WO2004106863A1

WO2004106863A1 - 熱式流量センサ

Info

Publication number: WO2004106863A1
Application number: PCT/JP2004/007542
Authority: WO
Inventors: Masamichi Yamada; Izumi Watanabe; Keiichi Nakada; Junichi Horie
Original assignee: Hitachi, Ltd.
Priority date: 2003-05-30
Filing date: 2004-05-26
Publication date: 2004-12-09
Also published as: EP3196602B1; US20060144138A1; JP2006052944A; EP1653201A1; JP4292026B2; JPWO2004106863A1; US7181962B2; EP3196602A1; EP1653201A4; EP1653201B1

Abstract

本発明の目的は、低コストで信頼性の向上した熱式流量センサを提供することにある。空洞部(7)を有する半導体基板(2)の前記空洞部上に電気絶縁膜を介して前記空洞部の中央近傍に少なくとも発熱抵抗体(4)を形成し、発熱抵抗体(4)の温度(Th)は媒体温度(Ta)に対して一定温度(ΔTh=Th-Ta)高く制御するとともに、発熱抵抗体(4)の空気の流れ方向に対する上流側端部から空洞部上電気絶縁膜の上流側端部の距離(Ws)と前記一定温度(ΔTh)が、ΔTh/Ws≦800(℃/mm)の関係を満たすように構成した、熱泳動効果によるカーボン等の浮遊性微粒子の付着を防止可能な低コストで信頼性の高い熱式流量センサ。

Description

明細書熱式流量センサ技術分野

本発明は、熱式流量センサに係り、特に内燃機関の吸入空気量を測定するのに好適な熱式流量センサに関する。背景技術

従来より自動車などの内燃機関の電子制御燃料噴射装置に設けられ吸入空気量を測定する流量センサとレて、熱式のものが質量空気量を直接検知できることから主流となってきている。

この中で特に、半導体マイクロマシニング技術により製造された流量センサが、コス卜が低減でき且つ低電力で駆動することが出来ることから注目されてきた。このような従来の半導体基板を用いた熱式流量センサとしては、当該出願人により出願された特開 2 0 0 1 - 4 1 7 9 0号公報に開示されたものがある。

特開 2 0 0 1—4 1 7 9 0号公報に記載の技術では、空洞部を有する半導体基板の前記空洞部上に電気絶縁膜を介して発熱抵抗体と発熱抵抗体の上下流に離間して一対の測温抵抗体を配置して上下流の測温抵抗体の温度差から流量を計測するいわゆる温度差方式が開示されている。

このような温度差方式では、空気の流れ方向の前記空洞部上電気絶縁膜の温度分布変化（温度差）から流量を計測するが、前記空洞部上電気絶縁膜および発熱抵抗体と上下流に配置された測温抵抗体の夫々の形状と相対位置関係が温度分布 (測定精度）に大きな影響を与える。

上記従来技術では、前記空洞部上電気絶縁膜の温度分布の対称性および計測流量範囲の拡大、高速応答性を実現する為に、前記空洞部上電気絶縁膜および発熱抵抗体と上下流に配置された測温抵抗体の夫々の形状と相対位置関係を規定している。

しかし、この構成では、自動車などの内燃機関に搭載して過酷な環境条件にて長期間使用した場合の信頼性が十分に考慮されておらず、長期間の使用により前記空洞部上電気絶縁膜にカーボン等の浮遊性微粒子が熱泳動効果により厚く付着する現象が出現して、計測精度が長期間十分に保てない問題がある。

また、上記のような汚損に対応した従来技術としては、同じく当該出願人により出願された特開平 1 1— 2 3 0 8 0 2号公報に記載されたものがある。

特開平 1 1一 2 3 0 8 0 2号公報に記載された従来技術は、発熱抵抗体上の保護膜の上に光触媒膜を形成し、更に発光手段を備えて光触媒膜に光を照射することにより、光触媒効果により汚損の影響を低減している。発明の開示

しかしながら、このように構成された従来の熱式流量センサにおいては、新たに光触媒膜を形成する必要があり、また光触媒膜に光を照射する発光手段が必要となり、流量計自体が大きくなるとともに部品点数が増大する為にコス卜が高くなるという問題点を有する。

