WO2017086086A1 - 流量センサ - Google Patents

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WO2017086086A1
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WO
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heating resistor
resistor
resistance
temperature detector
flow sensor
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PCT/JP2016/081126
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French (fr)
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佐久間 憲之
忍 田代
保夫 小野瀬
良介 土井
太田 和宏
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Astemo Ltd
Original Assignee
Hitachi Automotive Systems Ltd
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G01F1/684—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
    • G01F1/688—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow using a particular type of heating, cooling or sensing element
    • G01F1/69—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow using a particular type of heating, cooling or sensing element of resistive type
    • G01F1/692—Thin-film arrangements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G01F1/696—Circuits therefor, e.g. constant-current flow meters
    • G01F1/698—Feedback or rebalancing circuits, e.g. self heated constant temperature flowmeters

Definitions

  • the present invention relates to a flow sensor.
  • thermal flow sensors manufactured by MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology as a flow sensor installed in electronically controlled fuel injection devices for internal combustion engines such as automobiles can reduce costs and are low. It is attracting attention because it can be driven by electric power.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-78228 as background art in this technical field.
  • Patent Document 1 when a heating resistor and a resistance temperature detector are formed of the same material on the same substrate, if the bridge circuit is configured with the resistor, only the heating resistor is thermally deteriorated at a high temperature. A problem is described in which the balance of the advance bridge circuit changes, leading to a decrease in flow rate accuracy.
  • a countermeasure a low-temperature heating resistor is added between the heating resistor and the resistance temperature detector, and a temperature measuring resistor and a bridge circuit are formed. It is described that it can be monitored and can maintain high performance over a long period of time.
  • Patent Document 2 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-78228 provides three terminals in a heating resistor, and energizes the heating resistor through these terminals, whereby an upstream heating resistor and a downstream heating element are provided.
  • Technology that generates a difference in the amount of heat generated between the resistor and the thermal effect that the upstream resistance temperature detector receives from the heating resistor, and the thermal effect that the downstream resistance resistor receives from the heating resistor Is described. This makes it possible to freely change the temperature difference-flow rate characteristic that is a reference for flow rate measurement, and to cancel the shift of the detected value due to an application error.
  • a flow sensor includes a first heating resistor and an upstream temperature measuring resistor provided on the upstream side of the first heating resistor and spaced from the first heating resistor. And a downstream temperature measuring resistor provided on the downstream side of the first heating resistor, and a second heating element provided on the upstream temperature measuring resistor via an insulator. And a resistor.
  • the second heating resistor is heated by feeding to heat the upstream resistance temperature detector, and the difference between the resistance value of the upstream resistance temperature detector and the resistance value of the downstream resistance resistor is within an allowable range. By doing so, the zero point correction of the flow sensor is performed.
  • a highly sensitive and highly accurate flow sensor can be realized.
  • FIG. 3 is a plan view of a main part of a sensor chip according to Example 1.
  • FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view of a main part of the sensor chip taken along line AA ′ in FIG. 1. It is a principal part top view of a sensor module provided with the sensor chip of FIG.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a main part of the sensor module taken along line BB ′ in FIG. 3. It is principal part sectional drawing of the intake passage of the internal combustion engine in which the thermal type fluid flow sensor by Example 1 was attached.
  • 6 is a cross-sectional view of a main part of a sensor chip according to a modification of Example 1.
  • FIG. 1 is a circuit diagram of a thermal fluid flow sensor according to Embodiment 1.
  • FIG. 1 is a circuit diagram of a thermal fluid flow sensor according to Embodiment 1.
  • FIG. 6 is a plan view of a main part of a sensor chip according to a second embodiment.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of main parts of the sensor chip taken along the line CC ′ of FIG. 10.
  • 6 is a cross-sectional view of a main part of a sensor chip according to Example 3.
  • FIG. 10 is a plan view of a main part of a sensor chip according to Example 4.
  • FIG. 10 It is principal part sectional drawing of the sensor chip in the DD 'line of FIG. 10 is a cross-sectional view of a main part of a sensor chip according to Example 5.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of main parts of a sensor chip according to a modification of Example 5.
  • the constituent elements are not necessarily indispensable unless otherwise specified and clearly considered essential in principle. Needless to say.
  • hatching may be added even if it is a plan view so as to make the drawing easy to see, and even if it is a cross-sectional view, hatching may be omitted so as to make the drawing easy to see. is there.
  • the size of each part does not correspond to the actual device, and a specific part may be displayed relatively large for easy understanding of the drawing. Even when the cross-sectional view and the plan view correspond to each other, a specific part may be displayed relatively large in order to make the drawing easy to understand.
  • the thermal fluid flow sensor according to the first embodiment will be described.
  • the thermal fluid flow sensor according to the first embodiment is a thermal resistance type thermal fluid flow sensor that detects a fluid flow rate by using a characteristic that a resistance value of a resistor changes according to temperature.
  • FIG. 1 is a plan view of an essential part of the sensor chip according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the main part of the sensor chip taken along the line AA ′ in FIG.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of a main part of the intake passage of the internal combustion engine to which the thermal fluid flow sensor according to the first embodiment is attached.
  • a sensor chip 1 of a thermal fluid flow sensor includes a semiconductor substrate 2 made of single crystal Si (silicon) and a diaphragm portion from which a part of the semiconductor substrate 2 is removed for flow rate detection.
  • a downstream resistance temperature detector 5 disposed on the downstream side of the first heating resistor and a first resistance temperature detector 7 for measuring the temperature of the first heating resistor 3 are formed.
  • the first heating resistor 7 is provided between the first heating resistor 3 and the upstream resistance bulb 4 and between the first heating resistor 3 and the downstream resistance bulb 5 respectively. Has been placed.
  • the first heating resistor 3, the upstream temperature measuring resistor 4, the downstream temperature measuring resistor 5, and the first heating resistor temperature measuring resistor 7 are covered with the second insulating film 11, and the upstream temperature measuring resistor 7 is covered.
  • a second heat generating resistor 6 made of, for example, the same material as that of the first heat generating resistor 4 is formed above the resistor 4 via the second insulating film 11. That is, a part of the second heating resistor 6 overlaps with the upstream resistance temperature detector 4 in plan view.
  • the second heating resistor 6 is covered with a third insulating film 12. Note that the second heating resistor 6 may be formed of a material different from that of the first heating resistor 3.
  • the first insulating film 10, the second insulating film 11, and the third insulating film 12 are, for example, a single layer film made of silicon oxide, a single layer film made of silicon nitride, a laminated film in which silicon oxide and silicon nitride are stacked, or silicon oxide And a laminated film in which a plurality of silicon nitride layers are alternately stacked.
  • each resistor (the first heating resistor 3, the upstream temperature measuring resistor 4, the downstream temperature measuring resistor) is removed.
  • each resistor (the first heating resistor 3, the upstream temperature measuring resistor 4, the downstream temperature measuring resistor 5, the second heating resistor 6 and the first heating resistor) is used.
  • a metal film made of, for example, Al (aluminum) may be provided on each electrode pad 8 of the body temperature measuring resistor 7).
  • an organic insulating film may be formed on the third insulating film 12, and in that case, at least each resistor (first heating resistor 3, upstream temperature measuring resistor 4, downstream temperature measuring resistor 5).
  • the organic insulating film above the second heating resistor 6 and the first heating resistor temperature measuring resistor 7) is removed, or the entire organic insulating film above the diaphragm portion 9 is removed.
  • the second heating resistor 6 is located closer to the upstream temperature sensing resistor 4 than the first heating resistor 3 and is provided above the location where heat transfer is good, for example, the upstream temperature sensing resistor 4. Yes.
  • the thickness of the second insulating film 11 is The distance between the heating resistor 6 and the upstream temperature measuring resistor 4 is determined.
  • the thickness T1 of the second insulating film 11 sandwiched between the upper surface of the first insulating film 10 and the lower surface of the third insulating film 12 is, for example, in the range of 0.1 ⁇ m to 1 ⁇ m.
  • the upstream side resistance thermometer 4 and the downstream side resistance thermometer 5 are provided so as to be line-symmetric with respect to the direction of intake air with the first heating resistor 3 interposed therebetween.
  • the sensor chip 1 in which a part of the second heating resistor 6 is overlapped with the upstream temperature measuring resistor 4 in the plan view is illustrated, but the present invention is not limited to this, and the overlapping is described above. Is not a requirement.
  • the midpoint of the straight line connecting the first heating resistor 3 and the second heating resistor 6 is located upstream of the midpoint of the straight line connecting the upstream resistance temperature detector 4 and the downstream resistance temperature detector 5.
  • the second heating resistor 6 only needs to be formed. The same applies to Examples 2 and 3 described later.
  • the sensor module 13 has a support substrate 14 and a recess 15 formed in the support substrate 14.
