WO2016051941A1 - 熱式空気流量センサ - Google Patents

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air flow
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circuit
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良介 土井
保夫 小野瀬
松本　昌大
中野　洋
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日立オートモティブシステムズ株式会社
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    • G01F1/688—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow using a particular type of heating, cooling or sensing element
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    • G01F5/00—Measuring a proportion of the volume flow

Definitions

  • the present invention relates to a sensor for detecting a physical quantity, and more particularly to a thermal flow sensor for detecting an intake air flow rate of an internal combustion engine.
  • thermal sensor that is provided in an intake air passage of an internal combustion engine such as an automobile and detects the amount of intake air has become mainstream because it can directly detect the amount of mass air.
  • semiconductor circuit elements such as LSIs and microcomputers are often used to drive the air flow element with a heater, and are circuit elements and elements connected to each electrode pad directly via a gold wire or the like? Alternatively, it is mainly used by being electrically connected to the electrode pad and the substrate wiring part through a ceramic wiring substrate that supports circuit elements and elements, respectively.
  • Functional safety is one of the recent demands for automotive parts.
  • Functional safety refers to, for example, when any abnormality occurs in each sensor and each actuator constituting an engine fuel injection system, the engine control unit (ECU) stores and detects the occurrence of the abnormality, and an instrument panel (instrument) By turning on the warning lamp on the panel), the driver can recognize that there is an abnormality in some part of the car parts by notifying the driver that an abnormality has occurred, and stop driving early. You can return to a safe state by repairing or replacing parts. As a result, it is possible to prevent dangerous traveling such that the normal operation is continued even if the automobile parts are in some abnormal state.
  • each component diagnoses whether the current state is normal or abnormal, and if there is an abnormality, it can be accurately transmitted to the ECU.
  • each component for example, sensor diagnoses whether the current state is normal or abnormal, and if there is an abnormality, it can be accurately transmitted to the ECU.
  • a self-diagnosis function if there is a partial abnormality in a single component, is it equipped with a function of outputting a failure signal by itself? This is generally called a self-diagnosis function.
  • a short circuit between adjacent electrode pads is considered as one of the failure modes of the thermal flow sensor.
  • the power supply potential is short-circuited with the ground potential
  • means for detecting a short circuit using a comparator is generally used.
  • a bridge circuit is configured to extract the intermediate potential, a short circuit between the intermediate potentials has not been considered so far.
  • the short circuit between the electrode pads may be a short circuit through a void in the resin. This problem will be described in detail with reference to FIGS.
  • the thermal flow sensor 50 is inserted into the intake duct 40.
  • the thermal flow sensor 50 includes an air flow rate detection element 10 and an LSI 70 that is a drive circuit.
  • the air flow rate detection element 10 is bonded onto the ceramic substrate and the electrical continuity is connected to the electrical wiring layer 65 in the ceramic substrate using a gold wire 90.
  • the LSI 70 is bonded on the ceramic substrate, and the electrical continuity is connected to the electric wiring in the ceramic substrate using the gold wire 90.
  • the air flow rate detecting element 10 and the LSI 70 are electrically connected.
  • the flow rate can be detected by taking a part of the air flow flowing in the intake duct into the thermal flow sensor and flowing on the air flow detection element 10.
  • the electrical conduction portion of the air flow rate detection element 10 will be described with reference to FIG. Since the element is directly exposed to engine intake air as described above, various substances such as water, sulfur gas, and oil are scattered on the element. In order to protect the electrode pad portion 30 and the gold wire portion 90 from these substances, it is common to perform resin sealing 100.
  • a void 101 may be formed inside the resin seal.
  • the formation of voids is not a problem as a product.
  • liquid (gas) substances such as water accumulate in the voids over a long period of time. A case is assumed.
  • Patent Document 1 shows an arrangement of electrode pads of elements of a thermal flow sensor as an example.
  • the consideration with respect to the short circuit between the adjacent pads shown above is inadequate. Specifically, it is a case where adjacent electrode pads of intermediate potential are short-circuited. This problem will be described with reference to FIGS.
  • FIG. 5 is a diagram simply showing a wiring portion of an element of a driving circuit of a general thermal flow sensor described in Patent Document 1.
  • a flow rate detection bridge configured by a bridge circuit that controls the heating resistor (heater) 21 and side temperature resistors 22 and 23 disposed upstream and downstream of the heater is configured.
  • FIG. 6 is a diagram simply showing the arrangement of the electrode pads described in Patent Document 1. In FIG. The output of the thermal flow sensor when this circuit operates normally is shown in FIG. When the circuit is normal, Vmax and Vmin are output corresponding to the maximum value Qmax of the flow rate and the minimum value Qmin of the flow rate. On the other hand, FIG. 8 shows an output voltage when the S2 and V2MA terminals in FIG. 6 are short-circuited.
  • the greatest effect of the characteristic after the short circuit is when the flow rate output signals S1 and S2 are short-circuited.
  • a voltage V0 corresponding to zero output is always output regardless of the air flow rate.
  • This case is also within the normally used output range shown in FIG. In this case, even if the characteristics change as shown in FIG. 9, the engine control side ECU cannot recognize the abnormality, and therefore, the engine may be controlled with the original characteristics shown in FIG. 7.
  • An object of the present invention is to provide a thermal flow sensor capable of self-diagnosis.
  • the thermal type flow rate sensor including a semiconductor element for detecting a flow rate provided with an electrode pad for electrical continuity with the outside
  • at least two or more of the electrode pads are provided.
  • the electrode pads adjacent to the electrode pads can be solved by a thermal flow sensor characterized in that electrode pads having potentials outside the output range used for detecting the flow rate are arranged.
  • thermo flow sensor capable of performing self-diagnosis even when adjacent pads are short-circuited among electrode pads provided on an element for detecting a flow rate.