本発明では、自動車などの内燃機関に搭載し過酷な環境条件にて長期間使用した場合でも、前記空洞部上電気絶縁膜にカーボン等の浮遊性微粒子が熱泳動効果により付着することを防止して低コストで信頼性の高い熱式流量センサを提供することを目的としている。

上記の目的は、空洞部を有する半導体基板の前記空洞部上に電気絶縁膜を介して前記空洞部の中央近傍に少なくとも発熱抵抗体を形成し、前記発熱抵抗体の温度を媒体温度より一定温度高く制御して流量を計測する熱式流量センサにおいて、前記発熱抵抗体の温度（T h ) は媒体温度（T a ) に対して一定温度（Δ Τ ίι = T h - T a ) 高く制御されるとともに、前記発熱抵抗体の空気の流れ方向に対する上流側端部から前記空洞部上電気絶縁膜の上流側端部の距離（W s ) と前記一定温度（A T h ) が、

A T h /W s≤ 8 0 0 (°C/mm)

の関係を満たすように構成することにより、新たな発光手段等の部品の追加することなく上記のカーボン等の浮遊性微粒子が熱泳動効果により付着することを防止することが出来る。また、前記一定温度（A T h)が 1 6 0 C以下で、且つ、前記距離 (W s )が 0 . 2 腿以上とすることで、より上記のカーボン等の浮遊性微粒子が付着することを防止することが出来る。

また、前記発熱抵抗体の上下流方向に離間して、前記空洞部上電気絶縁膜上に少なくとも一対の測温抵抗体を形成し、前記一対の測温抵抗体の温度差から流量を計測する構成においても、上記のカーボン等の浮遊性微粒子が付着することを防止することが出来る。

更に、前記空洞部上電気絶縁膜は略矩形形状で、空気の流れ方向の幅. (W) に対して空洞部の中央部の幅が一部広がつた略十字型形状としたことにより、より効果的に上記のカーボン等の浮遊性微粒子が熱泳動効果により付着することを防止することが出来る。

また、前記空洞部上電気絶縁膜は略矩形形状で、前記電気絶縁膜の上流側端部および下流側端部に補助発熱抵抗体を形成し、前記補助発熱抵抗体により前記電気絶縁膜の上下流端部境界を加熱する構成とすることにより、上記のカーボン等の浮遊性微粒子が熱泳動効果により付着することを防止することが出来るとともに、前記補助発熱抵抗体の電気導通状態から前記電気絶縁膜の破断状況を自己診断することが出来る。

被計測媒体の流速が常用の最低流速で 0 . 2 5 mZsec 以上になるように設定された内燃機関の吸入空気量を計測において、前記熱式流量センサを用いることにより、燃料噴射量を制御する低コス卜で高信頼性の内燃機関制御装置が実現される。図面の簡単な説明

図 1は、本発明の実施例である熱式流量センサ素子 1の平面を示す図である。図 2は、図 1の素子の A— A ' 断面を示す図である。

図 3は、図 1の素子のダイヤフラム部 3の拡大図である。

図 4は、熱式流量センサ素子 1の実装構造を示す図である。

図 5は、抵抗体 4， 5 a , 5 b , 5 c , 5 d , 6の電気回路を示す図である。図 6は、ダイヤフラム部 3の平面を示す説明図である。図 7は、図 6のダイヤフラム部 3の断面を示す説明図である。

図 8は、無風でのダイヤフラム部 3の温度分布を示す図である。

図 9は、媒体流ありでのダイヤフラム部 3の温度分布を示す図である。

図 10は、図 8，図 9のダイヤフラム部 3の断面の温度分布を示す説明図である。

図 1 1は、温度勾配とカーボン付着高さの関係を示す図である。

図 12は、本発明の第二の実施例である素子のダイヤフラム部 3の拡大図である。

図 13は、本発明の第三の実施例である素子のダイヤフラム部 3の拡大図である。

図 14は、本発明の各実施例に示した熱式流量センサを用いた自動車用ェンジンの電子燃料噴射システムのシステム構成図である。発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の実施例について、図面を参照して説明する。