  • the sensor chip 1 is fixed inside the recess 15 with an adhesive 16, and the control circuit chip 17 is mounted on the support substrate 14 other than the region where the recess 15 is formed. Further, a part of the electrode pads 18 of the control circuit chip 17 and the electrode pads 8 of the sensor chip 1 are electrically connected via bonding wires 19a. Further, another part of the electrode pads (electrode pads for input / output terminals to the outside) 18 and the external input / output terminals 20 formed on the support substrate 14 are connected via bonding wires 19b. Are electrically connected.
  • the electrode pad 8 of the sensor chip 1 and the electrode pad 18 of the control circuit chip 17 are easily corroded, the electrode pad 8, the electrode pad 18 and the control circuit chip 17 are covered with a resin 21 for preventing corrosion.
  • the diaphragm portion 9 serves as a fluid detection portion, the surface side of the diaphragm portion 9 is not covered with the corrosion preventing resin 21, and the back surface side of the diaphragm portion 9 fixed to the support substrate 14 is the adhesive 16. Thus, the diaphragm portion 9 is prevented from being sealed.
  • the thermal fluid flow sensor 22 includes a body 23, a sub passage 24 formed in the body 23, a support body 25 that fixes the sensor module 13, and a support body cover 26. And have.
  • the sensor module 13 is fixed to the thermal fluid flow sensor 22 by the support body 25 and the support body cover 26 so that the intake air 29 flows to the diaphragm section 9 of the sensor chip, which is the intake flow rate detection section of the sensor module 13. .
  • the thermal fluid flow sensor 22 is attached to the intake pipe 27 so as to penetrate through the intake pipe 27 and intake air 29 flowing into the main passage 28 is taken into the sub-passage 24.
  • the auxiliary passage 24 is illustrated in a simplified manner in parallel and linearly with the intake pipe 27, but the auxiliary passage 24 may have a curved or branched shape in the body 23. Good.
  • the second heating resistor 6 is formed on the upstream resistance temperature detector 4 via the second insulating film 11, but this is not limitative. It is not something.
  • the second heating resistor 6 is formed on the first insulating film 10, the second heating resistor 6 is covered with the second insulating film 11, and the first insulating film 11 is covered with the first insulating film 11.
  • the heating resistor 3, the upstream temperature measuring resistor 4, the downstream temperature measuring resistor 5, and the first heating resistor for temperature measuring resistor 7 may be formed.
  • the upstream resistance temperature detector 4 is disposed above the second heating resistor 6 via the second insulating film 11. That is, a part of the second heating resistor 6 overlaps with the upstream resistance temperature detector 4 in plan view.
  • the heating resistor 6 may be formed.
  • FIG. 7 is a circuit diagram of the thermal fluid flow sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 8 is an operation flowchart of the thermal fluid flow sensor when the thermal fluid flow sensor according to the first embodiment is incorporated in an automobile.
  • the temperature of the first heating resistor 3 is monitored by the temperature measuring resistor 7 for the first heating resistor, and the voltage or current is controlled by the controller 34 so as to reach a desired temperature.
  • the upstream resistance temperature detector 4 and the downstream resistance temperature detector 5 form a bridge circuit with the bridge resistor 30 provided in the sensor chip or the control circuit chip other than the diaphragm portion, and the upstream resistance temperature detector A predetermined voltage (Vref) is applied between 4 and the downstream resistance temperature detector 5.
  • an analog / digital converter After connecting the differential voltage between the midpoint of the upstream resistance temperature detector 4 and the bridge resistor 30 and the midpoint of the downstream resistance temperature detector 5 and the bridge resistor 30 to the amplifier 31, an analog / digital converter The digital conversion is performed by a circuit such as (ADC) 33 and the like and output to an electronic control unit (Electronic Control Unit: ECU) 36.
  • ADC Analog to Digital Converter
  • a comparator 32 for determining whether the zero point is within the allowable range is provided after the amplifier 31.
  • the comparator 32 is out of the allowable range, the voltage is applied to the second heating resistor 6. Is applied to heat the upstream resistance temperature detector 4.
  • the resistance values of the upstream resistance temperature detector 4, the downstream resistance temperature detector 5 and the bridge resistor 30 heated by the first heating resistor 3 are designed to be equal to each other.
  • the output to the control device 36 becomes zero, and the analog / digital converter 33 converts the correlation between the intake air flow rate and the differential voltage based on this state and outputs the result.
  • a fluid flow rate is output by a thermal fluid flow sensor incorporated in an electronically controlled fuel injection device of an automobile.
  • step S1 power is supplied to the thermal fluid flow sensor and the electronic control unit 36 (step S1).
  • “Before starting the engine” means, for example, a state in which a key is simply inserted into a key cylinder.
  • step S2 the zero point when there is no wind is confirmed by the comparator 32, and it is determined whether or not the zero point is within the allowable range (step S2).
  • step S3 If it is within the allowable range (OK), the engine is started (step S3). Then, the intake air flows (step S4), and the intake flow rate is output (step S5).
  • the second heating resistor 6 is instantaneously supplied with power, and after the second heating resistor 6 is stopped (step S6), the zero point is confirmed again by the comparator 32, It is determined whether or not the zero point is within an allowable range (step S2). That is, the operation flow of the thermal fluid flow sensor in the first embodiment has a zero point correction mode in which the zero point can be within an allowable range.
  • the present invention is not limited to this.
  • the engine stops when the car stops with a signal or the like, and then the engine restarts.
  • the zero point can be corrected according to the operation flow shown in FIG.
  • the zero point is confirmed by the comparator 32, and when it is out of the allowable range, it is calculated from the changed differential voltage, and the upstream side resistance temperature detector 4 and the downstream side resistance temperature detector 5 are calculated.
  • the second heating resistor 6 is slightly heated by the amount of resistance change. Then, the zero point is confirmed again by the comparator 32, and after correcting the zero point within the allowable range, the engine is started while supplying power while fixing the temperature of the second heating resistor 6 and outputs the intake air flow rate. .
  • the resistance value of the upstream resistance temperature detector 4 and the resistance value of the downstream resistance temperature detector 5 are designed to be equal to each other.
  • a thermal fluid flow sensor may be manufactured in which the zero point during no wind exceeds the allowable range. Even for such a thermal fluid flow sensor, the second heating resistor 6 is used to improve the balance between the resistance value of the upstream resistance temperature detector 4 and the resistance value of the downstream resistance temperature detector 5. Since the zero point can be corrected by this, the manufacturing yield of the thermal fluid flow sensor is improved and the manufacturing cost is reduced.
  • FIG. 9 is a graph showing the relationship between the heating temperature and the heating time required for a constant resistance change (several ⁇ ) when the resistance temperature detector is directly heated in the thermal fluid flow sensor according to the first embodiment.
  • the heating time can be reduced to about 1/10 by increasing the heating temperature to 100 ° C.
  • the resistance change of the downstream resistance temperature detector 5 proceeds faster than the upstream resistance temperature detector 4 due to the heating of the first heating resistor 3 along with the usage time. Therefore, the zero point fluctuates.
  • the heating temperature of the second heating resistor 6 is equal to the heating temperature of the first heating resistor 3
  • the same time as the use time of the thermal fluid flow sensor is set to the upstream resistance temperature detector.
  • the heating temperature of the second heating resistor 6 is set higher than at least the heating temperature of the first heating resistor 3, and the upstream of the resistance value of the downstream resistance temperature detector 5 is increased in a short time.
  • the resistance value of the side resistance thermometer 4 is brought close to and the zero point is corrected within the allowable range. For example, when the first heating resistor 3 is heated at 200 ° C., the zero point can be corrected in about 1/1000 time by heating the second heating resistor 6 at 500 ° C. .
  • the change in the resistance value is small (for example, less than 1 ⁇ ). It is not necessary to heat the body 6 for a long time. Further, by making the pattern of the second heating resistor 6 (heat generating area) smaller than the pattern of the first heating resistor 3 (heat generating area), power consumption can be reduced and the zero point can be corrected efficiently. Is possible.
  • the fluctuation of the zero point of the thermal fluid flow sensor can be instantaneously suppressed within the allowable range regardless of the usage time of the engine. It is possible to maintain the reliability of the thermal fluid flow sensor.
  • the difference between the sensor chip 1A according to the second embodiment and the sensor chip 1 according to the first embodiment is that the second heating resistor 6 is disposed above the downstream resistance temperature detector 5 via the second insulating film 11. The same resistor 35 is formed.
  • FIG. 10 is a plan view of the main part of the sensor chip according to the second embodiment.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of the main part of the sensor chip taken along the line CC ′ of FIG.
  • the residual stress in the diaphragm portion 9 varies depending on the laminated material. Therefore, when the second heating resistor 6 is formed only above the upstream resistance temperature detector 4 via the second insulating film 11, the balance of the residual stress of the sensor chip 1A may be deteriorated.
