度検出用抵抗４１ａ〜４１ｄが適当な間隔を保
って並べたものからなり、各架橋構造の下は、従来と同
じく、エッチングにより形成した凹部２０に対し半導体
基板１０と熱的に絶縁された構造となっている。

【００５２】また、上記凹部２０の縦横サイズは例えば
３００μｍ〜７００μｍであり、個々の凹部間ピッチは
０．６〜１．５ｍｍに設定され、上記発熱抵抗４０ａ〜
４０ｄおよび温度検出素子４１ａ〜４１ｄは同一構造、
同一抵抗特性を有し、リード部１９により集積回路７０
に接続されている。この集積回路７０は定温度制御回路
Ｋを有する。

【００５３】さらに、流量検出用チップ３０の一方端に
は電極３１が形成され、これがパッド３６およびボンデ
ィングワイヤを介して各一のインナーリード３２にそれ
ぞれ接続されている。このインナーリード３２およびア
ウターリード３５は樹脂モールド３４内に一体形成さ
れ、このアウターリード３５はさらに図示しない外部電
極端子に接続される。

【００５４】なお、流量検出用チップ３０は樹脂モール
ド３４に固定され、集積回路７０および電極３１の部分
は流体に曝されないようにパッケージングされている。
流量検出用チップ３０は左右の端面が空気の流れ方向に
対して垂直となるように、かつ表面が流れ方向に対して
概ね平行になるように流体通路の中央部に設置されてい
る。

【００５５】図２および図３は上記発熱抵抗４０ａ〜４
０ｄの１つを示す平面図および断面図であり、１０は半
導体基板、１２は半導体基板１０上に形成されたＳｉ₃
Ｎ₄またはＳｉＯ₂ からなる誘電体層で、この誘電体層
１２上にＰｔ，Ｎｉ，パーマロイ等からなる導電材料層
１１をスパッタまたは真空蒸着等により、発熱部１６の
抵抗値を所定値にするよう所定部分がパターニングされ
ている。

【００５６】また、１８は上記誘電体層１２と同様な材
料からなる他の誘電体であり、エッチングホールとなる
部分の誘電体層１２および誘電体層１８を除去し、ＫＯ
Ｈ，ＴＭＡＨ等のエッチャントを用いて表面よりエッチ
ングすることで、凹部２０が形成されている。

【００５７】また、導電材料層１１両端のコンタクト部
２５は各リード部１９との接続部となる。誘電体層１
２，導電材料層１１，および誘電体層１８よりなる発熱
部１６は、厚さが１μｍ〜３μｍ、幅が３０μｍ〜２０
０μｍで、４本の支持梁１７により、凹部２０を介して
半導体基板１０から浮いた架橋構造となっている。

【００５８】次に上記発熱抵抗およびこれと同様の構成
を持った温度検出素子を備えた定温度制御回路Ｋについ
て、図４，図５を用いて説明する。同図において、４０
ａ〜４０ｄは発熱素子としての発熱抵抗、４１ａ〜４１
ｄは温度検出素子としての温度検出用抵抗であり、これ
らはいずれも抵抗が温度によって変化する感温抵抗から
なり、図４に示すように、これらは互いに並列接続さ
れ、または図４に示すように互いに直列に接続されてい
る。

【００５９】４３，４４は発熱抵抗４０ａ〜４０ｄの両
端に接続された分圧回路の固定抵抗で、この分圧回路の
出力が増幅器５０の非反転入力端子に接続されている。
この増幅器５０はボルテージフォロアを構成し、増幅器
５０の出力側は温度検出抵抗４１ａ〜４１ｄおよび固定
抵抗４５，４６に直列に接続されている。

【００６０】また、上記発熱抵抗４０ａ〜４０ｄおよび
固定抵抗４２の接続点および固定抵抗４５，４６の接続
点は増幅器５１の各一の入力とされ、この増幅器５１の
出力はトランジスタ５２を介して発熱抵抗４０ａ〜４０
ｄに帰還される構成となっている。

