WO2021260987A1 - 熱式流量センサ - Google Patents

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WO2021260987A1
WO2021260987A1 PCT/JP2021/003177 JP2021003177W WO2021260987A1 WO 2021260987 A1 WO2021260987 A1 WO 2021260987A1 JP 2021003177 W JP2021003177 W JP 2021003177W WO 2021260987 A1 WO2021260987 A1 WO 2021260987A1
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WO
WIPO (PCT)
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diaphragm
thermal flow
flow direction
flow sensor
temperature detection
Prior art date
Application number
PCT/JP2021/003177
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English (en)
French (fr)
Inventor
琳琳 張
保夫 小野瀬
洋 中野
和宏 太田
直生 斉藤
Original Assignee
日立Astemo株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 日立Astemo株式会社 filed Critical 日立Astemo株式会社
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    • 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
    • G01F1/684—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
    • 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
    • G01F1/684—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

Definitions

  • This disclosure relates to a thermal flow sensor.
  • the air mass meter described in Patent Document 1 includes a sensor element formed in a micromachining type structural form.
  • the sensor element has a heating element, and the first temperature sensor element is arranged on the upstream side with respect to the heating element, and the second temperature sensor element is arranged on the downstream side with reference to the heating element.
  • the first temperature sensor element has a first width and a first length, and the second temperature sensor element has a second width and a second length.
  • the first width of the first temperature sensor element is set to be larger than the second width of the second temperature sensor element (the same document, summary, claim 1, FIG. 9). Etc.).
  • the first temperature sensor element and the second temperature sensor element have an asymmetrical configuration with respect to the symmetry axis formed by the heating element (the same document, paragraph 0029, FIG. 9, etc.). See). Therefore, it is necessary to correct the steady-state characteristics and unsteady-state characteristics of the air mass meter based on this asymmetry.
  • the present disclosure provides a thermal flow sensor capable of improving stain resistance while arranging temperature detection elements symmetrically with respect to a heat generation resistor.
  • One aspect of the present disclosure is a diaphragm arranged along the flow direction of the gas to be measured, a heat generation resistor arranged in the middle portion of the diaphragm in the flow direction, and both ends of the diaphragm in the flow direction.
  • the diaphragm With a pair of temperature sensing elements arranged, the diaphragm is extended to project from at least one side edge of both sides along the flow direction in an intersecting direction intersecting the flow direction. It is a thermal flow sensor having a portion, characterized in that at least a part of the expansion portion and the temperature detecting element are opposed to each other in the crossing direction.
  • thermo flow rate sensor capable of improving stain resistance while arranging temperature detection elements symmetrically with respect to a heat generation resistor.
  • the system diagram which shows an example of the internal combustion engine control system.
  • the front view which shows an example of the thermal flow rate sensor of FIG.
  • the front view which shows an example of the thermal flow rate sensor of FIG.
  • the front view which shows the modification of the thermal flow rate sensor of FIG.
  • the front view which shows the modification of the diaphragm of the thermal flow rate sensor of FIG.
  • the front view which shows the modification of the diaphragm of the thermal flow rate sensor of FIG.
  • the front view which shows the modification of the diaphragm of the thermal flow rate sensor of FIG.
  • the front view which shows the modification of the diaphragm of the thermal flow rate sensor of FIG.
  • the front view which shows the modification of the diaphragm of the thermal flow rate sensor of FIG. which shows the modification of the diaphragm of the thermal flow rate sensor of FIG.
  • the front view which shows the embodiment of the thermal flow rate sensor of this disclosure The front view which shows the comparative example with respect to the thermal flow rate sensor of FIG. 8A.
  • the graph which shows the temperature gradient of the diaphragm of the embodiment of FIG. 8A The graph which shows the temperature gradient of the diaphragm of the comparative example of FIG. 8B.
  • FIG. 1 is a system diagram showing an example of an electronic fuel injection type internal combustion engine control system 1.
  • intake air is sucked from the air cleaner 21 based on the operation of the internal combustion engine 10 including the engine cylinder 11 and the engine piston 12.
  • the intake air is guided to the combustion chamber of the engine cylinder 11 via the intake body which is the main passage 22, the throttle body 23, and the intake manifold 24.