  • thermo type flow sensor by this invention. It is explanatory drawing in one Embodiment of the thermal type flow sensor by this invention. It is a schematic explanatory drawing of a thermal type flow sensor. It is explanatory drawing in the electrical connection of an air flow rate detection element. It is explanatory drawing in one Embodiment of the conventional thermal type flow sensor. It is explanatory drawing in one Embodiment of the conventional thermal type flow sensor. It is explanatory drawing in one Embodiment of the conventional thermal type flow sensor. It is explanatory drawing in one Embodiment of the conventional thermal type flow sensor. It is explanatory drawing in one Embodiment of the conventional thermal type flow sensor. It is explanatory drawing in one Embodiment of the conventional thermal type flow sensor. It is explanatory drawing in one Embodiment of the conventional thermal type flow sensor. It is sectional drawing in an air flow rate detection element.
  • a method for manufacturing the air flow rate detection element 10 will be described with reference to a cross-sectional view shown in FIG.
  • An insulating oxide film 11 is formed on the silicon substrate 12, a resistance wiring layer 13 is formed thereon, and patterning is performed by etching.
  • An insulating oxide film 11 is further formed thereon.
  • the upper insulating oxide film is etched to form a contact portion, and an electrode wiring layer 14 such as aluminum is formed thereon.
  • patterning is performed by etching, and an electrode pad is formed.
  • KOH potassium hydroxide
  • FIG. 2 shows a circuit diagram of the air flow element 10.
  • a heating resistor Rh which is a circuit in which a bridge circuit is formed by the upstream temperature resistors Ru1, Ru2 and the downstream temperature resistors Rd1, Rd2.
  • FIG. 1 shows the arrangement of each resistor.
  • a heating resistor is disposed at the center of the diaphragm 20, and side temperature resistors are disposed on the upstream side and the downstream side, respectively.
  • This element and the LSI are electrically connected, and by applying a constant voltage from the LSI to the Rh-GNDH terminal, the element is heated and a temperature distribution is formed in the diaphragm portion. Thereby, the temperature difference between the upstream and downstream can be detected and the air flow rate can be measured.
  • FIG. 1 shows the arrangement of the electrode pads 30 at each potential shown in FIG. These electrode pads are arranged so that the electrode pads adjacent to the electrode pads (S1, S2) that output a flow rate signal become electrode pads that have a potential outside the output range used during flow rate detection.
  • FIG. 11 shows a truth value of a short circuit between adjacent electrode pads of S1 and S2 in the case of the above arrangement. In addition, each potential level used in this calculation is shown. Each value indicates the potential of a general thermal flow sensor, but this truth table gives the same result even when the power supply voltage and output range are different for each product. Further, regarding the short circuit between VH and VCC1, there is no problem even if the short circuit occurs because the same potential is set.
  • the output value after a short circuit as specified in the above problem is outside the range normally used. Therefore, a self-diagnosis is possible as a thermal flow meter, and the ECU side is accurate. Can detect product abnormalities.
  • a thermal flow sensor capable of self-diagnosis can be provided in all cases where adjacent electrode pads are short-circuited.
  • the effect of self-diagnosis of the thermal flow sensor can be obtained if the arrangement relationship of the electrode pads satisfies the above conditions. Obtainable.
  • FIG. 13 shows a simple signal diagram when the element 10 and the LSI 70 are connected.
  • the output voltage (S1-S2) of the element is input to an A / D converter inside the LSI and converted into a digital value.
  • arithmetic processing is performed by the DSP, and the output value is converted from a digital value to a desired output value by the output conversion circuit and output as an output QOUT of the thermal flow sensor.
  • the input signal is linearly converted into a digital value during a specific input range ( ⁇ VD to + VD), but is fixed at a HIGH level and a LOW level for other inputs.
  • the HIGH level is 32767 and the LOW level is ⁇ 32768.
  • the voltage VD of 32767 varies somewhat, and thus the digital voltage value varies for each product.
  • an input of VD or higher is always fixed at a HIGH level, and therefore has a constant digital value regardless of the product.
  • VCC1 When VCC1) is set to OUT3, when the VCC1 electrode pad is short-circuited to either one of the both-end electrode pads, the respective inputs are OUT3-OUT2 or OUT1-OUT3.
  • the absolute value of the input value is larger than the value of VD, it is always fixed to HIGH level or LOW level.
  • the input voltage is generally set to be in the linear region of the A / D converter, and is generally set with some margin from the saturation region (for example, Normally, the input range is such that the digital value is about ⁇ 20000 to 20000), and normally 5V or 0V is not output.
  • the ECU side self-diagnosis can be performed more clearly whether it is normal or abnormal regardless of variations in the thermal flow sensor product.
  • VH and VCC1 are power sources having the same potential, but depending on the product, they may be set at different potentials. In that case, it is necessary to diagnose a short circuit between VH and VCC1. With respect to this, it is possible to easily detect a short circuit by forming two power supply circuits 77 having the same potential as shown in FIG.
  • FIG. 15 the configuration of the present invention when the heater driving method is different from that of the first embodiment will be described with reference to FIGS. 15, 16, and 17.
  • FIG. 15 the configuration of the present invention when the heater driving method is different from that of the first embodiment will be described with reference to FIGS. 15, 16, and 17.
  • FIG. 16 shows a circuit diagram of the air flow element 10
  • FIG. 17 shows a signal diagram when connected to the drive element LSI 70.
  • a bridge for controlling the heater heating temperature is added to the first embodiment.
  • FIG. 15 shows the arrangement of the respective resistors.
  • a heater temperature sensitive resistor (Rhs) 24 is disposed in the peripheral portion of the heater 21, and thereby Rhs also rises in temperature due to the heat of the heater. Along with this, the Rhs resistance increases, and heating is performed until the V2P terminal and the V2MA terminal of the bridge circuit have the same potential. Thereby, the temperature of the heater is controlled to be an arbitrary temperature.
  • the fixed resistor (Rc1, Rc2, Rc3) 26 of the heater temperature control bridge is not formed on the diaphragm portion but on the silicon carbide.
  • FIG. 15 shows the arrangement of the electrode pads at each potential shown in FIG.