図 1は、本発明の実施例の熟式流量センサ素子 1を示す平面図、図 2は、図 1 の測定素子 1の A— A ' 断面図、図 3は、図 1の空洞部上の電気絶縁膜（ダイヤフラム部） 3の拡大図である。

図 1, 図 2，図 3において、素子 1は、基板表面にて略矩形形状（長さ（L)，幅 (W)) の空洞 7を有する単結晶ケィ素（S i) 等の半導体基板 2，空洞 7上の電気絶縁膜 8 aおよび各抵抗体を保護するための電気絶縁膜 8 bからなるダイヤフラム部 3，幅（Wh) の発熱抵抗体 4，上流側測温抵抗体 5 a, 5 bと下流側測温抵抗体 5 c 5 d, 基板 2の上流部に形成され発熱抵抗体 4とプリッジ回路 (図示せず）を構成し媒体温度を計測する為の媒体温度測温抵抗体 6, 素子 1の信号を駆動制御回路と接続するための端子 12 (12 a, 12 , 12 c, 12 d, 12 e, 12 f , 12 g, 12 h)，各抵抗体と端子 12を接続するための配線接続部 11 (11 a， l i b, 1 1 c, l i d, 1 1 e, 1 1 f , 11 g, 1 1 h, 1 1 i , 11 j , I l k, 1 1 1) よりなる。

ここで、各抵抗体 4, 5 a, 5 b, 5 c, 5 d, 6は不純物ドープ処理された多結晶または単結晶ケィ素（S i) 半導体薄膜層よりなり、発熱抵抗体 4はダイャフラム部 3の中央部に媒体の流れに対して直交方向にほぼ一直線上に配置される。また、ダイヤフラム部 3を形成する電気絶縁膜 8 a， 8 bは、二酸化ケイ素 (S i 0₂ ) ゃ窒化ケィ素（S i ₃N₄) により約 2ミクロン厚に薄肉に形成されており、熱絶縁効果が十分得られる構造と成っている。

本発明の実施例である熱式流量センサは、以下の様な動作を行う。

空洞 7および電気絶縁膜 8 a， 8 bにより熱絶縁され、電気絶縁膜 8 a上に形成された発熱抵抗体 4には、発熱抵抗体 4の温度（Th) が媒体流 10の温度を示す媒体温度測温抵抗体 6の温度（Ta) より一定温度（ATh = Th— Ta) 高くなるように、加熱電流が流されている。

媒体流 10の流量および流れ方向は、発熱抵抗体 4の上下流に形成された上流側測温抵抗体 5 a， 5 bと下流側測温抵抗体 5 c, 5 dの温度（抵抗値）を比較することにより検知される。つまり、上流側測温抵抗体 5 a, 5 bと下流側測温抵抗体 5 c, 5 dは、媒体流がゼロのときはほぼ同じ温度を示し温度差が生じない。

一方、図 1の媒体流 10の方向（順流）ではおもに上流側に配置された上流側測温抵抗体 5 a, 5 bの方が下流側に配置された下流側測温抵抗体 5 c, 5 dより媒体流 10による冷却効果が大きいことから、上流側測温抵抗体 5 a, 5 bと下流側測温抵抗体 5 5 dの温度に差が生じ、この温度差から流量が計測される。

一方、媒体流 10が図 1の方向と反対（逆流）のときには、今度は下流側測温抵抗体 5 c， 5 dの温度の方が上流側測温抵抗体 5 a， 5 bの温度より低くなり、上流側測温抵抗体 5 a, 5 bと下流側測温抵坊体 5 c， 5 dの温度差の符号が逆転する。温度差から流量が、また温度差の符号から媒体流 10の方向が検知できる。

図 4は、図 1の素子 1を実装した熱式流量センサの実施例を示す断面図である。例えば、自動車等の内燃機関の吸気通路に実装した熱式流量センサの実施例を示す断面図である。熱式流量センサは、図のように、素子 1と支持体 14と外部回路 15とを含み構成される。そして吸気通路 9の内部にある副通路 13に素子 1 が配置される。外部回路 15は支持体 14を介して測定素子 1の端子 12に電気的に接続されている。