  • the physical quantity detection device 20 installed in the main passage 22 measures the physical quantity of the intake air. That is, the gas to be measured 2 of the physical quantity detection device 20 is, for example, the intake air flowing through the main passage 22. Further, fuel is supplied from the fuel injection valve 14 based on the physical quantity of the intake air measured by the physical quantity detection device 20, and is guided to the combustion chamber together with the intake air in the state of an air-fuel mixture.
  • the fuel injection valve 14 is provided in the intake port of the internal combustion engine 10, the fuel injected into the intake port is mixed with the intake air, and the air-fuel mixture of the fuel and the intake air is the intake valve 15. It is guided to the combustion chamber through.
  • the air-fuel mixture guided to the combustion chamber explosively burns due to the spark ignition of the spark plug 13 to generate mechanical energy.
  • the physical quantity detecting device 20 measures physical quantities such as the flow rate, temperature, humidity, and pressure of the intake air as the gas to be measured 2 that is taken in through the air cleaner 21 and flows through the main passage 22.
  • the physical quantity detection device 20 outputs an electric signal according to the physical quantity of the intake air.
  • the output signal of the physical quantity detection device 20 is input to the control device 4.
  • the output of the throttle angle sensor 26 that measures the opening degree of the throttle valve 25 is input to the control device 4. Further, in order to measure the position and state of the engine piston 12, the intake valve 15 and the exhaust valve 16 of the internal combustion engine 10, and the rotational speed of the internal combustion engine 10, the output of the rotation angle sensor 17 is input to the control device 4. .. The output of the oxygen sensor 28 is input to the control device 4 in order to measure the state of the mixing ratio of the fuel amount and the air amount from the state of the exhaust gas 3.
  • the control device 4 calculates the fuel injection amount and the ignition timing based on the physical quantity of the intake air which is the output of the physical quantity detection device 20 and the rotation speed of the internal combustion engine 10 measured based on the output of the rotation angle sensor 17. .. Based on these calculation results, the amount of fuel supplied from the fuel injection valve 14 and the ignition timing by the spark plug 13 are controlled. Further, the fuel supply amount and the ignition timing are further based on the temperature measured by the physical quantity detection device 20, the change state of the throttle angle, the change state of the engine rotation speed, the state of the air-fuel ratio measured by the oxygen sensor 28, and the like. , It is finely controlled.
  • the control device 4 further controls the amount of air bypassing the throttle valve 25 by the idle air control valve 27 in the idle operation state of the internal combustion engine 10, and controls the rotation speed of the internal combustion engine 10 in the idle operation state.
  • the fuel supply amount and the ignition timing, which are the main control amounts of the internal combustion engine 10 are both calculated with the output of the physical quantity detection device 20 as the main parameter. Therefore, it is important to improve the accuracy of the physical quantity detecting device 20, suppress the change with time, and improve the reliability in order to improve the control accuracy and the reliability of the vehicle.
  • FIG. 2 is a rear view of the physical quantity detection device 20 shown in FIG. 1 with the cover removed.
  • the physical quantity detection device 20 includes a housing 201 and a cover (not shown) attached to the housing 201.
  • the cover is made of a plate-shaped member made of a conductive material such as an aluminum alloy, an injection-molded synthetic resin material, or the like, and is formed in a thin plate shape having a wide flat cooling surface.
  • the housing 201 is made of, for example, an injection-molded synthetic resin material.
  • the housing 201 has a flange 201f, a connector 201c, and a measuring unit 201m.
  • the flange 201f is fixed to the intake body which is the main passage 22.
  • the flange 201f has, for example, a substantially rectangular shape in a plan view having a predetermined plate thickness, and has a through hole at a corner portion.
  • the flange 201f is fixed to the main passage 22 by, for example, a fixing screw being inserted into a through hole at a corner and screwed into a screw hole of the main passage 22.
  • the connector 201c protrudes from the flange 201f and is exposed to the outside from the intake body in order to make an electrical connection with an external device.
  • the connector 201c is provided with, for example, four external terminals and a correction terminal inside the connector 201c.
  • the external terminals are terminals for outputting physical quantities such as flow rate and temperature, which are measurement results of the physical quantity detection device 20, and power supply terminals for supplying DC power for operating the physical quantity detection device 20.