  • the first heating resistor 3 is sandwiched, Since it is possible to maintain the objectivity of the structure on the upstream side and the downstream side, the balance of the residual stress of the sensor chip 1A becomes good. Thereby, the intensity
  • a part of the resistor 35 overlaps with the downstream resistance temperature detector 5, and the second heating resistor 6 and the resistor are in line symmetry with the first heating resistor 3 in the direction of intake air flow.
  • the body 35 is provided.
  • the resistor 35 has an independent electrode pad 8 and is normally connected to the ground.
  • the second heat generating resistor 6 and the resistor 35 are provided so as to be symmetric with respect to the flow direction of the intake air with the first heat generating resistor 3 interposed therebetween. Even when the mounting specifications are changed, it is possible to obtain the effect of suppressing the fluctuation of the zero point of the thermal fluid flow sensor within the allowable range only by changing the connection of the resistor 35 and the connection of the second heating resistor 6. it can.
  • the resistor 35 can be used as a third heating resistor, which can be heated independently of the second heating resistor 6 and used to correct the zero point when there is no wind.
  • the difference between the sensor chip 1B according to the third embodiment and the sensor chip 1 according to the first embodiment is that the first heating resistor 3 is formed of the same heat-resistant material as the second heating resistor 6. It is that you are.
  • the high heat resistant material is a refractory metal such as W (tungsten) or Mo (molybdenum).
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of the main part of the sensor chip according to the third embodiment.
  • the first heating resistor measurement is arranged between the upstream resistance temperature detector 4 and the downstream resistance temperature detector 5 along the upstream resistance temperature detector 4 and the downstream resistance temperature detector 5, respectively.
  • a temperature resistor 7 is formed.
  • the upstream resistance temperature detector 4, the downstream resistance temperature detector 5, and the first heating resistor resistance temperature detector 7 are covered with a second insulating film 11.
  • a first heating resistor 3, a second heating resistor 6, and a resistor 35 are formed on the second insulating film 11, and the second heating resistor 6 is formed above the upstream temperature measuring resistor 4.
  • a resistor 35 is formed above the downstream resistance temperature detector 5. That is, in plan view, a part of the second heating resistor 6 overlaps with the upstream temperature measuring resistor 4, and a part of the resistor 35 overlaps with the downstream temperature measuring resistor 4.
  • first heating resistor 3 made of the same layer and the same material as the second heating resistor 6 is formed between the second heating resistor 6 and the resistor 35.
  • first temperature measuring resistors 7 for the first heating resistor are arranged on the upstream side and the downstream side of the first heating resistor 3, respectively.
  • the first heating resistor 3 has the same layer structure as the second heating resistor 6 and is formed of a high heat resistant material, resistance deterioration due to heat can be suppressed, so that the sensor chip 1B Reliability can be improved.
  • the difference between the sensor chip 51 according to the fourth embodiment and the sensor chip 1 according to the first embodiment is a temperature measurement method.
  • the temperature measuring method of the first embodiment described above is a thermal resistance method that uses the characteristic that the resistance value changes with temperature.
  • the temperature measuring method of the fourth embodiment is a thermocouple method using a temperature difference between the semiconductor substrate (cold spot) and the vicinity of the first heating resistor (hot spot).
  • FIG. 13 is a plan view of the main part of the sensor chip according to the fourth embodiment.
  • 14 is a cross-sectional view of the main part of the sensor chip taken along the line DD ′ of FIG.
  • a sensor chip 51 using a thermocouple includes a semiconductor substrate 65 made of single crystal Si (silicon) and a diaphragm portion 64 from which a part of the semiconductor substrate 65 is removed for flow rate detection. .
  • a first heating resistor 52 is provided on the semiconductor substrate 65 in the vicinity of the center of the diaphragm portion 64, and the upstream thermocouple 53 is symmetrical with respect to the direction of intake air flow with the first heating resistor 52 interposed therebetween. And a downstream thermocouple 54 are disposed.
  • the second heating resistor 55 is disposed above the upstream thermocouple 53, and the resistor 56 is disposed above the downstream thermocouple 54.
  • the second heating resistor 55 and the resistor 56 are:
  • the first heating resistor 52 is arranged so as to be line symmetric with respect to the direction of intake air flow.
  • the first heating resistor 52, the upstream thermocouple 53, the downstream thermocouple 54, the second heating resistor 55, and a plurality of electrode pads 57 exposing a part of the resistor 56 are provided.
  • the plurality of electrode pads 57 are electrically connected to the control circuit chip via bonding wires.
  • the upstream side thermocouple 53 and the downstream side thermocouple 54 output a differential voltage by the bridge circuit.
  • an upstream thermocouple lower layer wiring 58 and a downstream thermocouple lower layer wiring 59 are formed on a semiconductor substrate 65 via a first insulating film 66, and an upstream thermocouple lower layer wiring 58 and The downstream thermocouple lower layer wiring 59 is covered with the second insulating film 67.
  • thermocouple upper layer wiring 62 and a downstream thermocouple upper layer wiring 63 are formed on the second insulating film 67, and the upstream thermocouple upper layer wiring 62 is disposed above the upstream thermocouple lower layer wiring 58, A downstream thermocouple upper layer wiring 63 is disposed above the downstream thermocouple lower layer wiring 59.
  • the upstream thermocouple lower layer wiring 58 and the upstream thermocouple upper layer wiring 62 constitute an upstream thermocouple 53, and the downstream thermocouple lower layer wiring 59 and the downstream thermocouple upper layer wiring 63 constitute a downstream thermocouple 54. Is done.
  • the upstream side thermocouple lower layer wiring 58 and the upstream side thermocouple upper layer wiring 62 pass through the second insulating film 67 in the vertical direction, and a hot spot connection plug 60 and a cold spot connection plug (not shown). ) Are alternately connected.
  • the number of the upstream thermocouple lower layer wirings 58 and the upstream thermocouple upper layer wirings 62 that are alternately connected are equal.
  • the downstream thermocouple 54 the downstream thermocouple lower layer wiring 59 and the downstream thermocouple upper layer wiring 63 penetrate the second insulating film 67 in the vertical direction, and the hot spot connection plug 60 and the cold spot connection plug 61. Are connected alternately.
  • the numbers of the downstream thermocouple lower layer wiring 59 and the downstream thermocouple upper layer wiring 63 that are alternately connected are equal.
  • the upstream thermocouple 53 and the downstream thermocouple 54 are covered with a third insulating film 68.
  • a first heating resistor 52, a second heating resistor 55, and a resistor 56 are formed on the third insulating film 68, and the second heating resistor 55 is disposed above the upstream thermocouple 53, A resistor 56 is disposed above the downstream thermocouple 54.
  • a first heating resistor 52 is formed between the second heating resistor 55 and the resistor 56. Further, the first heating resistor 52, the second heating resistor 55, and the resistor 56 are covered with a fourth insulating film 69. Although illustration is omitted, the fourth insulating film 69 is opened in the electrode pad 57.
  • the first insulating film 66, the second insulating film 67, the third insulating film 68, and the fourth insulating film 69 are, for example, a single layer film made of silicon oxide, a single layer film made of silicon nitride, and a stack of silicon oxide and silicon nitride. Or a laminated film in which a plurality of silicon oxides and silicon nitrides are alternately laminated.
  • a temperature measuring resistor for the first heating resistor or a thermocouple for the first heating resistor for measuring the temperature of the first heating resistor 52 is provided in the vicinity of the first heating resistor 52 to perform temperature control. Also good.
  • the downstream-side thermocouple 54 changes due to the heat effect with the use time. This is because the downstream thermocouple lower layer wiring 59 and the downstream thermocouple upper layer wiring 63 change in resistance due to thermal effects.
  • the gradient in the impurity concentration contained in the polycrystalline Si (silicon) film is caused by thermal effects. Occurs and the hot spot shifts.
  • the value of the upstream thermocouple 53 can be brought close to the value of the downstream thermocouple 54 by heating the second heating resistor 55.
  • the difference between the sensor chip 51A according to the fifth embodiment and the sensor chip 51 according to the fourth embodiment described above is that the first heating resistor 52, the first heating resistor 55, and the resistor 56 are made of different layers. It is forming. That is, the first heating resistor 55 is disposed between the upstream thermocouple upper layer wiring 62 and the upstream thermocouple lower layer wiring 58 of the upstream thermocouple 53, and the resistor 56 is disposed downstream of the downstream thermocouple 54. It is arranged between the thermocouple upper layer wiring 63 and the downstream thermocouple lower layer wiring 59.
  • FIG. 15 is a cross-sectional view of a main part of the sensor chip according to the fifth embodiment.
  • the upstream thermocouple lower layer wiring 58 and the downstream thermocouple lower layer wiring 59 are formed on the semiconductor substrate 65 via the first insulating film 66, and the upstream thermocouple lower layer wiring 58 and The downstream thermocouple lower layer wiring 59 is covered with a second insulating film 67.