次に、図 5を参照し、本発明の実施例の回路動作について説明する。図 5は、図 1の素子 1の抵抗体 4, 5 a, 5 b, 5 c, 5 d， 6と駆動制御回路を示したものである。図中、 18は電源、 19は発熱抵抗体 4に加熱電流を流すためのトランジス夕、 20 a， 2 O bは抵抗、 16は AZD変換器等を含む入力回路と D 変換器等を含む出力回路と演算処理等を行う CPUからなる制御回路、 17 はメモリ回路である。

ここで、発熱抵抗体 4，媒体温度測温抵抗体 6，抵抗 20 a， 20bよりなるブリッジ回路の端子 12 a， 12 cの電圧が制御回路 16に入力され、加熱抵抗体 4の温度（Th) が媒体温度に対応する媒体温度測温抵抗体 6の温度（Ta) よりある一定温度（ATh = Th— Ta) 高くなるよう各抵抗値 20 a， 20 b が設定され制御回路 16により制御される。

上流側測温抵抗体 5 a, 5 と下流側測温抵抗体 5 c, 5 dの温度差は、上流側測温抵抗体 5 a, 5 b, 下流側測温抵抗体 5 c， 5 dのプリッジ回路の端子 1 2 g, 12 eの電位差より検出する。

流量の計測には、予め流量（Q) とブリッジ回路の端子 12 g， 12 eの電位差との関係をメモリ 17にマップとして記憶しておけば、端子 12 g， 12 eの電位差および大小関係から流量および流れの方向を計測し出力することが出来る。次に、上記の様に構成された熱式流量センサを自動車などの内燃機関に搭載して、過酷な環境条件にて長期間使用した場合におけるカーボン等の浮遊性微粒子の熱泳動効果により付着する現象に関して説明する。

図 6は、長時間使用後においてカーボン等の浮遊性微粒子の付着が見られた、熱式流量センサのダイヤフラム部 3の拡大平面図であり、図 7は、その断面図である。

21が、付着したカーボン等の浮遊性微粒子であり、長時間使用後において特にダイヤフラム 3の上流側の基板 2との境界で、且つ、中央部に集中して付着する。また、付着量は空気の流れが遅い場合に多く、下流側には殆ど付着していないのが特徴である。図 7に見るように、ダイヤフラム 3の上流側に付着したカーボン等の浮遊性微粒子 2 1は、使用時間の経過とともに堆積して、付着高さ（H) は最悪の場合数十 mの厚さに達する。このように大量に付着した場合、図 7の 2 2に示す様に、空気の流れ 1 0が付着したカーボン等の浮遊性微粒子 2 1が障害となって乱れる。ダイヤフラム 3に形成した発熱抵抗体 4および測温抵抗体 5 b， 5 dに対して、空気の流れ 1 0が適切に到達しなくなることにより、流量の検出精度が悪くなる。このようにカーボン等の浮遊性微粒子 2 1がダイヤフラム部 3に特徴的に付着する現象（熱泳動効果）に関して以下説明する。

カーボン等の浮遊性微粒子 2 1は、大きさが数 m程度であり、この程度の粒径になると、粒子の重力沈降による速度は極めて小さくなり、空気の流れに追随して浮遊する。

このような浮遊性微粒子が、温度勾配により壁面へ付着する性質が熱泳動効果である。熱泳動効果は、ブラウン運動が重要となるような小さな粒径の粒子状物質に対して特に影響が顕著な現象であり、気相媒体に温度勾配が存在する場合に粒子状物質が低温部へと拡散し壁面に付着する現象である。すなわち気相媒体の温度が高く、壁面の温度が低い場合には通常の拡散，付着よりも熱泳動による拡散，付着がはるかに支配的となる。

この現象は、気相媒体の分子運動が温度の高い方が活発であるため、粒子に衝突して与える運動量が温度の高い側の方が、低い側の方よりも大きく、結果として温度の違いによる分子運動の差から粒子状物資に熱泳動効果による作用力が生じる。この力により、粒子状物質に移動速度（V ) が発生する。この移動速度 ( V ) は、次式で与えられる。

v = - C X ( v a /T a ) X g r a d (T a )