  • the correction terminal is a terminal used to measure the manufactured physical quantity detection device 20, obtain a correction value for each physical quantity detection device 20, and store the correction value in the memory inside the physical quantity detection device 20. ..
  • the measuring unit 201m extends from the flange 201f so as to project toward the center of the main passage 22.
  • the measuring unit 201m has a thin and long plate-like shape extending from the flange 201f toward the center of the main passage 22, and has a wide front surface and a back surface, and a pair of narrow side surfaces, an upstream end surface 223 and a downstream end surface.
  • a three-dimensional Cartesian coordinate system consisting of various Z-axis is displayed in each figure.
  • the measuring unit 201m projects from the inner wall of the main passage 22 toward the central axis 22a of the main passage 22 with the physical quantity detecting device 20 attached to the main passage 22, and the front surface and the back surface are along the central axis 22a of the main passage 22. Are arranged in parallel.
  • the measuring unit 201m is arranged so that the upstream end surface 223 on one side of the measuring unit 201m in the lateral direction faces the upstream side of the main passage 22 among the narrow upstream end surface 223 and the downstream end surface 224, and the measuring unit 201m is short.
  • the downstream end surface 224 on the other side in the manual direction is arranged so as to face the downstream side of the main passage 22.
  • the measuring unit 201m takes a part of the gas to be measured 2 such as intake air into the sub-passage 234 in the measuring unit 201m on the upstream end surface 223 of the tip portion 201t opposite to the flange 201f provided at the base end portion.
  • the entrance 231 of the above is provided with an opening.
  • the measuring unit 201m has a first outlet 232 for returning the gas to be measured 2 taken into the sub-passage 234 in the measuring unit 201m to the main passage 22 on the downstream end surface 224 opposite to the upstream end surface 223 of the tip portion 201t.
  • the second outlet 233 is provided with an opening.
  • the inlet 231 of the sub-passage 234 is provided at the tip portion 201t of the measuring unit 201m extending from the flange 201f toward the center of the main passage 22. Therefore, the physical quantity detecting device 20 can take in the gas in the portion near the central portion away from the inner wall surface, not in the vicinity of the inner wall surface of the main passage 22, into the sub-passage. As a result, the physical quantity detecting device 20 can measure the flow rate of the gas in the portion away from the inner wall surface of the main passage 22, and can suppress the decrease in accuracy due to the influence of heat or the like.
  • the measurement unit 201m is provided with a sub-passage groove 250 for forming the sub-passage 234 and a circuit chamber 235 for accommodating the circuit board 207.
  • the circuit chamber 235 and the sub-passage groove 250 are provided in a concave shape on one surface of the measuring unit 201m in the thickness direction of the plate-shaped measuring unit 201m.
  • the circuit chamber 235 is arranged at a position upstream of the flow direction of the measured gas 2 in the main passage 22, and the sub-passage 234 is located downstream of the circuit chamber 235 in the flow direction of the measured gas 2 in the main passage 22. Placed in position.
  • the sub-passage groove 250 forms a sub-passage 234 together with the cover.
  • the sub-passage groove 250 has a first sub-passage groove 251 and a second sub-passage groove 252 that branches in the middle of the first sub-passage groove 251.
  • the first sub-passage groove 251 extends between the inlet 231 opening at the upstream end surface 223 of the measuring unit 201m and the first outlet 232 opening at the downstream end surface 224 of the measuring unit 201m in the lateral direction of the measuring unit 201m. It is formed to extend along the line.
  • the first sub-passage groove 251 forms a first sub-passage 234a extending from the inlet 231 along the central axis 22a of the main passage 22 to the first exit 232 with the cover.
  • the first sub-passage 234a takes in the measured gas 2 flowing in the main passage 22 from the inlet 231 and returns the taken-in measured gas 2 to the main passage 22 from the first outlet 232.
  • the first sub-passage 234a has a branch portion between the inlet 231 and the first exit 232.
  • the second sub-passage groove 252 forms a second sub-passage 234b that branches from the first sub-passage 234a toward the flange 201f and reaches the second exit 233 with the cover.