【００６１】さらに、固定抵抗４３，４４は発熱抵抗に
比べ十分大きい抵抗値になるように設定され、発熱抵抗
４０ａ〜４０ｄと温度検出用抵抗４１ａ〜４１ｄはほぼ
同じ抵抗値に設定する。

【００６２】そして、上記増幅器５０が理想的な特性を
有しており、かつ以上述べたブリッジ構成の定温度制御
回路Ｋが平衡状態にある時、Ｒ40＝（Ｒ41＋Ｒ45）（１
＋Ｒ43／Ｒ44）Ｒ42／Ｒ46式が成立する。

【００６３】ここで、Ｒは抵抗値を示し、添字は図示し
た符号の抵抗に対応する。またＲ40は発熱抵抗４０ａ〜
４０ｄの合成抵抗値を示し、Ｒ41は温度検出用抵抗４１
ａ〜４１ｄの合成抵抗値を示す。

【００６４】また、発熱抵抗４０ａ〜４０ｄの合成抵抗
値Ｒ40を温度検出用抵抗４１ａ〜４１ｄの合成抵抗値Ｒ
41より大きい抵抗値になるように、Ｒ42，Ｒ43，Ｒ44，
Ｒ46の各抵抗値を設定することにより、発熱抵抗４０ａ
〜４０ｄはトランジスタ５２から供給される加熱電流に
より発熱し、温度検出用抵抗４１ａ〜４１ｄより一定温
度高い温度に保持される。

【００６５】この時、発熱抵抗４０ａ〜４０ｄの消費電
力が流速の関数となることを利用して流量を検出する。
加熱電流に比例する抵抗４２の両端電圧が定温度制御回
路Ｋの出力６２であり、かつ流量信号となる。

【００６６】なお、Ｒ43≫Ｒ44、Ｒ46≫Ｒ42となるよう
各抵抗値を設定することで、温度検出用抵抗４１ａ〜４
１ｄにおける消費電力は発熱抵抗における消費電力より
十分小さくすることができ、温度検出用抵抗４１ａ〜４
１ｄにおける自己発熱は無視できる。

【００６７】図４，図５では発熱抵抗４０ａ〜４０ｄお
よび温度検出用抵抗４１ａ〜４１ｄを４個としたものを
示したが、これに限定されるものではない。また発熱抵
抗４０ａ〜４０ｄおよび温度検出用抵抗４１ａ〜４１ｄ
として金属抵抗を用いたが、ポリ・シリコン或いは単結
晶シリコンからなる抵抗、トランジスタおよびダイオー
ドなど、温度により電気的特性の変化するその他の素子
を用いても、同様な効果が得られる。

【００６８】上記のように構成された半導体式流量検出
装置においては、流量検出用チップ３０に、半導体基板
１０と熱絶縁された形態で、かつ複数個の架橋構造から
なる発熱抵抗４０ａ〜４０ｄの合成抵抗値Ｒ40を一定に
なるように制御する定温度制御回路Ｋを持った集積回路
７０を設けている。したがって、発熱抵抗が１個で定温
度制御回路Ｋを構成していた従来の流量検出装置に比べ
て流速検出範囲が拡大され、かつ平均化された流量信号
が得られる。

【００６９】なお、従来の流量検出装置の発熱素子サイ
ズを数ｍｍオーダまで大きくしても同様な効果が得られ
るが、架橋部の厚さが数μｍ程度であるため、機械的強
度を考慮すると不可能である。また、架橋部を構成する
誘電膜等は通常ＣＶＤ，スパッタ等の薄膜形成装置で作
成するため、数十μｍ程度まで厚膜化するのも困難であ
る。

【００７０】実施例２．図６はこの発明の他の実施例を
示す。この実施例では架橋構造を形成する各凹部２０に
発熱抵抗４０ａ〜４０ｄと発熱温度を検出する温度検出
用抵抗５３ａ〜５３ｄを近接して形成して、流量検出用
チップ３０を構成している。