ここで T aは媒体の温度、レ aは媒体の動粘性係数である。また Cは熱泳動の係数である。

上式から熱泳動効果は、媒体の温度（T a ) が低温で、且つ、空間における媒体温度の勾配が大きい（温度分布が急峻）場合に効果が大きいことが分かる。この熱泳動効果により、図 6および図 7に示したカーボン等の浮遊性微粒子の特徴的な付着現象が説明できる。以下、この現象の原因について説明する。図 8および図 9は、熱式流量センサのダイヤフラム部 3の温度分布を示したもので、図 8は媒体流 10が無い場合、図 9は媒体流 10がある場合である。図 8の媒体流 10が無い場合のダイヤフラム部 3の温度分布は、発熱抵抗体 4 が配置されたダイヤフラム 3の中央部分が最も温度が高く（Th) の温度で示された長楕円形状の等温度分布を示す。ダイヤフラム部の周辺に近づくに従い、 T 2, T3 (Th>T2>T3) と同じく長楕円形状の等温度分布を保ちながら温度が下がる。ダイヤフラム部 3周辺の基板 2の温度は、基板 2が熱伝導率の良い単結晶 S i基板となっており、且つ、基板体積が十分に大きい（熱容量が大きい）ことからほぼ媒体温度（Ta) となる。

図 9の媒体流 10がある場合のダイヤフラム部 3の温度分布は、発熱抵抗体 4 の上流側が媒体の冷却効果により下がり、下流側が発熱抵抗体 4により暖められることから、下流側に長楕円形状の等温度分布がシフトする。但し、発熱抵抗体 4が配置されたダイヤフラム 3の中央部分は常時加熱されている為に、図 8の無風状態とほぼ同じく（Th) の温度で示された長楕円形状の等温度分布となる。図 8および図 9から、ダイヤフラム部 3において最も温度勾配の大きいのは、中央部の B— B' で示された領域である。この部分に注目して B— B' のダイヤフラム部 3の断面および温度分布を示したのが図 10である。

図 10において、ダイヤフラム部 3の幅が W、発熱抵抗体 4の幅が Wh、発熱抵抗体 4の上流側端部からダイヤフラム部 3の上流側端部までの距離が W s、発熱抵抗体 4の下流側端部からダイヤフラム部 3の下流側端部までの距離が W dである。ここで、下流側距離 Wdとしては、逆流および温度分布の対称性から、上流側端部までの距離が Ws寸法と同じように設計されていたほうが良い。図 8に示した無風状態での温度分布に対応したダイャフラム直上の媒体温度分布が実線 23であり、図 9に示した媒体流 10がある場合の温度分布に対応したダイヤフラム直上の媒体温度分布が点線 24である。基板 2は空気の温度（Ta) に、発熱抵抗体 4は温度（Ta) よりある一定温度（ATh = Th— Ta) 高い Thに加熱される。

ここで、発熱抵抗体 4の加熱温度（Th) としては、図 8，図 9に示した様にダイヤフラム部にて長楕円形状の等温度分布となることから、ダイヤフラム部 3 上の発熱抵抗体 4の平均温度（発熱抵抗体 4の抵抗値と抵抗温度係数から算出される平均温度）で定義している。

図 10において、無風での温度分布 23では、ダイヤフラム部 3の上流側および下流側端部において温度分布が急峻に変化するが、媒体流 10がある場合の温度分布 24では、ダイヤフラム部 3の上流側端部 C部でのみ温度分布が急峻に変化する。発熱抵抗体 4に加熱された空気が、下流に流れ下流側端部の媒体温度が上昇し緩やかな温度分布となるからである。