  • a second heating resistor 55 and a resistor 56 are formed on the second insulating film 67, and the second heating resistor 55 is disposed above the upstream thermocouple lower layer wiring 58, and the downstream thermocouple lower layer wiring is formed.
  • a resistor 56 is disposed above 59.
  • the second heating resistor 55 and the resistor 56 are covered with a fifth insulating film 70.
  • thermocouple upper layer wiring 62 and a downstream thermocouple upper layer wiring 63 are formed on the fifth insulating film 70, and the upstream thermocouple upper layer wiring 62 is disposed above the second heating resistor 55, and the resistance A downstream thermocouple upper layer wiring 63 is disposed above the body 56.
  • the fifth insulating film 70 insulates the second heating resistor 55 from the upstream thermocouple upper layer wiring 62 and the resistor 56 from the downstream thermocouple upper layer wiring 63.
  • the upstream-side thermocouple lower layer wiring 58 and the upstream-side thermocouple upper-layer wiring 62 pass through the second insulating film 67 and the fifth insulating film 70 in the vertical direction and the cold spot connection plug 60 and the cold spot. They are alternately connected by connection plugs (not shown).
  • the number of the upstream thermocouple lower layer wirings 58 and the upstream thermocouple upper layer wirings 62 that are alternately connected are equal.
  • the downstream thermocouple lower layer wiring 59 and the downstream thermocouple upper layer wiring 63 pass through the second insulating film 67 and the fifth insulating film 70 in the vertical direction and the hot spot connection plug 60.
  • thermocouple lower layer wiring 59 and the downstream thermocouple upper layer wiring 63 that are alternately connected are equal.
  • the upstream thermocouple 53 and the downstream thermocouple 54 are covered with a third insulating film 68.
  • a first heating resistor 52 is formed on the third insulating film 68, and the first heating resistor 52 is formed so as to be positioned between the upstream thermocouple 53 and the downstream thermocouple 54 in plan view. Yes. Further, the first heating resistor 52 is covered with a fourth insulating film 69. Although illustration is omitted, the fourth insulating film 69 is opened in the electrode pad 57.
  • the resistor 56 is also formed between the downstream thermocouple upper layer wiring 63 and the downstream thermocouple lower layer wiring 59 of the downstream thermocouple 54.
  • the first heating resistor 52 is formed on the third insulating film 68.
  • the present invention is not limited to this.
  • a first heating resistor 52 made of a high breakdown voltage material, for example, a refractory metal, in the same layer as the second heating resistor 55 may be formed on the second insulating film 67. Even with the sensor chip 51B having such a structure, the power consumption of the second heating resistor 55 necessary for zero point correction can be suppressed.
  • the present invention includes at least the following embodiments.
  • a flow sensor for measuring a flow rate of a fluid to be measured A first heating resistor; A first temperature measuring thermocouple provided on the downstream side of the first heating resistor, separated from the first heating resistor; A second temperature measuring thermocouple provided on the upstream side of the first heating resistor, spaced apart from the first heating resistor; A second heating resistor provided on the second temperature measuring thermocouple via an insulator; Have A flow rate sensor that heats the second temperature measuring thermocouple by heat generation of the second heating resistor.
  • Appendix 2 In the flow sensor according to appendix 1, A flow rate sensor, wherein a distance between the second heating resistor and the second temperature measuring thermocouple is shorter than a distance between the first heating resistor and the second temperature measuring thermocouple.

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Abstract

高感度および高精度の流量センサを実現する。上記課題を解決するために、流量センサは、第1発熱抵抗体3と、第1発熱抵抗体3から離隔して、第1発熱抵抗体3の上流側に設けられた上流側測温抵抗体4と、第1発熱抵抗体3から離隔して、第1発熱抵抗体3の下流側に設けられた下流側測温抵抗体5とを備え、さらに、上流側測温抵抗体4の上方に、絶縁膜を介して上流側測温抵抗体4を加熱する第2発熱抵抗体6を備える。そして、第2発熱抵抗体6を給電により発熱させて上流側測温抵抗体4を加熱し、上流側測温抵抗体4の抵抗値と下流側測温抵抗体5の抵抗値との差を許容範囲内とすることによって、流量センサのゼロ点補正を行う。