【００７１】この流量検出用チップ３０は長手方向の端
面が流れ方向に対してほぼ垂直になるように配置され、
チップ上流側に感温抵抗よりなる温度検出用抵抗５４ａ
〜５４ｄが形成されている。また、下流側に同様な特性
を有する温度検出用抵抗５３ａ〜５３ｄおよび発熱抵抗
４０ａ〜４０ｄが凹部２０上に架橋構造で形成されてい
る。

【００７２】また、これらの各抵抗５４ａ〜５４ｄ，５
３ａ〜５３ｄ，４０ａ〜４０ｄは複数個の抵抗がそれぞ
れ直列に接続され、発熱抵抗４０ａ〜４０ｄおよび温度
検出用抵抗５３ａ〜５３ｄは空気の流れ方向に略同一距
離だけずれるように、千鳥状に並んで配置されている。

【００７３】なお、架橋構造からなる発熱部である発熱
抵抗４０ａ〜４０ｄおよび温度検出用抵抗５３ａ〜５３
ｄと半導体基板１０とは凹部２０により熱絶縁されてい
るため、その発熱部の温度が空気温度より２００℃高い
時でも半導体基板１０は数℃程度であるため、吸気温度
検出用の温度検出用抵抗５４ａ〜５４ｄを半導体基板１
０上に直接形成しても問題はない。

【００７４】図７は上記発熱抵抗４０ａ〜４０ｄの合成
抵抗値を一定値にするように制御する定温度制御回路を
示し、６１は電源電圧、５６は抵抗、５５はツェナーダ
イオードで、これらは定電圧電源を構成し、この定電圧
電源に固定抵抗４２，４４，４６および温度検出用抵抗
５３ａ〜５３ｄ，５４ａ〜５４ｄから構成したホイース
トンブリッジ回路が接続されている。

【００７５】また、５０はホイーストンブリッジ回路の
中位電圧を入力とする増幅器で、この増幅器５０の出力
がトランジスタ５２のベースに接続され、トランジスタ
５２のコレクタは発熱抵抗４０ａ〜４０ｄに接続されて
いる。

【００７６】これらの発熱抵抗４０ａ〜４０ｄは例えば
Ｎｉ−Ｃｒ合金等から形成され、温度検出用抵抗５３ａ
〜５３ｄ，５４ａ〜５４ｄはＰｔ，Ｎｉの他ポリ・シリ
コンパーマロイ等から形成され、ほぼ同じ抵抗値に設定
されている。また、上記増幅器５０は理想的な特性を有
しており、かつ以上述べた定温度制御回路が平衡状態に
ある時、Ｒ53＝（Ｒ54＋Ｒ44）Ｒ42／Ｒ46の式が成立す
る。

【００７７】ここで、Ｒは抵抗値を示し、添字は図示し
た符号の抵抗に対応する。また、Ｒ53は温度検出用抵抗
５３ａ〜５３ｄの合成抵抗値、Ｒ54は温度検出用抵抗５
４ａ〜５４ｄの合成抵抗値である。ここで、Ｒ53をＲ54
より大きい抵抗値になるようにＲ42，Ｒ44，Ｒ46の各抵
抗値を設定することにより、発熱抵抗４０ａ〜４０ｄは
トランジスタ５２から供給される加熱電流により発熱さ
れ、温度検出用抵抗５４ａ〜５４ｄより温度検出用抵抗
５３ａ〜５３ｄが一定温度高い温度に保持される。

【００７８】この時、発熱抵抗４０の消費電力が流速の
関数となることから出力信号６２を測定することにより
流量を検出する。

【００７９】上記のように構成された半導体式の流量検
出装置においては、実施例１と同様に発熱抵抗を１個で
定温度制御回路を構成していた従来の流量検出装置に比
べて流速検出範囲が拡大され、かつ平均化された流量信
号が得られる。

【００８０】また、架橋構造よりなる発熱部を千鳥状に
半導体基板上に配置したことにより、２次元的な流速分
布に対しても平均化された流量信号が得られる。なお、
図７では温度検出用抵抗５３ａ〜５３ｄ，５４ａ〜５４
ｄおよび発熱抵抗４０ａ〜４０ｄをそれぞれ直列に接続
した例を示しているが、並列接続でも同様な効果を奏す
る。