  • the second outlet 233 is opened so as to face the downstream side in the flow direction of the gas to be measured 2 in the main passage 22.
  • the second outlet 233 has a larger opening area than the first outlet 232, and is formed on the proximal end side of the measuring unit 201 m in the longitudinal direction with respect to the first outlet 232.
  • the second sub-passage 234b has, for example, a linear upstream portion 237, an arc-shaped or U-shaped curved portion 238, and a linear downstream portion 239, and reciprocates along the longitudinal direction of the measuring unit 201 m. Have a path to
  • the second sub-passage groove 252 forming the second sub-passage 234b is branched from the first sub-passage groove 251 toward the flange 201f in the longitudinal direction of the measuring unit 201 m, and the main passage 22 is formed. It extends in a direction substantially orthogonal to the central axis 22a. Further, the second sub-passage groove 252 is bent back in a U-shape or an arc shape toward the tip portion 201t in the vicinity of the flange 201f of the measuring portion 201m, and is folded back, and is folded back in the longitudinal direction of the measuring portion 201m, that is, the main passage 22. Extends in a direction orthogonal to the central axis 22a of. Further, the second sub-passage groove 252 is connected to the second exit 233 by being bent so as to be curved in an arc shape toward the downstream end surface 224 of the measuring unit 201 m, for example.
  • the gas to be measured 2 flowing through the main passage 22 shown in FIG. 1 is taken into the first sub-passage 234a from the inlet 231 at the time of forward flow, and flows in the first sub-passage 234a toward the first exit 232. Further, the gas to be measured 2 flowing in the first sub-passage 234a flows into the second sub-passage 234b from the branch portion of the first sub-passage 234a at the time of forward flow. The gas to be measured 2 that branches from the first sub-passage 234a and flows into the second sub-passage 234b passes through the second sub-passage 234b and returns from the second exit 233 to the main passage 22.
  • the physical quantity detection device 20 includes, for example, a thermal flow rate sensor 300 arranged in the upstream portion 237 of the second sub-passage 234b as a detection element for detecting the physical quantity. More specifically, in the upstream portion 237 of the second sub-passage 234b, the thermal flow sensor 300 is arranged in the intermediate portion between the first sub-passage 234a and the curved portion 238. By having the curved shape as described above, the second sub-passage 234b can secure a longer passage length, and when pulsation occurs in the gas to be measured 2 in the main passage 22, the thermal flow rate The influence on the sensor 300 can be reduced.
  • the circuit board 207 is housed in a circuit chamber 235 provided on one side of the measuring unit 201 m in the lateral direction.
  • the circuit board 207 extends, for example, along the longitudinal direction of the measuring unit 201m, and extends along the lateral direction of the measuring unit 201m at the end of the measuring unit 201m on the flange 201f side, and has a substantially L-shape. Has the shape of.
  • the physical quantity detecting device 20 is, for example, an intake air temperature sensor 203, a pressure sensor 204, a thermal flow sensor 300, and a humidity sensor as elements for detecting temperature, pressure, flow rate, and humidity which are physical quantities. It is equipped with 206.
  • the intake air temperature sensor 203 is arranged in the temperature detection passage, for example, and measures the temperature of the gas to be measured 2 flowing through the temperature detection passage.
  • the temperature detection passage has, for example, an inlet in the vicinity of the inlet 231 that opens to the upstream end surface 223 of the measuring unit 201m, and has outlets on both the front surface and the back surface of the measuring unit 201m attached to the cover 202.
  • the pressure sensor 204 measures the pressure of the measured gas 2 in the circuit chamber 235
  • the humidity sensor 206 measures the humidity of the measured gas 2 in the circuit chamber 235.
  • the circuit chamber 235 is defined between the housing 201 and the cover 202, communicates with the second sub-passage 234b via the pressure introduction flow path, and communicates with the second sub-passage 234b from the second sub-passage 234b via the pressure introduction flow path. Inflows.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the chip package 208 along the line III-III of FIG.
  • the chip package 208 has, for example, a thermal flow sensor 300, a lead frame 208f, a sealing portion 208r, and an electronic component 208e.
  • the thermal flow sensor 300 is a semiconductor element mounted on the lead frame 208f.