Description

流量センサ
 本発明は、流量センサに関する。
 現在、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る流量センサとして、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems:微小電気機械システム)技術により製造された熱式流量センサが、コストを低減でき、かつ低電力で駆動できることから注目されている。
 本技術分野の背景技術として、特許第5210491号公報(特許文献1)および特開2012-78228号公報がある。
 特許第5210491号公報(特許文献1)には、発熱抵抗体と測温抵抗体を同一基板内に同一材料で形成した場合、抵抗体でブリッジ回路を構成すると発熱抵抗体のみ高温で熱劣化が進みブリッジ回路のバランスが変化し、流量精度の低下につながる課題が記載されている。この対策として、発熱抵抗体と測温抵抗体との間に低温の発熱抵抗体を追加し、測温抵抗体とブリッジ回路を形成することで、熱劣化が少ない発熱抵抗体で温度を正確にモニタでき、長期にわたり高性能を維持できることが記載されている。
 また、特開2012-78228号公報(特許文献2)には、発熱抵抗体に3つの端子を設け、これら端子を介して発熱抵抗体に通電することで、上流側発熱抵抗体と下流側発熱抵抗体との間に発熱量差を発生させ、上流側測温抵抗体が発熱抵抗体から受ける熱的影響と、下流側測温抵抗体が発熱抵抗体から受ける熱的影響とを異ならせる技術が記載されている。これにより、流量測定の基準となる温度差-流量特性を自在に変更し、適用誤差による検出値のシフトを相殺することができる。
特許第5210491号公報 特開2012-78228号公報
 発熱抵抗体と、上流側測温抵抗体と、下流側測温抵抗体とを有する熱式流量センサを、例えば自動車などの内燃機関に用いた場合、内燃機関が駆動している殆どの状態において、下流側測温抵抗体は発熱抵抗体と同程度の高温となることから、下流側測温抵抗体への熱影響が大きく、上流側測温抵抗体と比べて下流側測温抵抗体の方が経過時間に依存した抵抗値の変化が大きくなる。そのため、上流側測温抵抗体および下流側測温抵抗体から構成されるブリッジ回路の出力を無風時に合わせたゼロ点が、経過時間と共に変化し、流量精度が低下するという懸念があった。
 上記課題を解決するために、本発明による流量センサは、第1発熱抵抗体と、第1発熱抵抗体から離隔して、第1発熱抵抗体の上流側に設けられた上流側測温抵抗体と、第1発熱抵抗体から離隔して、第1発熱抵抗体の下流側に設けられた下流側測温抵抗体と、上流側測温抵抗体に絶縁体を介して設けられた第2発熱抵抗体とを有する。そして、第2発熱抵抗体を給電により発熱させて上流側測温抵抗体を加熱して、上流側測温抵抗体の抵抗値と下流側測温抵抗体の抵抗値との差を許容範囲内とすることにより、流量センサのゼロ点補正を行う。
 本発明によれば、高感度および高精度の流量センサを実現することができる。
 上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施の形態の説明により明らかにされる。
実施例1によるセンサチップの要部平面図である。 図1のA-A´線におけるセンサチップの要部断面図である。 図1のセンサチップを備えるセンサモジュールの要部平面図である。 図3のB-B´線におけるセンサモジュールの要部断面図である。 実施例1による熱式流体流量センサが取り付けられた内燃機関の吸気通路の要部断面図である。 実施例1の変形例によるセンサチップの要部断面図である。 実施例1による熱式流体流量センサの回路図である。 実施例1による熱式流体流量センサを自動車に組み込んだ際の熱式流体流量センサの動作フロー図である。 実施例1による熱式流体流量センサにおいて、測温抵抗体を直接加熱した場合の一定抵抗変化に要する加熱温度と加熱時間との関係を示すグラフ図である。 実施例2によるセンサチップの要部平面図である。 図10のC-C´線におけるセンサチップの要部断面図である。 実施例3によるセンサチップの要部断面図である。 実施例4によるセンサチップの要部平面図である。 図13のD-D´線におけるセンサチップの要部断面図である。 実施例5によるセンサチップの要部断面図である。 実施例5の変形例によるセンサチップの要部断面図である。
 以下の実施の形態において、便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。
 また、以下の実施の形態において、要素の数等(個数、数値、量、範囲等を含む)に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。
 また、以下の実施の形態において、その構成要素(要素ステップ等も含む)は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。
 また、「Aからなる」、「Aよりなる」、「Aを有する」、「Aを含む」と言うときは、特にその要素のみである旨明示した場合等を除き、それ以外の要素を排除するものでないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。
 また、以下の実施の形態で用いる図面においては、平面図であっても図面を見易くするためにハッチングを付す場合があり、断面図であっても図面を見易くするためにハッチングを省略する場合もある。また、断面図および平面図において、各部位の大きさは実デバイスと対応するものではなく、図面を分かりやすくするため、特定の部位を相対的に大きく表示する場合がある。また、断面図と平面図が対応する場合においても、図面を分かりやすくするため、特定の部位を相対的に大きく表示する場合がある。
 また、以下の実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。以下、本実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
 本実施例1による熱式流体流量センサについて説明する。本実施例1による熱式流体流量センサは、温度により抵抗体の抵抗値が変化する特性を利用して、流体流量を検出する熱抵抗方式の熱式流体流量センサである。
 <熱式流体流量センサの構造>
 本実施例1による熱式流体流量センサの構造について、図1~図5を用いて説明する。図1は、本実施例1によるセンサチップの要部平面図である。図2は、図1のA-A´線におけるセンサチップの要部断面図である。図3は、図1のセンサチップを備えるセンサモジュールの要部平面図である。図4は、図3のB-B´線におけるセンサモジュールの要部断面図である。図5は、本実施例1による熱式流体流量センサが取り付けられた内燃機関の吸気通路の要部断面図である。
 図1および図2に示すように、熱式流体流量センサのセンサチップ1は、単結晶Si(シリコン)からなる半導体基板2と、流量検出のため半導体基板2の一部が除去されたダイヤフラム部9とを有する。
 半導体基板2上に、第1絶縁膜10を介して第1発熱抵抗体3と、第1発熱抵抗体3の上流側に配置された上流側測温抵抗体4と、第1発熱抵抗体3の下流側に配置された下流側測温抵抗体5と、第1発熱抵抗体3の温度を測定する第1発熱抵抗体用測温抵抗体7とが形成されている。第1発熱抵抗体用測温抵抗体7は、第1発熱抵抗体3と上流側測温抵抗体4との間および第1発熱抵抗体3と下流側測温抵抗体5との間にそれぞれ配置されている。
 第1発熱抵抗体3、上流側測温抵抗体4、下流側測温抵抗体5および第1発熱抵抗体用測温抵抗体7は第2絶縁膜11により覆われており、上流側測温抵抗体4の上方に、第2絶縁膜11を介して、例えば第1発熱抵抗体4と同一材料からなる第2発熱抵抗体6が形成されている。すなわち、平面視において第2発熱抵抗体6の一部は上流側測温抵抗体4と重なっている。第2発熱抵抗体6は第3絶縁膜12により覆われている。なお、第2発熱抵抗体6は、第1発熱抵抗体3と異なる材料によって形成してもよい。
 第1絶縁膜10、第2絶縁膜11および第3絶縁膜12は、例えば酸化シリコンからなる単層膜、窒化シリコンからなる単層膜、酸化シリコンと窒化シリコンとを重ねた積層膜または酸化シリコンと窒化シリコンとを交互に複数重ねた積層膜からなる。
 また、外部への入出力のため、第2絶縁膜11および第3絶縁膜12を除去して、各抵抗体(第1発熱抵抗体3、上流側測温抵抗体4、下流側測温抵抗体5、第2発熱抵抗体6および第1発熱抵抗体用測温抵抗体7)のそれぞれの一部を露出した複数の電極パッド8を有している。後述するワイヤボンディングを良好なものとするため、各抵抗体(第1発熱抵抗体3、上流側測温抵抗体4、下流側測温抵抗体5、第2発熱抵抗体6および第1発熱抵抗体用測温抵抗体7)のそれぞれの電極パッド8上に、例えばAl(アルミニウム)からなる金属膜を設けてもよい。
 さらに、第3絶縁膜12上に有機絶縁膜を形成してもよく、その場合は、少なくとも各抵抗体(第1発熱抵抗体3、上流側測温抵抗体4、下流側測温抵抗体5、第2発熱抵抗体6および第1発熱抵抗体用測温抵抗体7)の上方の有機絶縁膜は除去する、または、ダイヤフラム部9の上方の有機絶縁膜全体を除去する。
 第2発熱抵抗体6は、第1発熱抵抗体3よりも上流側測温抵抗体4に近接しており、熱伝達が良好な場所、例えば上流側測温抵抗体4の上方に設けられている。本実施例1では、第2発熱抵抗体6が、第2絶縁膜11を介して上流側測温抵抗体4の上方に設けられているため、第2絶縁膜11の厚さで、第2発熱抵抗体6と上流側測温抵抗体4との距離が決まる。第1絶縁膜10の上面と第3絶縁膜12の下面とに挟まれた第2絶縁膜11の厚さT1は、例えば0.1μm~1μmの範囲である。