【００８１】実施例３．図８および図９は架橋構造から
なる発熱抵抗または温度検出用抵抗の他の実施形態を示
すもので、図８が発熱抵抗４０ａ〜４０ｄの斜視図、図
９が発熱抵抗４０ａ〜４０ｄの断面図を示す。この発熱
抵抗４０ａ〜４０ｄは表面に誘電体膜１２を有する半導
体基板１０上に、両端が固定され、かつ絶縁層１３で被
覆された導電材料層１１が架橋構造として形成される。

【００８２】導電材料層１１はコンタクト部２５におい
てリード部１９と電気的に接続されており、さらにリー
ド部１９表面は保護膜としての第２誘電膜１８で被われ
ている。空隙２１は例えばポリ・シリコンからなる犠牲
層を形成した後に、ＫＯＨ，ＴＭＡＨ等によるウエット
エッチングにより除去して形成される。

【００８３】発熱部１６は半導体基板１０および誘電体
層１２と数μｍの空隙２１を介して離れることとなり、
発熱部１６から半導体基板１０への伝熱量を低減でき
る。

【００８４】図１０は図８に示すような架橋構造からな
る発熱抵抗４０ａ〜４０ｄを半導体基板１０上に複数個
形成した流量検出用チップ３０の平面図を示す。また、
温度検出用抵抗４１ａ〜４１ｄも発熱抵抗４０ａ〜４０
ｄと同様な架橋構造を形成し、発熱抵抗４０ａ〜４０ｄ
から空気中へ伝熱した熱流の影響を受けない位置に形成
している。

【００８５】発熱抵抗４０ａ〜４０ｄは互いに上流側か
らの熱影響を受けないようにシフトして、かつチップの
前縁から後縁にかけて流れ方向に適当な距離を保って配
置されている。

【００８６】発熱抵抗４０ａ〜４０ｄから空気中への熱
伝達率はチップ前縁部付近が最も大きく、後縁にかけて
急激に減少する特性を示す。よって流量検出用チップ３
０上に２次元的に発熱抵抗４０ａ〜４０ｄを配置するこ
とにより、平均的な熱伝達率に応じた流量信号が得られ
る。

【００８７】実施例４．図１１は流量検出装置の定温度
制御回路６３ａ〜６３ｄを含む信号処理回路を示す。実
施例１，２，３の流量検出装置は１個の定温度制御回路
Ｋから構成したものを示したが、この実施例の流量検出
装置では、図１１に示すように、複数個の定温度制御回
路６３ａ〜６３ｄおよび定温度制御回路６３ａ〜６３ｄ
の出力信号６２ａ〜６２ｄを加算する加算器Ｂ、および
反転増幅回路Ｃから構成されている。

【００８８】なお、定温度制御回路６３ａ〜６３ｄの出
力段には増幅器６７からなるボルテージフォロアが構成
され、加算器Ｂへの入力電流を供給している。また、流
量信号６８と各定温度制御回路６３ａ〜６３ｄの出力電
圧６２ａ〜６２ｄの関係は、Ｖ68＝（Ｒ76／Ｒ78）｛Ｖ
59＋（Ｒ75・Ｖａ／Ｒ71）＋（Ｒ75・Ｖｂ／Ｒ72）＋
（Ｒ75・Ｖｃ／Ｒ73）＋（Ｒ75・Ｖｄ／Ｒ74）｝で表さ
れる。

【００８９】ここで、Ｖ68は流量信号６８の電圧、Ｖ59
は定電圧信号５９の電圧、Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ，Ｖｄはそ
れぞれ定温度制御回路６３ａ〜６３ｄの出力信号６２
ａ，６２ｂ，６２ｃ，６２ｄの電圧を示す。またＲは抵
抗値を示し、添字は図示した符号の抵抗に対応する。

【００９０】なお、図示していないが、それぞれの定温
度制御回路６３ｂ〜６３ｄにも定温度制御回路６３ａと
同様に、発熱抵抗４０ｂ，４０ｃ，４０ｄおよび温度検
出用抵抗４１ｂ，４１ｃ，４１ｄが設けられている。図
１，図６および図１０に示すように流量検出用チップ３
０上に適当な距離をおいて、発熱抵抗４０ａ〜４０ｄお
よび温度検出用抵抗４１ａ〜４１ｄを配置している。