  • These electrode pads are the electrode pads (S1, S2) that output the flow rate signal, the electrode pads (V2P, V2MA) that output the intermediate potential of the bridge circuit that controls the heater temperature, and the electrode pads that output the heater power supply.
  • VH The potentials of the pads adjacent to each other are arranged to be the power supply potential (VCC1, VC2) of the bridge circuit, the ground potential (GND1), or the ground potential (GNDH) of the heater.
  • VCC1, VC2 the power supply potential
  • GGD1 ground potential
  • GNDH ground potential
  • the difference from the idea of the first embodiment is that the heater power supply VH is handled as an intermediate potential.
  • VH is driven at a constant voltage by an LSI fixed power source.
  • VH is a feedback circuit, and therefore VH changes depending on the presence or absence of air flow and temperature change.
  • S2 and S2 it is necessary to treat it as an intermediate potential.
  • the adjacent pads are arranged under exactly the same conditions as in the first embodiment, so that self-diagnosis is possible in all short-circuit modes.
  • the condition of the potential of the adjacent electrode pad is the same as that of the electrode pad that outputs the flow rate signal. Output fluctuation at short circuit is different.
  • the intermediate potential of the bridge circuit that controls the temperature of the heater is the bridge power supply voltage or short-circuited to the ground potential, the input of the operational amplifier shown in FIG. VH always sticks to the HIGH level. If this state is monitored by the heater voltage determination circuit 73, the short circuit can be detected.
  • the VH voltage is stored in the memory inside the LSI for a certain period, and if it is all HIGH level (or LOW level) for a certain period, it is determined as abnormal and outputs a self-diagnosis output signal. It can be solved by such means.
  • the short circuit can be detected by monitoring with the heater voltage determination circuit 73.
  • the heater voltage determination circuit 73 monitors the short circuit, the short circuit can be detected.
  • the potential of the electrode pad adjacent to VH is the ground potential as in this embodiment. It may be arranged so that
  • the self-diagnosis output signal when the output QOUT of the thermal type flow sensor is a voltage output or a frequency output, as shown in FIG. 21, it is most diagnosed if it is set so that it is outside the normally used output range. Easy to do.
  • the heater voltage determination circuit detects an abnormality, the signal is input to the DSP, and the digital value of the flow rate output signal is forcibly replaced with 32767 or -32768.
  • QOUT is outside the normally used output range.
  • the output QOUT of the thermal flow sensor is a digital output such as SENT or LIN
  • the diagnosis is most easily performed if a fault flag is assigned to a specific bit and output. Can be. If only one of the bits to be transmitted is set as an abnormality flag, the ECU can recognize that an abnormality has occurred in the thermal flow sensor.
  • the bits may be set in conformity with the output signal receiving ECU.
  • Example 3 it is possible to provide a thermal flow sensor capable of self-diagnosis in all cases where adjacent electrode pads are short-circuited.
  • the effect of self-diagnosis of the thermal flow sensor can be obtained if the arrangement relationship of the electrode pads satisfies the above conditions. Obtainable.
  • FIG. 19 shows a circuit diagram of the air flow element 10
  • FIG. 20 shows a signal diagram when connected to the drive element LSI 70.
  • an adjustment resistor (Rm) 26 for controlling the heater heating temperature with higher accuracy is added to the third embodiment. Accordingly, a circuit is formed on the LSI side so that an arbitrary voltage value V2MC can be selected from the both-end potential of the adjustment resistor. As a result, in the third embodiment, only the adjustment potential V2MA can be selected. However, since the adjustment potential can be arbitrarily selected within a certain range, the heater heating temperature can be controlled with higher accuracy.
  • FIG. 18 shows the arrangement of the electrode pads 30 at each potential shown in FIG.
  • the electrode pads (S1, S2) that output the flow rate signal and the electrode pads (VH) that output the heater power supply are adjacent to the power supply potentials (VCC1, VCC2) of the bridge circuit.
  • the ground potential (GND1) of the heater or the ground potential (GNDH) of the heater, and the electrode pads (V2MA, V2MB) of both terminal potentials of the adjustment resistor are arranged so as not to be adjacent to each other. .
  • the short circuit between the intermediate potential (V2P) on the heater temperature sensitive resistor side of the bridge circuit and the potentials (V2MA, V2MB) of both terminals of the adjustment resistor is not limited. .
  • the pad arrangement must be configured so that the potentials at both terminals of the adjustment resistor are not short-circuited.
  • V2P and V2MA are short-circuited, there is a relationship of V2MA> V2MC> V2MB as described above, and therefore V2P and V2MC are not always at the same potential.
  • VH the output of the operational amplifier
  • the adjacent pads are arranged under exactly the same conditions as in the third embodiment. Self-diagnosis is possible in the mode.
  • a thermal flow sensor capable of self-diagnosis can be provided in all cases where adjacent electrode pads are short-circuited.
  • the effect of self-diagnosis of the thermal flow sensor can be obtained if the arrangement relationship of the electrode pads satisfies the above conditions. Obtainable.