 また、上流側測温抵抗体4と下流側測温抵抗体5とは、第1発熱抵抗体3を挟んで吸気の流れる方向に線対称となるように設けられており、これにより、無風時における上流側測温抵抗体4の熱分布と下流側測温抵抗体5の熱分布とが等しくなる。
 なお、本実施例1では、平面視において第2発熱抵抗体6の一部が上流側測温抵抗体4と重なったセンサチップ1を例示したが、これに限定されるものではなく、上記重なりは必須の条件ではない。第1発熱抵抗体3と第2発熱抵抗体6とをむすぶ直線の中点が、上流側測温抵抗体4と下流側測温抵抗体5とをむすぶ直線の中点よりも上流側に位置するように、第2発熱抵抗体6が形成されていればよい。これは、後述する実施例2および3においても同様である。
 次に、図3および図4に示すように、センサモジュール13は、支持基板14と、支持基板14に形成された凹部15とを有する。
 凹部15の内側に、センサチップ1が接着剤16により固定されており、凹部15が形成された領域以外の支持基板14上に制御用回路チップ17が搭載されている。さらに、制御用回路チップ17の一部の電極パッド18とセンサチップ1の電極パッド8とは、ボンディングワイヤ19aを介して電気的に接続されている。また、制御用回路チップ17の他の一部の電極パッド(外部への入出力端子用の電極パッド)18と支持基板14上に形成された外部入出力端子20とは、ボンディングワイヤ19bを介して電気的に接続されている。
 センサチップ1の電極パッド8および制御用回路チップ17の電極パッド18は腐食しやすいため、電極パッド8、電極パッド18および制御用回路チップ17は腐食防止用の樹脂21で覆われている。
 なお、ダイヤフラム部9は流体の検出部となるため、ダイヤフラム部9の表面側は腐食防止用の樹脂21が覆わないようにし、かつダイヤフラム部9の支持基板14に固定する裏面側は接着剤16でダイヤフラム部9が密閉されないようにする。
 次に、図5に示すように、熱式流体流量センサ22は、ボディ23と、ボディ23の中に形成された副通路24と、センサモジュール13を固定する支持体25と、支持体カバー26とを有する。
 センサモジュール13の吸気流量検出部である、センサチップのダイヤフラム部9に吸気29が流れるように、センサモジュール13は、支持体25および支持体カバー26によって熱式流体流量センサ22に固定してある。また、熱式流体流量センサ22は、吸気管27に貫通して装着され、主通路28に流れる吸気29が副通路24内に取り込まれるように、吸気管27に設けられている。図5には、副通路24は、吸気管27と並行で、かつ直線的に簡略化して示されているが、副通路24は、ボディ23内で曲線や分岐の形状を有していてもよい。
 なお、本実施例1では、図2に示すように、上流側測温抵抗体4上に、第2絶縁膜11を介して第2発熱抵抗体6を形成しているが、これに限定されるものではない。
 例えば図6に示すように、第1絶縁膜10上に第2発熱抵抗体6を形成し、第2発熱抵抗体6を第2絶縁膜11により覆い、第2絶縁膜11上に、第1発熱抵抗体3と、上流側測温抵抗体4と、下流側測温抵抗体5と、第1発熱抵抗体用測温抵抗体7とを形成してもよい。この場合、第2発熱抵抗体6の上方に、第2絶縁膜11を介して上流側測温抵抗体4を配置する。すなわち、平面視において第2発熱抵抗体6の一部は上流側測温抵抗体4と重なっている。
 あるいは、図示は省略するが、第1発熱抵抗体3よりも上流側測温抵抗体4に近接して、第1発熱抵抗体3と同一層の高耐熱材料、例えば高融点金属からなる第2発熱抵抗体6を形成してもよい。
 <熱式流体流量センサの動作フロー>
 本実施例1による熱式流体流量センサの動作フローについて図7および図8を用いて説明する。図7は、本実施例1による熱式流体流量センサの回路図である。図8は、本実施例1による熱式流体流量センサを自動車に組み込んだ際の熱式流体流量センサの動作フロー図である。
 図7に示すように、第1発熱抵抗体3の温度は、第1発熱抵抗体用測温抵抗体7で温度モニタし、所望の温度になるようにコントローラ34によって電圧または電流を制御する。上流側測温抵抗体4および下流側測温抵抗体5は、ダイヤフラム部以外のセンサチップ内または制御用回路チップ内に設けたブリッジ抵抗体30とブリッジ回路を形成し、上流側測温抵抗体4と下流側測温抵抗体5との間に所定の電圧(Vref)を印加する。上流側測温抵抗体4とブリッジ抵抗体30との中点と、下流側測温抵抗体5とブリッジ抵抗体30との中点との差電圧を増幅器31に接続した後、アナログ/デジタルコンバータ(ADC)33などの回路でデジタル変換して電子制御装置(Electronic Control Unit:ECU)36に出力する。
 なお、本実施例1では、増幅器31の後にゼロ点が許容範囲内であるか否かを判定する比較器32を設け、許容範囲内から外れた場合には、第2発熱抵抗体6に電圧を印加して、上流側測温抵抗体4を加熱する回路構成となっている。
 初期の無風状態では、第1発熱抵抗体3で加熱した状態の上流側測温抵抗体4、下流側測温抵抗体5およびブリッジ抵抗体30の抵抗値は等しくなるよう設計しており、電子制御装置36への出力はゼロとなり、この状態を基準に吸気の流量と差電圧の相関をアナログ/デジタルコンバータ33で変換して出力する。
 次に、熱式流体流量センサの動作フローについて説明する。なお、以下の動作フローの説明では、図7に示す熱式流体流量センサの回路図を適宜参照する。図8に示す動作フローに従って、例えば自動車の電子制御燃料噴射装置に組み込まれた熱式流体流量センサにより、流体流量が出力される。
 まず、自動車のエンジンを始動する前に、熱式流体流量センサおよび電子制御装置36などに給電する(工程S1)。エンジンを始動する前とは、例えば鍵シリンダーに鍵を差し込んだだけの状態を言う。
 次に、無風時のゼロ点を比較器32で確認し、ゼロ点が許容範囲内にであるか否かを判断する(工程S2)。
 許容範囲内(OK)の場合は、エンジンを始動する(工程S3)。そして吸気が流れて(工程S4)、吸気流量が出力される(工程S5)。
 許容範囲外(NG)の場合は、第2発熱抵抗体6に瞬時に給電し、第2発熱抵抗体6の給電を止めた後(工程S6)、再度ゼロ点を比較器32で確認し、ゼロ点が許容範囲内であるか否かを判断する(工程S2)。すなわち、本実施例1における熱式流体流量センサの動作フローは、ゼロ点を許容範囲内に収めることのできるゼロ点補正モードを有している。
 なお、上記説明では、図8に示す動作フローに従って、自動車の最初のエンジンを始動する場合を例示したが、これに限定されるものではない。例えばアイドルストップ機能が装備されている自動車では、自動車が信号などで止まった際にエンジンが止まり、その後、エンジンが再始動する。この場合も、図8に示す動作フローに従って、ゼロ点を補正することができる。
 また、他の動作モードとしては、ゼロ点を比較器32で確認し、許容範囲外の場合は、変動した差電圧から計算して、上流側測温抵抗体4と下流側測温抵抗体5との抵抗変化分だけ、第2発熱抵抗体6を微小に加熱する。そして、再度ゼロ点を比較器32で確認し、許容範囲内にゼロ点を補正した後、第2発熱抵抗体6の温度を固定して給電しながらエンジンを始動して、吸気流量を出力する。
 また、上流側測温抵抗体4の抵抗値と下流側測温抵抗体5の抵抗値とは、互いに等しくなるように設計されているが、製造時のばらつきおよび出荷前の信頼性試験などで無風時のゼロ点が許容範囲を超える熱式流体流量センサが製造されることもある。このような熱式流体流量センサに対しても、第2発熱抵抗体6を用いて、上流側測温抵抗体4の抵抗値と下流側測温抵抗体5の抵抗値とのバランスを改善することによりゼロ点が補正できるので、熱式流体流量センサの製造歩留まりが向上し、製造コストが低減する。
 <本実施の熱式流体流量センサの効果>
 本実施例1による熱式流体流量センサの効果を図1および図9を用いて説明する。図9は、本実施例1による熱式流体流量センサにおいて、測温抵抗体を直接加熱した場合の一定抵抗変化(数Ω)に要する加熱温度と加熱時間との関係を示すグラフ図である。
 図9に示すように、加熱温度を100℃高温にすることにより、加熱時間を約1/10に低減することができる。
 図8に示す動作フローにおいて、熱式流体流量センサでは、使用時間とともに第1発熱抵抗体3の加熱により、上流側測温抵抗体4よりも速く下流側測温抵抗体5の抵抗変化が進むため、ゼロ点が変動する。ゼロ点を補正するには、第2発熱抵抗体6の加熱温度が第1発熱抵抗体3の加熱温度と同等の場合、熱式流体流量センサの使用時間と同じ時間を上流側測温抵抗体4のみに加熱する必要があるが、長時間の加熱が必要となるため、流量検出に支障をきたす。
 そこで、本実施例1では、第2発熱抵抗体6の加熱温度を、少なくとも第1発熱抵抗体3の加熱温度よりも高くして、短時間で下流側測温抵抗体5の抵抗値に上流側測温抵抗体4の抵抗値を近づけて、ゼロ点を許容範囲内に補正する。例えば第1発熱抵抗体3を200℃で加熱している場合、第2発熱抵抗体6を500℃で加熱することにより、約1/1,000の時間で、ゼロ点の補正が可能となる。
 また、図8に示す動作モードでは、エンジンの始動ごとにゼロ点を確認しているので、許容範囲外になった場合でも、その抵抗値変化は小さいため(例えば1Ω未満)、第2発熱抵抗体6を長時間加熱する必要はない。さらに、第2発熱抵抗体6のパターン(発熱する面積)を第1発熱抵抗体3のパターン(発熱する面積)より小さい面積にすることにより、消費電力を抑え、効率よくゼロ点を補正することが可能となる。