自動車などの内燃機関に搭載して使用する場合は、媒体流 10として吸入空気が常用の最低流速で 0.25mZsec以上となっている。このような条件では、ダィャフラム部 3の上流側端部 C部でのみ、下流側端部に比べて、温度分布が急峻に変化することになることから、前記（数 1) 式に示した grad (Ta) 項が大きくなり、熱泳動効果の作用力が C部に集中してカーボン等の浮遊性微粒子が付着することになる。このような理由により、上記の図 6および図 7に示した、長時間使用後におけるカーボン等の浮遊性微粒子の付着が、ダイヤフラム 3の上流側の基板 2との境界でのみ、且つ、中央部に集中して付着する現象が説明できる。長時間使用後におけるカーボン等の浮遊性微粒子の付着状況を、種々の条件にて検討した。その結果、前記 (数 1)式に示した熱泳動効果における、 grad(Ta) の項、すなわち、空間における媒体（空気）温度の勾配（ダイヤフラム 3の上流側温度分布）とカーボン等の浮遊性微粒子の付着量（高さ H) との間に強い相関が見られた。

図 11の曲線 25は、発熱抵抗体 4の加熱温度（ATh = Th— Ta) と発熱抵抗体 4の上流側端部からダイヤフラム部 3の上流側端部までの距離（Ws) を、種々変えた場合における力一ボン等の浮遊性微粒子の付着量（高さ H) をまとめた結果である。ダイヤフラム部 3の上流側温度勾配（△ T h Z W s )が大きくなるに従い、付着高さ（H) が序々に大きくなるが、特に、温度勾配（AThZW s) が 800 (°C /画）を超えると急激に付着高さ（H) が増大する。

温度勾配（AThZWs) が 800 CC/mm) の領域は、恐らく自動車などの内燃機関での吸入空気の常用の最低流速が 0.25mZsec以上であること、また、内燃機関から発生するカーボン等の浮遊性微粒子の粒径および質量と、前記（数 1) 式に示した熱泳動効果による作用力が釣り合う領域（閾値）になっているものと想定される。

図 1 1の温度勾配（AThZWs)' が 800 (°C/mm) 以下の領域 26と成るように、発熱抵抗体 4の加熱温度（ATh = Th— Ta) と発熱抵抗体 4の上流側端部からダイヤフラム部 3の上流側端部までの距離（Ws) を設定することによりカーボン等の浮遊性微粒子の付着を防止することが出来る。

特に、温度勾配（AThZWs) が 800 (°C/皿）以下としては、発熱抵抗体 4の加熱温度（ATh) が 160 CO を超える高温度では特にカーボン等の浮遊性微粒子の付着が顕著となることから、発熱抵抗体 4の加熱温度（ATh) が 1 60 (°C) 以下で、且つ、発熱抵抗体 4の上流側端部からダイヤフラム部 3 の上流側端部までの距離（Ws) が 0.2職以上の時に、カーボン等の浮遊性微粒子の付着が抑制された。ここで、例えば、長さ Lが 2〜3mm、幅 Wが 700 τη, 幅 Whが 100 mで、発熱抵抗体 4の加熱温度（ΔΤίι) が 120 (°C) としたとき、幅 Wsを 300 mとしている。

但し、距離（Ws) が大きくなり過ぎると、ダイヤフラム部 3の幅 (W)が大きくなり、ダイヤフラム部の機械強度の低下および熱容量の増加に伴う応答速度の低下につながるので注意を要する。

上記の様に構成された本発明の実施例の熱式流量センサでは、ダイヤフラム部 3の上流側温度勾配（AThZWs) を 800 (°CZ職）以下とすることにより、自動車などの内燃機関に搭載して過酷な環境条件にて長期間使用した場合においても力一ボン等の浮遊性微粒子の熱泳動効果による付着が防止でき信頼性の向上が図れる。また、従来例の様に、新たな追加部品（発光手段等）が不必要であることから、低コス卜で信頼性の高い熱式流量センサが提供できる。

図 12は、本発明の第二の実施例である熱式流量センサ素子 1のダイヤフラム部 3の拡大図である。図 3の第一の実施例と異なるのは、ダイヤフラム部 3の中央部に幅広部 3 a， 3 bを設けた略十字型のダイヤフラムとしたことである。幅広部 3 a， 3 bの幅 L 2は、抵抗体 4の高温部の幅のほぼ等しくすればよく、例えば、長さ Lを 2〜 3mmとしたとき、幅 L 2は 1 mm程度とする。