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Abstract

　自己診断することが可能な熱式流量センサを提供すること　外部との電気的導通のための電極パッドが設けられ流量を検出する半導体素子を備えた熱式流量センサにおいて、前記電極パッドは、少なくとも２つ以上設けられ、前記電極パッドに隣接する電極パッドは、流量検出時に用いられる出力範囲外の電位となる電極パッドが配列されている。

Description

熱式空気流量センサ
　本発明は、物理量を検出するセンサに係り、特に、内燃機関の吸入空気流量を検出する熱式流量センサに関するものである。
　従来、自動車などの内燃機関の吸入空気通路に設けられ、吸入空気量を検出する流量センサとして、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。
　最近では、半導体マイクロマシニング技術によりシリコン基板上に抵抗体や絶縁層膜を堆積した後で、ＫＯＨなどを代表とする溶材でシリコン基板の一部を除去し、薄膜部（ダイアフラム）を形成する空気流量エレメントが高速応答性を有することや、逆流検出も可能であることから注目されている。
　一方、上記空気流量エレメントをヒータ加熱駆動するためにＬＳＩやマイコンなどの半導体回路素子を使用する場合が多く、回路素子とエレメントは各々の電極パッドを直接金線ワイヤなどを介して接続されるか、あるいは、回路素子およびエレメントを支持するセラミック配線基板などを介してそれぞれ、電極パッドと基板配線部へ電気的に接続されて使用されることが主流である。
　一方、自動車用部品として近年要求されることとして機能安全性が挙げられる。機能安全とは、例えばエンジンの燃料噴射システムを構成する各センサー及び各アクチュエータに、なんらかの異常が発生した場合、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）は異常の発生を記憶・検知し、インスツルメンタルパネル（計器盤）の警告ランプを点灯させるなどして、ドライバーに異常発生を知らせることによって、ドライバーは自動車部品のどこか一部に異常があることを認知することができ、走行を止めるなどして早期に修理や部品交換などをして安全な状態に復帰できる。これによって、自動車部品が何らかの異常のある状態であっても通常運転を継続するような危険な走行を防止できる。この機能安全において重要なことは、各部品（例えば、センサ）各々が、現在の状態が正常なのか異常なのかを診断し、異常がある場合は、ＥＣＵに正確に伝達できるかという点である。言い換えると、部品単体で部分的に異常がある場合に、自身で故障信号を出力するという機能が備わっているかということである。これを自己診断機能と呼ぶことが一般的である。例えば、これらの技術に関して特許文献１に記載のものがある。
特開２０１４－１９９３号公報
　自己診断をするにあたり、熱式流量センサの故障モードの一つとして、隣接する電極パッド間の短絡が考えられる。例えば、電源電位がグランド電位と短絡した場合などは、比較器を用いて短絡を検出する手段が一般的に用いられている。しかしながら、ブリッジ回路を構成してその中間電位を取り出す場合において中間電位同士の短絡はこれまで考慮されていなかった。
　電極パッド間の短絡は樹脂内のボイドを介して短絡する場合が考えられる。この問題を図３および図４を用いて詳細に説明する。
　図３に示すように、熱式流量センサ５０は吸気ダクト４０に挿入される。熱式流量センサ５０は空気流量検出エレメント１０と駆動回路であるＬＳＩ７０を有している。図３の構造においては、空気流量検出エレメント１０はセラミックキバン上に接着され、電気的導通は金線９０を用いてセラミックキバン内の電気配線層６５と接続される。ＬＳＩ７０も同様にセラミックキバン上に接着され、電気的導通は金線９０を用いてセラミックキバン内の電気配線と接続される。これにより前記空気流量検出エレメント１０とＬＳＩ７０とが電気的に接続される。上記構造において、吸気ダクト内を流れる空気流の一部を熱式流量センサ内部に取り込み空気流量検出エレメント１０上を流れることによって、流量検出が可能となる。
　さらに空気流量検出エレメント１０の電気的導通部について図４を用いて説明する。エレメントは上記のように、エンジン吸気に直接晒されるため、水や硫黄ガスやオイルといった様々な物質がエレメント上に飛散する。これらの物質から電極パッド部３０や金線部９０を保護するために樹脂封止１００することが一般的である。
　一方、上記樹脂封止内部にはボイド１０１が形成される場合がある。ボイドが形成されること自体は製品としては全く問題とならない。しかしながら、前記に示したように、この封止部はエンジン吸気という非常に過酷な環境下に晒されているため、長い期間をかけて、ボイド内に水などの液体（気体）物質が溜まるという場合が想定される。
　ここで問題となるのが、図４に示すようにボイドが隣接する金線同士を跨ぐように形成される場合である。この状態でボイド内に水などの導電性物質が溜まると隣接金線間で短絡してしまうという問題が発生してしまう。
　一方、特許文献１には熱式流量センサのエレメントの電極パッドの配置が一例として示されている。しかしながら、特許文献１においては、上記に示した隣接パッド間の短絡に対する配慮が不十分である。具体的には隣接する中間電位の電極パッド同士が短絡するという場合である。この問題を図５～図９を用いて説明する。