 このように、本実施例1によれば、エンジンの使用時間によらず、熱式流体流量センサのゼロ点の変動を瞬時に許容範囲内に抑制できるので、熱式流体流量センサの流量精度を維持することができて、熱式流体流量センサの信頼性を確保することができる。
 本実施例2によるセンサチップ1Aと、前述の実施例1によるセンサチップ1との相違点は、下流側測温抵抗体5の上方に、第2絶縁膜11を介して第2発熱抵抗体6と同様の抵抗体35が形成されていることである。
 本実施例2によるセンサチップの構造について、図10および図11を用いて説明する。図10は、本実施例2によるセンサチップの要部平面図である。図11は、図10のC-C´線におけるセンサチップの要部断面図である。
 ダイヤフラム部9内の残留応力は、積層した材料によって変化する。従って、上流側測温抵抗体4の上方のみに、第2絶縁膜11を介して第2発熱抵抗体6を形成した場合は、センサチップ1Aの残留応力のバランスが悪くなる可能性がある。
 しかし、図10および図11に示すように、下流側測温抵抗体5の上方に、第2絶縁膜11を介して抵抗体35を形成することにより、第1発熱抵抗体3を挟んで、上流側と下流側とで構造に対象性を保つことができるので、センサチップ1Aの残留応力のバランスが良好となる。これにより、ダイヤフラム部9の強度が向上し、センサチップ1Aの信頼性を向上することができる。
 平面視において抵抗体35の一部は下流側測温抵抗体5と重なっており、第1発熱抵抗体3を挟んで吸気の流れる方向に線対称となるように第2発熱抵抗体6と抵抗体35とは設けられている。
 また、抵抗体35は、独立した電極パッド8を有しており、通常はグランドに接続される。しかし、センサチップ1Aでは、第1発熱抵抗体3を挟んで吸気の流れる方向に線対称となるように第2発熱抵抗体6と抵抗体35とが設けられているので、吸気方向を逆に取り付ける仕様に変更した場合でも、抵抗体35の結線と第2発熱抵抗体6の結線とを変えるだけで、熱式流体流量センサのゼロ点の変動を許容範囲内に抑制する効果を得ることができる。
 また、抵抗体35を第3発熱抵抗体として、第2発熱抵抗体6とは独立に加熱を行い、無風時におけるゼロ点の補正に用いることもできる。
 本実施例3によるセンサチップ1Bと、前述の実施例1によるセンサチップ1との相違点は、第1発熱抵抗体3が第2発熱抵抗体6と同一層の高耐熱性材料により形成されていることである。高耐熱性材料とは、例えばW(タングステン)またはMo(モリブデン)などの高融点金属である。
 本実施例3によるセンサチップの構造について図12を用いて説明する。図12は、本実施例3によるセンサチップの要部断面図である。
 図12に示すように、半導体基板2上に、第1絶縁膜10を介して上流側に配置された上流側測温抵抗体4と、下流側に配置された下流側測温抵抗体5と、上流側測温抵抗体4と下流側測温抵抗体5との間に、上流側測温抵抗体4および下流側測温抵抗体5にそれぞれ沿って配置された第1発熱抵抗体用測温抵抗体7とが形成されている。上流側測温抵抗体4、下流側測温抵抗体5および第1発熱抵抗体用測温抵抗体7は第2絶縁膜11により覆われている。
 第2絶縁膜11上に、第1発熱抵抗体3と、第2発熱抵抗体6と、抵抗体35とが形成され、上流側測温抵抗体4の上方に第2発熱抵抗体6が形成され、下流側測温抵抗体5の上方に抵抗体35が形成されている。すなわち、平面視において第2発熱抵抗体6の一部は上流側測温抵抗体4と重なり、抵抗体35の一部は下流側測温抵抗体4と重なっている。
 さらに、第2発熱抵抗体6と抵抗体35との間に、第2発熱抵抗体6と同一層、同一材料からなる第1発熱抵抗体3が形成されている。平面視において第1発熱抵抗体3の上流側および下流側にそれぞれ第1発熱抵抗体用測温抵抗体7が配置される。
 このように、第1発熱抵抗体3を第2発熱抵抗体6と同一層となる構造とし、かつこれらを高耐熱性材料により形成することにより、熱による抵抗劣化を抑制できるので、センサチップ1Bの信頼性を向上させることができる。
 本実施例4によるセンサチップ51と、前述の実施例1によるセンサチップ1との相違点は、測温方式である。前述の実施例1の測温方式は、温度により抵抗値が変化する特性を利用した熱抵抗方式である。一方、本実施例4の測温方式は、半導体基板上(冷点)と第1発熱抵抗体の近傍(温点)との温度差を利用した熱電対方式である。
 本実施例4によるセンサチップの構造について図13および図14を用いて説明する。図13は、本実施例4によるセンサチップの要部平面図である。図14は、図13のD-D´線におけるセンサチップの要部断面図である。
 図13に示すように、熱電対を用いたセンサチップ51は、単結晶Si(シリコン)からなる半導体基板65と、流量検出のため半導体基板65の一部が除去されたダイヤフラム部64とを有する。
 半導体基板65上に、ダイヤフラム部64の中心付近に第1発熱抵抗体52が設けられており、第1発熱抵抗体52を挟んで吸気の流れる方向に線対称となるように上流側熱電対53と下流側熱電対54とが配置されている。また、上流側熱電対53の上方に第2発熱抵抗体55が配置され、下流側熱電対54の上方に抵抗体56が配置されており、第2発熱抵抗体55と抵抗体56とは、第1発熱抵抗体52を挟んで吸気の流れる方向に線対称となるように配置されている。
 また、第1発熱抵抗体52、上流側熱電対53、下流側熱電対54、第2発熱抵抗体55および抵抗体56のそれぞれの一部を露出した複数の電極パッド57を有しており、複数の電極パッド57は、ボンディングワイヤを介して制御用回路チップと電気的に繋がる。なお、上流側熱電対53および下流側熱電対54は、ブリッジ回路による差電圧を出力する。
 図14に示すように、半導体基板65上に、第1絶縁膜66を介して上流側熱電対下層配線58と、下流側熱電対下層配線59とが形成され、上流側熱電対下層配線58および下流側熱電対下層配線59は第2絶縁膜67に覆われている。
 第2絶縁膜67上に、上流側熱電対上層配線62と、下流側熱電対上層配線63とが形成され、上流側熱電対下層配線58の上方に上流側熱電対上層配線62が配置され、下流側熱電対下層配線59の上方に下流側熱電対上層配線63が配置されている。上流側熱電対下層配線58と上流側熱電対上層配線62とで上流側熱電対53が構成され、下流側熱電対下層配線59と下流側熱電対上層配線63とで下流側熱電対54が構成される。
 上流側熱電対53では、上流側熱電対下層配線58と上流側熱電対上層配線62とが、第2絶縁膜67を垂直方向に貫通する温点接続プラグ60および冷点接続プラグ(図示は省略)により交互に接続されている。交互に接続される上流側熱電対下層配線58と上流側熱電対上層配線62の数は等しく設けられている。同様に、下流側熱電対54では、下流側熱電対下層配線59と下流側熱電対上層配線63とが、第2絶縁膜67を垂直方向に貫通する温点接続プラグ60および冷点接続プラグ61により交互に接続されている。交互に接続される下流側熱電対下層配線59と下流側熱電対上層配線63の数は等しく設けられている。また、上流側熱電対53および下流側熱電対54は第3絶縁膜68により覆われている。
 第3絶縁膜68上に、第1発熱抵抗体52と、第2発熱抵抗体55と、抵抗体56とが形成され、上流側熱電対53の上方に第2発熱抵抗体55が配置され、下流側熱電対54の上方に抵抗体56が配置されている。第2発熱抵抗体55と抵抗体56との間に、第1発熱抵抗体52が形成されている。さらに、第1発熱抵抗体52、第2発熱抵抗体55および抵抗体56は第4絶縁膜69により覆われている。図示は省略するが、第4絶縁膜69は、電極パッド57において開口している。
 第1絶縁膜66、第2絶縁膜67、第3絶縁膜68および第4絶縁膜69は、例えば酸化シリコンからなる単層膜、窒化シリコンからなる単層膜、酸化シリコンと窒化シリコンとを重ねた積層膜または酸化シリコンと窒化シリコンとを交互に複数重ねた積層膜からなる。
 なお、第1発熱抵抗体52の温度を測定する第1発熱抵抗体用測温抵抗体または第1発熱抵抗体用熱電対を第1発熱抵抗体52の近傍に設けて、温度制御を行ってもよい。
 本実施例4によるセンサチップ51においても、使用時間とともに下流側熱電対54が熱影響により変化する。これは、下流側熱電対下層配線59および下流側熱電対上層配線63が熱影響により抵抗変化することに起因する。特に、上流側熱電対下層配線58および下流側熱電対下層配線59に多結晶Si(シリコン)膜を使用した場合は、熱影響により、多結晶Si(シリコン)膜に含まれる不純物濃度に勾配が生じて、温点がずれる。
 しかし、このような事象の場合でも、第2発熱抵抗体55を加熱することにより、上流側熱電対53の値を下流側熱電対54の値に近づけることができる。
 本実施例5によるセンサチップ51Aと、前述の実施例4によるセンサチップ51との相違点は、第1発熱抵抗体52と、第1発熱抵抗体55および抵抗体56とを、互いに異なる層により形成していることである。すなわち、第1発熱抵抗体55を、上流側熱電対53の上流側熱電対上層配線62と上流側熱電対下層配線58との間に配置し、抵抗体56を下流側熱電対54の下流側熱電対上層配線63と下流側熱電対下層配線59との間に配置している。
 本実施例5によるセンサチップの構造について図15を用いて説明する。図15は、本実施例5によるセンサチップの要部断面図である。
 図15に示すように、半導体基板65上に、第1絶縁膜66を介して上流側熱電対下層配線58と、下流側熱電対下層配線59とが形成され、上流側熱電対下層配線58および下流側熱電対下層配線59は第2絶縁膜67により覆われている。
 第2絶縁膜67上に、第2発熱抵抗体55と、抵抗体56とが形成され、上流側熱電対下層配線58の上方に第2発熱抵抗体55が配置され、下流側熱電対下層配線59の上方に抵抗体56が配置されている。また、第2発熱抵抗体55および抵抗体56は第5絶縁膜70により覆われている。