【００９１】したがって、各定温度制御回路６３ａ〜６
３ｄの出力電圧を加算することで、流量検出用チップ３
０上の平均流速値が得られるため、多少の流速分布の変
化に対しても影響を受けにくい流量信号６８が得られ
る。

【００９２】実施例５．図１２はこの発明の他の実施例
を示す。この実施例の流量検出装置は定温度制御回路６
３ａ〜６３ｄと、これらの出力信号６２ａ〜６２ｄを切
り換えてＡ／Ｄ変換器６５に接続するマルチプレクサ６
４と、あらかじめ定義した流量と出力信号の関係から流
量を求めるマイクロプロセッサ６６とから構成される。

【００９３】これらの各回路は流量検出用チップ３０と
同一の半導体基板１０上または電子回路基板上に、周囲
外気とは接しないようにシールされている。なお、実施
例４と同様に定温度制御回路を構成する発熱抵抗４０ａ
〜４０ｄおよび温度検出用抵抗４１ａ〜４１ｄは流量検
出用チップ３０上に適当な距離をおいて形成されてい
る。

【００９４】図１３に上記マイクロプロセッサ６６での
処理に関するフローチャートを示す。各定温度制御回路
６３ａ〜６３ｄの出力信号６２ａ〜６２ｄのＡ／Ｄ変換
後のデータをそれぞれＸ1 ，Ｘ2 ，Ｘ3 ，Ｘ4 とし、ま
た、予めマイクロプロセッサ６６内部のＲＯＭに入力さ
れた出力信号と流量の関係から得た流量の値をそれぞれ
Ｑ1 ，Ｑ2 ，Ｑ3 ，Ｑ4 と定義する。そして、Ｎは定温
度制御回路６３ａ〜６３ｄの個数を示し、図１２の場合
Ｎ＝４である。

【００９５】まず、４個の上記出力信号Ｘ1 〜Ｘ4 を流
量Ｑ1 〜Ｑ4 に変換する（ステップＳＴ１）。その後、
流量Ｑ1 ，Ｑ2 ，Ｑ3 ，Ｑ4 の加算平均値Ｑｍを求める
（ステップＳＴ２）。

【００９６】次に上記加算平均値Ｑｍと個々の流量信号
Ｑｉとを比較するにあたり、初期値の設定を行う。ま
ず、個々の流量信号Ｑｉのカウント値ｉと一定の条件を
満足する流量信号のカウント値Ｃｎｔをクリアする（ス
テップＳＴ３）。

【００９７】また、加算平均値Ｑｍと各流量Ｑ1 〜Ｑ4
の絶対偏差の加算平均値Ｑｍまたは流量Ｑ1 〜Ｑ4 に対
する割合が一定値Ａ（例えば０．２）を越えるような場
合は（ステップＳＴ４）、その流量値を除いて、個々の
流量信号Ｑｉのカウント値ｉをインクリメントし（ステ
ップＳＴ６）、続いてＮ回積算し（ステップＳＴ７）、
積算量を積算回数で除して新たに平均流量を求める（ス
テップＳＴ８）。

【００９８】一方、ステップＳＴ４にて条件を満足する
場合には、流量加算値Ｑｎに流量信号Ｑｉを加算し、か
つ上記カウント値Ｃｎｔを１増加させる（ステップＳＴ
５）。また、ステップＳＴ４にて条件を満足しない場合
には、このステップＳＴ５の処理は実行しない。

【００９９】以上のようにして、偏差の大きい出力信号
を平均化データから除くことにより、信頼度の高い流量
信号が得られる。例えば、複数個の発熱抵抗の内、一部
の発熱抵抗にパーティクル等が付着し、その発熱抵抗を
有する定温度制御回路６３ａ〜６３ｄの出力流量特性が
大きく変化した場合でも、上記構成からなる流量検出装
置では流量特性変化を小さく抑えることができる。