　図５は特許文献１で記載されている、一般的な熱式流量センサの駆動回路のエレメントの配線部を簡易的に示した図である。加熱抵抗体（ヒータ）２１を制御するブリッジ回路と、ヒータの上流および下流に配置された側温抵抗体２２、２３で構成される流量検出ブリッジが構成されている。図６は、特許文献１で記載されている電極パッドに配列を簡易的に示した図である。この回路が正常に動作した場合の熱式流量センサの出力を図７に示す。回路が正常な場合は、流量の最大値Ｑｍａｘ，　流量の最小値Ｑｍｉｎに対応した出力である、Ｖｍａｘ，Ｖｍｉｎが出力される。これに対して、図６のＳ２とＶ２ＭＡ端子同士が短絡した場合の出力電圧を図８に示す。Ｓ２とＶ２ＭＡは互いにブリッジ回路の中間電位相当の電位であるため、出力電圧（Ｓ１－Ｓ２）が正常と比べて、多少変動することになる。図８ではマイナス方向の変化として示しているが、プラス方向に変化する場合もある。ここで最も問題となるのが、変化後の特性が、図７で示される通常使用する出力範囲内であることである。この場合、図８のように特性が変化してしまっても、エンジン制御側のＥＣＵでは、異常とは認識できないため、元の図７の特性でエンジン制御されてしまう場合がある。
　また、短絡後の特性影響として最も大きいのが、流量出力信号であるＳ１とＳ２が短絡してしまう場合である。この場合は、図９に示すように、短絡してしまっているため、空気流量に依らず常にゼロ出力に相当する電圧Ｖ０が出力される。この場合も、図７で示される通常使用する出力範囲内であることである。この場合、図９のように特性が変化してしまっても、エンジン制御側のＥＣＵでは、異常とは認識できないため、元の図７の特性でエンジン制御されてしまう場合がある。
　上記のように、特許文献１だけでなく従来技術においては、主に隣接する中間電位相当の電極パッド間の短絡した場合の出力変動までは考慮されていなかった。短絡パターンによっては短絡後の出力値は通常で使用される出力範囲内となってしまい、かつ上記ＥＣＵでは部品状態として異常と認識できないため、その結果、大きな誤差のある信号を用いてエンジン制御を行ってしまうような危険な走行状態を発生させてしまう可能性があった。
　本発明の目的は、自己診断することが可能な熱式流量センサを提供することにある。
　上記課題は、例えば、外部との電気的導通のための電極パッドが設けられ流量を検出する半導体素子を備えた熱式流量センサにおいて、前記電極パッドは、少なくとも２つ以上設けられ、前記電極パッドに隣接する電極パッドは、流量検出時に用いられる出力範囲外の電位となる電極パッドが配列されていることを特徴とする熱式流量センサで解決することができる。
　本発明によれば、流量検出するエレメントに設けられている電極パッドにおいて、互いに隣接するパッドが短絡した場合でも、自己診断することが可能な熱式流量センサを提供することができる。
本発明による熱式流量センサの一実施形態における説明図である。 本発明による熱式流量センサの一実施形態における説明図である。 熱式流量センサの概略説明図である。 空気流量検出エレメントの電気的接続における説明図である。 従来の熱式流量センサの一実施形態における説明図である。 従来の熱式流量センサの一実施形態における説明図である。 従来の熱式流量センサの一実施形態における説明図である。 従来の熱式流量センサの一実施形態における説明図である。 従来の熱式流量センサの一実施形態における説明図である。 空気流量検出エレメントにおける断面図である。 本発明による熱式流量センサの一実施形態における説明図である。 本発明による熱式流量センサの一実施形態における説明図である。 本発明による熱式流量センサの一実施形態における説明図である。 本発明による熱式流量センサの一実施形態における説明図である。 本発明による熱式流量センサの一実施形態における説明図である。 本発明による熱式流量センサの一実施形態における説明図である。 本発明による熱式流量センサの一実施形態における説明図である。 本発明による熱式流量センサの一実施形態における説明図である。 本発明による熱式流量センサの一実施形態における説明図である。 本発明による熱式流量センサの一実施形態における説明図である。 本発明による熱式流量センサの一実施形態における説明図である。
　以下、本発明の実施の形態を説明する。
　空気流量検出エレメント１０の製造方法について、図５に示す断面図を用いて説明する。シリコンキバン１２上に絶縁酸化膜１１が形成し、その上に抵抗配線層１３を形成し、エッチングによりパターニングする。その上にさらに絶縁酸化膜１１が形成する。その後、電気的導通をとるために、上層の絶縁酸化膜をエッチングにより、コンタクト部を形成し、その上にアルミなどの電極配線層１４を形成し、同様にエッチングによりパターニングを行い、電極パッドを形成する。最後にシリコンキバン裏面側からＫＯＨ（水酸化カリウム）でエッチングしていけば、シリコンキバンを部分的に除去でき、ダイアフラム部２０が形成される。これが一般的な空気流量検出エレメントの製造方法である。
　次に本発明の実施例について図１、図２を用いて説明する。図２は空気流量エレメント１０の回路図を示している。加熱抵抗体Ｒｈがあり、上流側温抵抗体Ｒｕ１，　Ｒｕ２と下流側温抵抗体Ｒｄ１，Ｒｄ２とでブリッジ回路を形成した回路である。またそれぞれの抵抗体の配置を図１に示す。ダイアフラム２０の中心部に加熱抵抗体が配置されており、その上流側と下流側にそれぞれ側温抵抗体が配置されている。このエレメントとＬＳＩが電気的に接続され、ＬＳＩからＲｈ－ＧＮＤＨ端子間に一定の電圧を印加することによって、加熱されダイアフラム部に温度分布が形成される。これにより、上下流の温度差を検出して空気流量を測定することができる。