このような構成とすることにより、ダイヤフラム部 3の中央部における発熱抵抗体 4の上流側端部からダイャフラム部 3の上流側端部までの距離 (W s )を確保しつつ、ダイヤフラム部 3の周辺部の幅（W) を小さくすることができる。ダイャフラム部 3の周辺部の幅（W) を小さくすることにより、ダイヤフラム部の機械強度の低下および熱容量の増加に伴う応答速度の低下を伴うことなく、カーボン等の浮遊性微粒子の付着を防止することが可能となる。

図 13は、本発明の第三の実施例である熱式流量センサ素子 1のダイヤフラム部 3の拡大図である。図 3の第一の実施例と異なるのは、ダイヤフラム部 3の中央部における基板 2との境界部周辺に、補助発熱抵抗体 4 a， 4 bを形成したことである。

補助発熱抵抗体 4 a， 4 を形成しダイヤフラム部 3の中央部における基板 2 との境界部周辺を、例えば、（吸気温 Ta + 20〜40°C) に加熱することにより図 10に示した最もカーボン等の浮遊性微粒子の付着し易い C部における急峻な温度分布を和らげることが出来る。このため、 C部における熱泳動効果が低減され、カーボン等の浮遊性微粒子の付着を防止することができる。

また、上記の補助発熱抵抗体 4 a, 4 bの導通状態を監視しておくことにより、ダイヤフラム部 3が不具合により破壊されたことを検知する自己診断情報を得ることも可能である。

次に、本発明の実施例である熱式流量センサ素子 1の製造方法に関して説明する。

基板としては、単結晶ケィ素（S i) 等の半導体基板 2を用いる。ベースとなる単結晶ゲイ素（s i) 基板 2の表面を、熱酸化あるいは CVD法等により所定の厚さ約 1 mの電気絶縁膜 8 aとなる二酸化ケイ素（S i〇2 ) と窒化ケィ素

(S 13N4) を形成する。次に、抵抗体として、厚さ約 1 mの多結晶ゲイ素

(S i) 半導体薄膜を CVD法等により積層する。

次に、多結晶ケィ素（S i) 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、公知の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、多結晶ケィ素（S i) 半導体薄膜をパターニングし、所定の抵抗体 4, 5 a, 5 b, 5 c， 5 d, 6と配線接続部 1 1 (11 a， l i b, 11 c, l i d, l i e, l l f, 11 g， 11 h, l l i， 1 1 j , I l k, 1 1 1 ) が得られる。

その後工程では、保護膜 8 bとして電気絶縁膜 8 aと同様に、二酸化ケイ素（S i〇2) と窒化ケィ素（S i 3N4) 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に端子 12 (12 a, 12 b, 12 c, 12 d, 12 e, 12 f , 12 g, 12h) の部分の保護膜 8 bを除去し、端子電極 12 が、アルミニウム，金等で形成される。また、各抵抗体と端子 12を接続するための配線接続部 11を、多結晶ケィ素（S i) 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、単結晶ケィ素（S i) 半導体基板 2の裏面にエッチングのマスク材を所定の形状にパターエ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 7を形成して、本実施例の熱式流量センサ素子 1が完成する。

本実施例では、抵抗体として多結晶ケィ素（S i) 半導体薄膜を用いた実施例に関して説明したが、白金等の金属材料を用いた場合でも同様の効果が得られる。また、発熱抵抗体 4として、ダイヤフラム部 3上に略 I字状に一直線形状としたが、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。また、本実施例では、発熱抵抗体 4の上下流に配した二対の測温抵抗体 5 a, 5 b, 5 c, 5 dについて説明し'たが、一対の測温抵抗体の構成でも同様の効果が得られる。

また、本実施例では、発熱抵抗体 4の上下流に配した測温抵抗体の温度差から流量および流れの方向を計測する温度差方式を説明したが、発熱抵抗体 4の加熱電流から流量を計測する直熱方式においても、同様の効果が得られることは自明である。