【０１００】なお、上記実施例では定温度制御回路６３
ａ〜６３ｄの出力Ｘｉを流量Ｑｉに変換後、平均化して
偏差を導いたが、ＸｉとＱｉの関係が同一ならば出力Ｘ
ｉの平均値Ｘｍと各出力Ｘｉの偏差を求めて偏差の平均
値Ｘｍに対する割合が一定値を越えるような場合は、そ
の出力Ｘｉを平均化データから除いて新たにＸｍを算出
し、その後流量変換しても同様な効果が得られる。

【０１０１】

【発明の効果】以上のように、請求項１の発明によれ
ば、半導体基板上に熱絶縁部を介して導電材料層からな
る架橋構造の発熱素子および温度検出素子を備え、少な
くとも上記発熱素子を、上記半導体基板上に一定間隔を
離して複数個並設するように構成したので、同一の半導
体基板上に形成された温度検出素子および複数個の発熱
素子の平均温度の差が略一定なり、空気の流速検出範囲
の拡大が図られて、平均化した流量信号を出力できるも
のが得られる効果がある。

【０１０２】請求項２の発明によれば、熱絶縁部を、半
導体基板上に上記架橋構造とともにエッチング形成され
た凹部とするように構成したので、簡単に上記発熱素子
と半導体基板との間に熱絶縁部を形成できるものが得ら
れる効果がある。

【０１０３】請求項３の発明によれば、熱絶縁部を、半
導体基板とこれの上に形成された導電材料層との間の犠
牲層をエッチングにより除去して形成した空隙とするよ
うに構成したので、簡単に発熱素子と半導体基板との間
に熱絶縁部を形成できるものが得られる効果がある。

【０１０４】請求項４の発明によれば、複数の発熱素子
のそれぞれを空気の流れ方向に対して重ならないように
配置するように構成したので、各発熱素子どうしの熱的
影響を回避でき、平均的な熱伝達率に応じた流量信号を
得ることができるものが得られる効果がある。

【０１０５】請求項５の発明によれば、複数個の発熱素
子および温度検出素子の各合成抵抗値が略一定となるよ
うに制御する定温度制御回路を設けたので、発熱素子お
よび温度検出素子をそれぞれ複数設けて、これらを直列
接続または並列接続し、これらの各熱素子および温度検
出素子をブリッジ回路の一辺として、平均化した空気流
量測定値を得ることができるものが得られる効果があ
る。

【０１０６】請求項６の発明によれば、定温度制御回路
を複数設け、これらの各出力を加算平均して流量信号と
するように構成したので、複数の定温度制御回路を用い
てさらに精度の高い流量検出を行えるものが得られる効
果がある。

【０１０７】請求項７の発明によれば、複数の定温度制
御回路の各出力と該各出力の加算平均値との偏差を求
め、該各偏差の上記加算平均値に対する割合が設定値を
超えたとき、上記出力を除外した後の加算平均値を流量
信号とする演算手段を設けるように構成したので、各定
温度制御回路の出力およびこの出力の加算平均値から簡
単な演算によって、各定温度制御回路の出力流量特性が
大きく変化した場合にも流量特性を小さく抑えることが
できるものが得られる効果がある。

【０１０８】請求項８の発明によれば、複数の定温度制
御回路の各出力から流量変換した各流量値と該各流量値
の加算平均値との偏差を求め、該偏差の上記加算平均値
に対する割合が設定値を超えたとき、上記流量値を除外
した後の加算平均値を流量信号とする演算手段を設ける
ように構成したので、定温度制御回路の出力から得た流
量およびこの流量の加算平均値から演算によって、出力
流量特性の変化に対しても、略一定の流量信号を出力で
きるものが得られる効果がある。

【０１０９】請求項９の発明によれば、定温度制御回路
を発熱素子および温度検出素子とともに流量検出用チッ
プ上に設けるように構成したので、流量検出用チップ上
に発熱素子，温度検出素子および定温度制御回路を一体
化でき、構成のコンパクト化と組み付け工程の容易化を
図ることができるものが得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例による流量検出装置を示
す平面図である。