　また、図２に示す各電位の電極パッド３０の配置を図１に示す。これら電極パッドは、流量信号を出力する電極パッド（Ｓ１，Ｓ２）に隣接する電極パッドは、流量検出時に用いられる出力範囲外の電位となる電極パッドとなるように配列されている。上記配列とした場合の、Ｓ１，Ｓ２それぞれの隣接電極パッド間短絡の真理値を図１１に示す。また本計算に用いた各電位レベルを示す。各値は一般的な熱式流量センサの電位を示しているが、電源電圧や出力範囲が製品毎に異なる場合でも、この真理値表は同様の結果となる。またＶＨとＶＣＣ１間の短絡については、同電位の設定のため、短絡しても問題はない。
　このように本発明構造の配列にすることによって、上記課題に明記したような短絡後の出力値が通常使用する範囲外となるため、熱式流量計として自己診断が可能となり、ＥＣＵ側で正確に製品異常を検知できる。
　以上より、本実施例１において、隣接する電極パッドが短絡する全ての場合において、自己診断が可能な熱式流量センサを提供できる。
　また、本実施例１の回路図に依らず、少なくとも上記パッドが設けられている場合は、各電極パッドの配列関係が上記条件を満たしていれば、熱式流量センサの自己診断としての効果を得ることができる。
　次に、実施例１のエレメント実施構成と駆動素子のＬＳＩを用いて、より明確に自己診断が可能な実施方法について、図１３、図１４を用いて説明する。図１３はエレメント１０とＬＳＩ７０を接続した場合の簡易的な信号線図を示している。エレメントの出力電圧（Ｓ１－Ｓ２）はＬＳＩ内部のＡ／Ｄ変換器に入力され、デジタル値に変換される。その後、ＤＳＰで演算処理が行われ、出力変換回路でデジタル値から所望の出力値に変換され熱式流量センサの出力ＱＯＵＴとして出力される。
　ここでＡ／Ｄ変換器の一般的な特性を図１４に示す。特定の入力範囲（－ＶＤ～＋ＶＤ）の間はデジタル値に線形変換されるが、それ以外の入力の場合は、それぞれＨＩＧＨレベルとＬＯＷレベルに固定される。図１４では１６ビットのＡ／Ｄ変換器を想定しているため、ＨＩＧＨレベルは３２７６７であり、ＬＯＷレベルは－３２７６８である。しかしながら、製品ばらつきを考えた場合、３２７６７となる電圧ＶＤは多少ばらつきがあるため、製品毎に、デジタル値の電圧値が変動してしまう。一方、ＶＤ以上の入力に関しては必ずＨＩＧＨレベルに固定されるため、製品毎に依らず一定のデジタル値となる。
　ここで、Ａ／Ｄ変換器の入力電圧である（Ｓ１－Ｓ２）において、それぞれＳ１＝ＯＵＴ１、Ｓ２＝ＯＵＴ２と定義し、Ｓ１とＳ２の電極パッド間に設けられるパッドの電位（図１においてはＶＣＣ１）をＯＵＴ３とした場合、それぞれＶＣＣ１電極パッドが両端電極パッドのどちらかに短絡した場合は、それぞれの入力はＯＵＴ３－ＯＵＴ２あるいはＯＵＴ１－ＯＵＴ３となる。この時に入力値の絶対値が上記ＶＤの値よりも大きい場合は、必ずＨＩＧＨレベルかＬＯＷレベルに固定される。
　つまり空気流の有無や環境温度変化に関わらず常に｜ＯＵＴ３－ＯＵＴ１｜＞｜ＶＤ｜であり、かつ、｜ＯＵＴ３－ＯＵＴ２｜＞｜ＶＤ｜が成り立つようなＯＵＴ３電位を設定することにより、製品性能ばらつきに関係なく、隣接パッド間が短絡した場合でも、必ずＨＩＧＨレベルかＬＯＷレベルに固定されるため、同一の自己診断が可能となる。
　製品実施例でいえば、出力変換回路でＨＩＧＨレベル時に５Ｖ、ＬＯＷレベル時に０Ｖが出力される回路を設計した場合、上記短絡時は必ず、ＱＯＵＴは５Ｖか０Ｖになる。一方、通常使用する場合は、入力電圧がＡ／Ｄ変換器の線形領域となるように設定され、かつ飽和領域からは多少の余裕度を持たせて設定することが一般的であるため（例えば通常時はデジタル値が－２００００～２００００程度となるような入力範囲）、通常時は５Ｖか０Ｖは出力されない。これにより、ＥＣＵ側で、熱式流量センサ製品ばらつきに関係なく、正常か異常かより明確に自己診断が可能となる。
　また、実施例１ではＶＨとＶＣＣ１が同電位の電源である場合であるが、製品によっては、別電位で設定される場合がある。その場合はＶＨとＶＣＣ１の短絡を診断する必要がある。これについては、図１３に示すような同電位の電源回路７７を２つ形成し、オペアンプを用いて比較することで容易に短絡検出が可能となる。
　次に、ヒータ駆動方式が実施例１とは異なる場合での本発明構成について図１５、図１６、図１７を用いて説明する。
　図１６は空気流量エレメント１０の回路図を示しており、図１７は駆動素子ＬＳＩ７０と接続した場合の信号線図を示している。回路構成としては、実施例１に対して、ヒータ加熱温度を制御するブリッジが追加されている。またそれぞれの抵抗体の配置を図１５に示す。実施例１に対して、ヒータ２１の周辺部にヒータ感温抵抗体（Ｒｈｓ）２４を配置しており、これによって、ヒータの熱によってＲｈｓも温度上昇する。これに伴って、Ｒｈｓ抵抗が上昇し、ブリッジ回路のＶ２Ｐ端子とＶ２ＭＡ端子が同電位になるまで加熱される。これによって、ヒータの温度はある任意の温度になるように制御される。ヒータ温度制御ブリッジの固定抵抗（Ｒｃ１，Ｒｃ２，Ｒｃ３）２６はダイアフラム部ではなく、シリコンキバン上に形成される。
　また、図１６に示す各電位の電極パッドの配置を図１５に示す。これら電極パッドは、前記流量信号を出力する電極パッド（Ｓ１、Ｓ２）および、ヒータの温度を制御するブリッジ回路の中間電位を出力する電極パッド（Ｖ２Ｐ，Ｖ２ＭＡ）、およびヒータ電源を出力する電極パッド（ＶＨ）それぞれに隣接するパッドの電位は、ブリッジ回路の電源電位（ＶＣＣ１，ＶＣ２）か、あるいはそのグランド電位（ＧＮＤ１）か、あるいは、ヒータのグランド電位（ＧＮＤＨ）となるように配置されている。実施例１の考え方と異なる点は、ヒータ電源ＶＨを中間電位として扱う点である。実施例１ではＶＨはＬＳＩ固定電源による定電圧駆動であったが、本実施例においては、ＶＨはフィードバック回路となっているため、空気流の有無や温度変化によって、ＶＨが変化するため、Ｓ１やＳ２などと同じく中間電位として扱う必要がある。