 第5絶縁膜70上に、上流側熱電対上層配線62と、下流側熱電対上層配線63とが形成され、第2発熱抵抗体55の上方に上流側熱電対上層配線62が配置され、抵抗体56の上方に下流側熱電対上層配線63が配置されている。第5絶縁膜70によって、第2発熱抵抗体55と上流側熱電対上層配線62、および抵抗体56と下流側熱電対上層配線63との絶縁を図っている。
 上流側熱電対53では、上流側熱電対下層配線58と上流側熱電対上層配線62とが、第2絶縁膜67および第5絶縁膜70を垂直方向に貫通する温点接続プラグ60および冷点接続プラグ(図示は省略)により交互に接続されている。交互に接続される上流側熱電対下層配線58と上流側熱電対上層配線62の数は等しく設けられている。同様に、下流側熱電対54では、下流側熱電対下層配線59と下流側熱電対上層配線63とが、第2絶縁膜67および第5絶縁膜70を垂直方向に貫通する温点接続プラグ60および冷点接続プラグ61により交互に接続されている。交互に接続される下流側熱電対下層配線59と下流側熱電対上層配線63の数は等しく設けられている。また、上流側熱電対53および下流側熱電対54は第3絶縁膜68により覆われている。
 第3絶縁膜68上に第1発熱抵抗体52が形成され、平面視において上流側熱電対53と下流側熱電対54との間に位置するように、第1発熱抵抗体52が形成されている。さらに、第1発熱抵抗体52は第4絶縁膜69により覆われている。図示は省略するが、第4絶縁膜69は、電極パッド57において開口している。
 第2発熱抵抗体55を、上流側熱電対53の上流側熱電対上層配線62と上流側熱電対下層配線58との間に形成することで、上流側熱電対上層配線62および上流側熱電対下層配線58にそれぞれ同等の熱量を与えることができるので、ゼロ点の補正に必要な第2発熱抵抗体55の消費電力を抑えることができる。また、ダイヤフラム部64内の残留応力を調整する観点から、抵抗体56も下流側熱電対54の下流側熱電対上層配線63と下流側熱電対下層配線59との間に形成している。
 なお、本実施例5では、第1発熱抵抗体52を第3絶縁膜68上に形成したが、これに限定されるものではない。
 例えば図16に示すように、第2絶縁膜67上に、第2発熱抵抗体55と同一層の高耐圧材料、例えば高融点金属からなる第1発熱抵抗体52を形成してもよく、このような構造のセンサチップ51Bであっても、ゼロ点の補正に必要な第2発熱抵抗体55の消費電力を抑えることができる。
 以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
 本発明は少なくとも以下の実施の形態を含む。
 〔付記1〕
 被測定流体の流量を測定する流量センサであって、
 第1発熱抵抗体と、
 前記第1発熱抵抗体から離隔して、前記第1発熱抵抗体の下流側に設けられた第1測温熱電対と、
 前記第1発熱抵抗体から離隔して、前記第1発熱抵抗体の上流側に設けられた第2測温熱電対と、
 前記第2測温熱電対に絶縁体を介して設けられた第2発熱抵抗体と、
を有し、
 前記第2発熱抵抗体の発熱によって前記第2測温熱電対を加熱する、流量センサ。
 〔付記2〕
 付記1記載の流量センサにおいて、
 前記第2発熱抵抗体と前記第2測温熱電対との距離が、前記第1発熱抵抗体と前記第2測温熱電対との距離よりも短い、流量センサ。
 〔付記3〕
 付記1記載の流量センサにおいて、
 前記第1測温熱電対および前記第2測温熱電対は、前記第1発熱抵抗体とは互いに異なる層により形成されている、流量センサ。
 〔付記4〕
 付記1記載の流量センサにおいて、
 前記第1発熱抵抗体と前記第2発熱抵抗体とは、同一材料からなる、流量センサ。
 〔付記5〕
 付記1記載の流量センサにおいて、
 前記第1測温熱電対と前記第2測温熱電対とは、前記第1発熱抵抗体を挟んで前記被測定流体の流れる方向に線対称に設けられている、流量センサ。
 1,1A,1B センサチップ
 2 半導体基板
 3 第1発熱抵抗体
 4 上流側測温抵抗体
 5 下流側測温抵抗体
 6 第2発熱抵抗体
 7 第1発熱抵抗体用測温抵抗体
 8 電極パッド
 9 ダイヤフラム部
10 第1絶縁膜
11 第2絶縁膜
12 第3絶縁膜
13 センサモジュール
14 支持基板
15 凹部
16 接着剤
17 制御用回路チップ
18 電極パッド
19a,19b ボンディングワイヤ
20 外部入出力端子
21 樹脂
22 熱式流体流量センサ
23 ボディ
24 副通路
25 支持体
26 支持体カバー
27 吸気管
28 主通路
29 吸気
30 ブリッジ抵抗体
31 増幅器
32 比較器
33 アナログ/デジタルコンバータ
34 コントローラ
35 抵抗体
36 電子制御装置
51,51A,51B センサチップ
52 第1発熱抵抗体
53 上流側熱電対
54 下流側熱電対
55 第2発熱抵抗体
56 抵抗体
57 電極パッド
58 上流側熱電対下層配線
59 下流側熱電対下層配線
60 温点接続プラグ
61 冷点接続プラグ
62 上流側熱電対上層配線
63 下流側熱電対上層配線
64 ダイヤフラム部
65 半導体基板
66 第1絶縁膜
67 第2絶縁膜
68 第3絶縁膜
69 第4絶縁膜
70 第5絶縁膜

Claims (15)

  1.  被測定流体の流量を測定する流量センサであって、
     第1発熱抵抗体と、
     前記第1発熱抵抗体から離隔して、前記第1発熱抵抗体の下流側に設けられた第1測温抵抗体と、
     前記第1発熱抵抗体から離隔して、前記第1発熱抵抗体の上流側に設けられた第2測温抵抗体と、
     前記第2測温抵抗体に絶縁体を介して設けられた第2発熱抵抗体と、
    を有し、
     前記第2発熱抵抗体の発熱によって前記第2測温抵抗体を加熱する、流量センサ。
  2.  請求項1記載の流量センサにおいて、
     前記第2発熱抵抗体と前記第2測温抵抗体との距離が、前記第1発熱抵抗体と前記第2測温抵抗体との距離よりも短い、流量センサ。
  3.  請求項1記載の流量センサにおいて、
     前記第1発熱抵抗体と前記第2発熱抵抗体とは、同一材料からなる、流量センサ。
  4.  請求項1記載の流量センサにおいて、
     前記第2発熱抵抗体の発熱する面積が、前記第1発熱抵抗体の発熱する面積よりも小さい、流量センサ。
  5.  請求項1記載の流量センサにおいて、
     前記第1測温抵抗体と前記第2測温抵抗体とは、前記第1発熱抵抗体を挟んで前記被測定流体の流れる方向に線対称に設けられている、流量センサ。
  6.  被測定流体の流量を測定する流量センサであって、
     第1発熱抵抗体と、
     前記第1発熱抵抗体から離隔して、前記第1発熱抵抗体の下流側に設けられた第1測温抵抗体と、
     前記第1発熱抵抗体から離隔して、前記第1発熱抵抗体の上流側に設けられた第2測温抵抗体と、
     前記第2測温抵抗体に絶縁体を介して設けられた第2発熱抵抗体と、
    を有し、
     前記第2発熱抵抗体の発熱によって前記第2測温抵抗体を加熱して、前記第1測温抵抗体の第1抵抗値と前記第2測温抵抗体の第2抵抗値との差を許容範囲内とすることにより、ゼロ点を補正する、流量センサ。
  7.  請求項6記載の流量センサにおいて、
     前記第1抵抗値と前記第2抵抗値との差を確認する比較器を備える、流量センサ。
  8.  請求項6記載の流量センサにおいて、
     前記第1発熱抵抗体と前記第2発熱抵抗体とをむすぶ直線の中点が、前記第1測温抵抗体と前記第2測温抵抗体とをむすぶ直線の中点よりも前記被測定流体の上流側に位置する、流量センサ。
  9.  請求項6記載の流量センサにおいて、
     前記第2発熱抵抗体と前記第2測温抵抗体との距離が、前記第1発熱抵抗体と前記第2測温抵抗体との距離よりも短い、流量センサ。
  10.  請求項6記載の流量センサにおいて、
     前記第1発熱抵抗体と前記第2発熱抵抗体とは、同一材料からなる、流量センサ。
  11.  請求項6記載の流量センサにおいて、
     前記第2発熱抵抗体の発熱する面積が、前記第1発熱抵抗体の発熱する面積よりも小さい、流量センサ。
  12.  請求項6記載の流量センサにおいて、
     前記第1測温抵抗体と前記第2測温抵抗体とは、前記第1発熱抵抗体を挟んで前記被測定流体の流れる方向に線対称に設けられている、流量センサ。
  13.  内燃機関に吸入される空気の流量を測定する流量センサであって、
     第1発熱抵抗体と、
     前記第1発熱抵抗体から離隔して、前記第1発熱抵抗体の下流側に設けられた第1測温抵抗体と、
     前記第1発熱抵抗体から離隔して、前記第1発熱抵抗体の上流側に設けられた第2測温抵抗体と、
     前記第2測温抵抗体に絶縁体を介して設けられた第2発熱抵抗体と、
    を有し、
     前記内燃機関が停止している状態で、前記第2発熱抵抗体を給電により発熱させて前記第2測温抵抗体を加熱して、前記第1測温抵抗体の第1抵抗値と前記第2測温抵抗体の第2抵抗値との差を許容範囲内とすることにより、ゼロ点を補正する流量センサ。
  14.  請求項13記載の流量センサであって、
     前記第1抵抗値と前記第2抵抗値との差を確認する比較器を備える、流量センサ。
  15.  請求項14記載の流量センサにおいて、
     前記第1発熱抵抗体と前記第2発熱抵抗体とをむすぶ直線の中点が、前記第1測温抵抗体と前記第2測温抵抗体とをむすぶ直線の中点よりも前記被測定流体の上流側に位置する、流量センサ。
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