【図２】この発明における発熱素子の取付構造を示す
平面図である。

【図３】図２におけるＸ―Ｘ線断面図である。

【図４】この発明の流量検出装置の定温度制御回路を
示す回路図である。

【図５】この発明の流量検出装置の他の定温度制御回
路を示す回路図である。

【図６】この発明における他の流量検出装置を示す平
面図である。

【図７】この発明の流量検出装置のさらに他の定温度
制御回路を示す回路図である。

【図８】この発明における他の発熱素子を示す斜視図
である。

【図９】図８における発熱素子を詳細に示す断面図で
ある。

【図１０】この発明のまた他の流量検出装置を示す平
面図である。

【図１１】この発明の他の実施例による流量検出装置
を示す回路図である。

【図１２】この発明のまた他の実施例による流量検出
装置を示す回路図である。

【図１３】図１２における流量検出装置のデータ処理
手順を示すフローチャート図である。

【図１４】この発明および従来の流量検出装置を搭載
した自動車の吸気系を示すレイアウト図である。

【図１５】従来の流量検出用チップを示す断面図であ
る。

【図１６】図１５における流量検出用チップの平面図
である。

【符号の説明】

１０半導体基板、１１導電材料層、２０凹部、２
１空隙、３０流量検出用チップ、４０ａ〜４０ｄ
発熱抵抗、４１ａ〜４１ｄ温度検出用抵抗、５３ａ〜
５３ｄ温度検出用抵抗、６３ａ〜６３ｄ定温度制御
回路、６６マイクロプロセッサ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上に熱絶縁部を介して導電材
料層からなる架橋構造の発熱素子および温度検出素子を
備えた流量制御装置において、少なくとも上記発熱素子
が、上記半導体基板上に一定間隔を離して複数個並設さ
れていることを特徴とする流量検出装置。
【請求項２】半導体基板上に熱絶縁部を介して導電材
料層からなる架橋構造の発熱素子および温度検出素子を
備えた流量制御装置において、上記熱絶縁部が上記半導
体基板上に上記架橋構造とともにエッチング形成された
凹部であり、少なくとも上記発熱素子が、上記半導体基
板上に一定間隔を離して複数個並設されていることを特
徴とする流量検出装置。
【請求項３】半導体基板上に熱絶縁部を介して導電材
料層からなる架橋構造の発熱素子および温度検出素子を
備えた流量制御装置において、上記熱絶縁部が上記半導
体基板とこれの上に形成された上記導電材料層との間の
犠牲層をエッチングにより除去して形成した空隙であ
り、少なくとも上記発熱素子が、上記半導体基板上に一
定間隔を離して複数個並設されていることを特徴とする
流量検出装置。
【請求項４】複数の発熱素子のそれぞれを空気の流れ
方向に対して重ならないように配置した請求項１〜３に
記載の流量検出装置。
【請求項５】発熱素子および温度検出素子がそれぞれ
直列または並列に複数個設けられ、該複数個の発熱素子
および温度検出素子の各合成抵抗値が略一定となるよう
に制御する定温度制御回路を設けた請求項１〜３に記載
の流量検出装置。
【請求項６】定温度制御回路が複数設けられ、これら
の各出力を加算平均して流量信号とする請求項５に記載
の流量検出装置。
【請求項７】複数の定温度制御回路の各出力と該各出
力の加算平均値との偏差を求め、該各偏差の上記加算平
均値に対する割合が設定値を超えたとき、上記出力を除
外した後の加算平均値を流量信号とする演算手段を設け
た請求項５に記載の流量検出装置。
【請求項８】複数の定温度制御回路の各出力から流量
変換した各流量値と該各流量値の加算平均値との偏差を
求め、該偏差の上記加算平均値に対する割合が設定値を
超えたとき、上記流量値を除外した後の加算平均値を流
量信号とする演算手段を設けた請求項５に記載の流量検
出装置。
【請求項９】定温度制御回路が発熱素子および温度検
出素子とともに流量検出用チップ上に設けられている請
求項５乃至８のいずれかに記載の流量検出装置。