　まず、流量信号を出力する電極パッド（Ｓ１、Ｓ２）においては、隣接パッドは実施例１と全く同一の条件で配列されているため、全ての短絡モードにおいて自己診断が可能となる。
　次に、ヒータの温度を制御するブリッジ回路の中間電位を出力する電極パッド（Ｖ２Ｐ，Ｖ２ＭＡ）においては、隣接する電極パッドの電位の条件は上記流量信号を出力する電極パッドと同一の条件だが、短絡時の出力変動が異なる。ヒータの温度を制御するブリッジ回路の中間電位がブリッジ電源電圧か、あるいはグランド電位と短絡した場合は、図１７に示すオペアンプの入力が常にオフセットを持った状態となるため、オペアンプの出力電圧であるＶＨは常にＨＩＧＨレベルに張り付く。この状態をヒータ電圧判定回路７３で監視すれば、上記短絡を検出できる。検出方法の１例としては、ＶＨ電圧をある一定期間ＬＳＩ内部のメモリに保存し、ある任意の期間、全てＨＩＧＨレベル（あるいはＬＯＷレベル）ではあれば異常と判定して自己診断出力信号を出力するといった手段で解決できる。
　次にヒータ電源を出力する電極パッド（ＶＨ）においては、図１５では隣接パッドがグランド電位であるため、短絡した場合は、上記ヒータ電圧判定回路７３で監視すれば、上記短絡を検出できる。
　隣接パッドがブリッジ回路電源電位（ＶＣＣ１あるいはＶＣＣ２）の場合は、電位が熱式流量センサに供給される電源ＰＶＣＣと同電位（ここでは５Ｖとする）であれば、短絡した場合にＶＨが５Ｖ（ＨＩＧＨ）に張り付くため、上記ヒータ電圧判定回路７３で監視すれば、上記短絡を検出できる。一方、電位がＰＶＣＣよりも低い電位で駆動する場合は、上記ヒータ電圧判定回路７３で検出できない場合があるので、その場合は、本実施例のようにＶＨに隣接する電極パッドの電位はグランド電位となるように配置すれば良い。
　上記自己診断出力信号としては、熱式流量センサの出力ＱＯＵＴの形態が電圧出力か周波数出力の場合においては、図２１に示すように通常使用する出力範囲外となるように設定すれば最も診断が容易にできる。設定方法の具体的な手法としては、前記ヒータ電圧判定回路で異常と検知した場合は、その信号をＤＳＰに入力し、流量出力信号のデジタル値を強制的に３２７６７か－３２７６８に置き換えれば、実施例１と同様に、ＱＯＵＴは通常使用する出力範囲外となる。
　また、その他の自己診断出力信号としては、熱式流量センサの出力ＱＯＵＴの形態がＳＥＮＴやＬＩＮなどのデジタル出力の場合においては、ある特定のビットに故障フラグを割り当てて出力すれば最も診断が容易にできる。多数送信するビットのうち１つだけでも異常フラグが立てば、ＥＣＵは熱式流量センサに異常が発生したことを認知できる。上記ビットは出力信号受け取り側のＥＣＵと整合性を合わせて設定すれば良い。
　以上より、本実施例３において、隣接する電極パッドが短絡する全ての場合において、自己診断が可能な熱式流量センサを提供できる。
　また、本実施例３の回路図に依らず、少なくとも上記パッドが設けられている場合は、各電極パッドの配列関係が上記条件を満たしていれば、熱式流量センサの自己診断としての効果を得ることができる。
　次に、ヒータ駆動方式が実施例３とは異なる場合での本発明構成について図１８、図１９、図２０を用いて説明する。
　図１９は空気流量エレメント１０の回路図を示しており、図２０は駆動素子ＬＳＩ７０と接続した場合の信号線図を示している。回路構成としては、実施例３に対して、ヒータ加熱温度をより高精度に制御するための調整用抵抗（Ｒｍ）２６　が追加されている。それに伴い、ＬＳＩ側でも前記調整用抵抗の両端電位から任意の電圧値Ｖ２ＭＣを選択できるような回路を形成している。これによって、実施例３では調整電位がＶ２ＭＡしか選択できなかったのが、ある範囲で任意に選択できるためヒータ加熱温度をより高精度に制御できる。
　また、図１９に示す各電位の電極パッド３０の配置を図１８に示す。これら電極パッドは、前記流量信号を出力する電極パッド（Ｓ１，Ｓ２）および、ヒータ電源を出力する電極パッド（ＶＨ）それぞれに隣接するパッドの電位は、ブリッジ回路の電源電位（ＶＣＣ１、ＶＣＣ２）か、あるいはそのグランド電位（ＧＮＤ１）か、あるいは、ヒータのグランド電位（ＧＮＤＨ）であり、かつ、前記調整用抵抗の両端子電位の電極パッド同士（Ｖ２ＭＡ、Ｖ２ＭＢ）が隣接しないように配列されている。
　実施例３の考え方と異なる点は、ブリッジ回路のヒータ感温抵抗体側の中間電位（Ｖ２Ｐ）と、前記調整用抵抗の両端子の電位（Ｖ２ＭＡ、Ｖ２ＭＢ）の短絡が制限されていない点である。
Ｖ２ＭＡ、Ｖ２ＭＢ同士の短絡した場合は、短絡前はＶ２ＭＡ＞Ｖ２ＭＣ＞Ｖ２ＭＢという関係性が常に成立しているが、短絡後はＶ２ＭＡ＝Ｖ２ＭＣ＝Ｖ２ＭＢとなり、その結果、オペアンプ７１の入力であるＶ２ＭＣが変化してしまう。その場合は、ヒータ加熱温度が変化してしまうため、図８に示すような出力特性となってしまう。この場合、出力特性から自己診断はできないうえに、ＬＳＩ側でも異常な回路駆動ではないため、異常検知できない。よって、前記調整用抵抗の両端子の電位同士が短絡しないようにパッド配列を構成しなければならない。
　一方、Ｖ２Ｐ　とＶ２ＭＡ（あるいはＶ２ＭＢ）が短絡する場合は、前記と同様、Ｖ２ＭＡ＞Ｖ２ＭＣ＞Ｖ２ＭＢという関係性があるため、Ｖ２ＰとＶ２ＭＣが必ず同電位にはならない。これによって、オペアンプの出力（ＶＨ）は常にＨＩＧＨに固定されるため、実施例３と同様に、ヒータ電圧判定回路７３で監視すれば、上記短絡を検出できる。
　その他の流量信号を出力する電極パッド（Ｓ１，Ｓ２）および、ヒータ電源を出力する電極パッド（ＶＨ）については、隣接パッドは実施例３と全く同一の条件で配列されているため、全ての短絡モードにおいて自己診断が可能となる。