次に、図 14を用いて、本発明の各実施例に示した熱式流量センサを用いた自動車用エンジンの電子燃料噴射システムの構成について説明する。

エンジン 212に吸入された空気は、図示していないエアクリーナを通過し、熱式流量センサ 1で空気流量が計測された後に、吸気管 214, スロットル部 2 13を通過し、インジェクタ 210から供給される燃料と混合されてエンジン 2 12へ流入する。この混合された燃料はエンジン 212で燃焼された後、排気ガスとして排気管 211を通って大気中に排出される。熱式流量センサ 1から出力される信号 201と、補助信号である例えばクランク角センサ 217の信号 21 8や図示しない空燃比センサ等の運転状態をモニタする各種信号 215は、ェンジンコントロールユニット（以後 ECUと称す） 206に取り込まれる。そして、リーンバーン等に対して最適な運転状態が得られるように、インジェク夕 210 から噴霧される燃料噴射量が設定される。

ECU206は、主として入力ポート 203， RAM204, ROM205, CPU208, 出力ポート 207から構成される。 ECU206に入力された信号は演算処理を施された後、制御信号として出力ポート 207から図示しない各種ァクチユエ一夕に送られる。'ここでは、例としてインジェクタ 210に送られる信号 209のみが示されている。

この実施例では ECU 206内部で空気流量の演算処理を実行しているが、演算処理を、熱式流量センサ 1自身またはプリプロセッサ 216の内部で実行してもよい。また、一部の処理を熱式流量センサ 1またはプリプロセッサ 216が分担してもよい。プリプロセッサ 216で行う場合、プリプロセッサ 216が最低限必要とする信号は、熱式流量センサ 1の信号である。産業上の利用可能性

本発明によれば、熱泳動効果によるカーボン等の浮遊性微粒子が付着することを防止することが出来るとともに、低コストでより信頼性の高い熱式流量センサが提供できる。

Claims

請求の範囲

1. 空洞部を有する半導体基板の前記空洞部上に電気絶縁膜を介して前記空洞部の中央近傍に少なくとも発熱抵抗体を形成し、前記発熱抵抗体の温度を被計測媒体温度より一定温度高く制御して流量を計測する熱式流量センサにおいて、前記発熱抵抗体の温度（Th) は媒体温度（Ta) に対して一定温度（ΔΤΙι = Th-Ta) 高く制御されるとともに、

前記発熱抵抗体の空気の流れ方向に対する上流側端部から前記空洞部上電気絶緣膜の上流側端部の距離（Ws) と前記一定温度（ΔΤΙι) が、

厶 Th/Ws≤800 (°C/腿）

の関係を満たすように構成されたことを特徴とする熱式流量センサ。

2. 請求項 1記載の熱式流量センサにおいて、

前記一定温度（ΔΤίι) が 160°C以下で、且つ、前記距離（Ws) が 0.2m m以上であることを特徴とする熱式流量センサ。

3. 請求項 1記載の熱式流量センサにおいて、

前記発熱抵抗体の上下流方向に離間して、前記空洞部上電気絶縁膜上に少なくとも一対の測温抵抗体を形成し、前記一対の測温抵抗体の温度差から流量を計測することを特徴とする熱式流量センサ。

4. 請求項 1記載の熱式流量センサにおいて、

前記空洞部上電気絶縁膜は略矩形形状で、媒体の流れ方向の幅（W) に対して空洞部の中央部の幅が一部広がつた略十字型形状としたことを特徴とする熱式流量センサ。

5. 請求項 1記載の熱式流量センサにおいて、

前記空洞部上電気絶縁膜は略矩形形状で、前記電気絶縁膜の上流側端部および下流側端部に捕助発熱抵抗体を形成し、前記補助発熱抵抗体により前記電気絶緣膜の上下流端部境界を加熱するすることを特徴とする熱式流量センサ。

6 . 請求項 5記載の熱式流量センサにおいて、

前記補助発熱抵抗体の電気導通状態から前記電気絶縁膜の破断状況を自己診断することを特徴とする熱式流量センサ。

7 . 請求項 1に記載の前記熱式流量センサにおいて、

被計測媒体の流速は、常用の最低流速で 0 . 2 5 m/sec以上になるように設定されていることを特徴とする熱式流量センサ。

8 . 請求項 1に記載の前記熱式流量センサを用いて内燃機関の吸入空気量を計測し、燃料噴射量を制御する内燃機関制御装置。