　以上より、本実施例４において、隣接する電極パッドが短絡する全ての場合において、自己診断が可能な熱式流量センサを提供できる。
　また、本実施例４の回路図に依らず、少なくとも上記パッドが設けられている場合は、各電極パッドの配列関係が上記条件を満たしていれば、熱式流量センサの自己診断としての効果を得ることができる。
１０・・・空気流量検出エレメント
１１・・・絶縁酸化膜
１２・・・シリコンキバン
１３・・・抵抗配線膜
１４・・・電極配線層
２０・・・ダイアフラム
２１・・・加熱抵抗体（ヒータ）；Ｒｈ
２２・・・上流側温抵抗体；Ｒｕ
２３・・・下流側温抵抗体：Ｒｄ
２４・・・ヒータ感温抵抗体：Ｒｈｓ
２５・・・ヒータ温度制御ブリッジ構成抵抗；Ｒｃ１、Ｒｃ２、Ｒｃ３
２６・・・調整用抵抗体：Ｒｍ
３０・・・電極パッド
４０・・・吸気ダクト
５０・・・熱式流量センサ　
６０・・・セラミックキバン
６５・・・セラミックキバンの電気配線層
７０・・・ＬＳＩ
７１・・・オペアンプ
７２・・・ブリッジ電源供給回路
７３・・・ヒータ電圧判定回路
７４・・・Ａ／Ｄ変換器
７５・・・ＤＳＰ
７６・・・出力変換回路
７７・・・ヒータ電源供給回路
８０・・・アルミワイヤ
９０・・・金線
１００・・・樹脂封止領域
１０１・・・樹脂内ボイド

Claims (7)

  1. 　外部との電気的導通のための複数の電極パッドが設けられ流量を検出する半導体素子を備えた熱式流量センサにおいて、
    　前記複数の電極パッドのうち流量信号を出力する電極パッドに隣接する電極パッドは、流量検出時に用いられる出力範囲外の電位となる電極パッドである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、
    　前記半導体素子は、少なくとも一つ以上の加熱抵抗体が設けられ、その上流と下流に温度差を検出するための側温抵抗体が配置され、前記加熱抵抗体を駆動する半導体回路素子が電気的に接続され、その上下流の温度を検出して流量を検出するものであって、
    　前記半導体回路素子は、前記上下流の温度変化によって出力される電圧値をアナログ／デジタル変換回路でデジタル変換する回路を有しており、
    　前記アナログ／デジタル変換回路の電圧レンジを－ＶＤ～＋ＶＤと定義し、前記上流、下流の温度変化によって出力される流量出力電圧値をＯＵＴ１、ＯＵＴ２と定義し、前記流量信号用の電極パッド間に設けられるパッドの電位をＯＵＴ３とした場合、空気流の有無や環境温度変化に関わらず常に
    　｜ＯＵＴ３－ＯＵＴ１｜＞｜ＶＤ｜であり、かつ、｜ＯＵＴ３－ＯＵＴ２｜＞｜ＶＤ｜であることを特徴とする熱式空気流量センサ。
  3. 　請求項１または請求項２に記載の熱式流量センサにおいて、
    　前記半導体回路素子の電源供給回路の短絡検出手段を備えたことを特徴とする熱式空気流量センサ。
  4. 　請求項１または請求項２に記載の熱式空気流量センサにおいて、
    　前記加熱抵抗体の加熱温度を制御するためのブリッジ回路が設けられており、
    　前記ブリッジ回路の中間電位を取り出すための電極パッドが少なくとも２つ以上設けられ、
    　前記電極パッド配列は、前記流量信号を出力する電極パッド、および、前記加熱抵抗体の温度を制御するブリッジ回路の中間電位を出力する電極パッド、および、前記加熱抵抗体の電源を出力する電極パッドそれぞれに隣接するパッドの電位は、前記ブリッジ回路の電源電位か、あるいは、そのグランド電位か、あるいは、前記加熱抵抗体のグランド電位となるように配置されており、かつ、前記加熱抵抗体の電圧値の異常を感知して、自己診断する手段を備えていることを特徴とする熱式空気流量センサ。
  5. 　請求項１または請求項２に記載の熱式空気流量センサにおいて、
    　前記加熱抵抗体の加熱温度を制御するためのブリッジ回路が設けられており、
    　前記ブリッジ回路に前記加熱抵抗体の加熱温度を詳細に調整するための調整用抵抗が設けられており、
    　前記ブリッジ回路の前記加熱抵抗体の感温抵抗体側の中間電位を取り出すための電極パッドが少なくとも１つ以上設けられ、かつ、前記調整用抵抗の両端子の電位を取り出すための電極パッドが少なくとも２つ以上設けられており、
    　前記電極パッドの配列は、前記流量信号を出力する電極パッドおよび前記加熱抵抗体の電源を出力する電極パッドそれぞれに隣接するパッドの電位は、ブリッジ回路の電源電位か、あるいは、そのグランド電位か、あるいは、前記加熱抵抗体のグランド電位であり、かつ、前記調整用抵抗の両端子電位の電極パッド同士が隣接しないように配列されており、かつ、ヒータ電圧値の異常を感知して、自己診断する手段を備えていることを特徴とする熱式空気流量センサ　
  6. 　請求項１から請求項５のいずれかに記載の熱式空気流量センサにおいて、
    　熱式空気流量センサの出力形態が電圧出力かあるいは周波数出力の場合は、前記故障診断信号は、通常使用する出力範囲外に設定されていることを特徴とする熱式空気流量センサ。
  7. 　請求項１から請求項５のいずれかに記載の熱式空気流量センサにおいて、
    　熱式空気流量センサの出力形態がＳＥＮＴ（Ｓｉｎｇｌｅ　Ｅｄｇｅ　Ｎｉｂｂｌｅ　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）　やＬＩＮ（Ｌｏｃａｌ　Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ　Ｎｅｔｗｏｒｋ）のようなデジタル通信の場合、ある特定のビットに故障フラグを割り当てて伝送することを特徴とする熱式空気流量センサ。
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