  • the thermal flow sensor 300 and the lead frame 208f, the electronic component 208e and the lead frame 208f, and the thermal flow sensor 300 and the electronic component 208e are connected by, for example, a bonding wire.
  • the electronic component 208e is, for example, an LSI including a control circuit and operates the thermal flow sensor 300.
  • the electronic component 208e may be arranged outside the chip package 208, such as by mounting it on the circuit board 207.
  • the sealing portion 208r is, for example, a resin portion formed by insert molding a lead frame 208f on which a thermal flow sensor 300 and an electronic component 208e are mounted with a resin material, and the thermal flow sensor 300 is arranged. It has a groove.
  • This concave groove has a throttle shape in which the width gradually narrows from both ends in the flow direction of the gas to be measured 2 flowing in the upstream portion 237 of the second sub-passage 234b toward the central portion, and is located in the narrowest central portion.
  • a thermal flow sensor 300 is arranged. Due to the narrowing shape of the concave groove, the gas to be measured 2 flowing through the second sub-passage 234b is rectified, and the influence of noise on the thermal flow sensor 300 can be reduced.
  • the thermal flow sensor 300 includes, for example, a semiconductor substrate 301, a cavity 302, and a diaphragm 310.
  • the semiconductor substrate 301 is formed in a rectangular plate shape using a semiconductor such as single crystal silicon (Si) as a material, and has a laminated portion formed by laminating an insulating film or a wiring film on the surface.
  • the hollow portion 302 is provided in a concave shape on the back surface side opposite to the laminated portion on the front surface of the semiconductor substrate 301 by removing a part of the semiconductor substrate 301 by wet etching or dry etching treatment.
  • the cavity 302 communicates with the outside of the chip package 208 via, for example, a ventilation passage provided in the lead frame 208f.
  • the diaphragm 310 is composed of a thin portion of the semiconductor substrate 301. More specifically, the diaphragm 310 is a part of the laminated portion formed on the surface of the semiconductor substrate 301, and one end of the cavity portion 302 is closed.
  • the diaphragm 310 has, for example, a concave cavity portion 302 obtained by removing a part of the semiconductor substrate 301 by wet etching or dry etching from the back surface side of the semiconductor substrate 301 opposite to the front surface side of the semiconductor substrate 301 having a laminated portion. It is provided by forming.
  • the hollow portion 302 is formed from the back surface side of the semiconductor substrate 301 , and the laminated portion including the SiO 2 layer, the SiN layer, and the wiring layer on the front surface side of the semiconductor substrate 301 is exposed to the hollow portion 302 as a thin-walled portion. , The diaphragm 310 is formed.
  • the thickness of the diaphragm 310 is, for example, 2 [ ⁇ m] or more and 10 [ ⁇ m] or less, more specifically, for example, about 4 [ ⁇ m].
  • the thickness of the semiconductor substrate 301 is, for example, 300 [ ⁇ m] or more and 1 [mm] or less, more specifically, about 400 [ ⁇ m]. That is, the thickness of the diaphragm 310 is, for example, about 1/100 of the thickness of the semiconductor substrate 301.
  • the thermal flow rate sensor 300 measures, for example, the flow rate of the gas to be measured 2 flowing through the flow path between the concave groove of the chip package 208 and the circuit board 207. More specifically, the gas to be measured 2 is, for example, a flow path between the concave groove of the chip package 208 and the circuit board 207, and a flow path between the second sub-passage groove 252 of the housing 201 and the circuit board 207. And the flow path between the chip package 208 and the cover. Then, the flow rate, which is one of the physical quantities of the gas to be measured 2 flowing through the flow path between the concave groove of the chip package 208 and the circuit board 207, is detected by the thermal flow rate sensor 300 according to the present embodiment.
  • FIG. 4 is a front view of the thermal flow sensor 300 shown in FIG. 3 as viewed in the positive direction of the Y axis.
  • the outer shape of the diaphragm 310 is represented by a broken line.
  • the thermal flow sensor 300 includes, for example, a diaphragm 310, a heat generation resistor 303, and a pair of temperature detection elements 304.
  • the diaphragm 310 is arranged along the flow direction Df of the gas to be measured 2, which is a gas whose flow rate is measured by, for example, the thermal flow rate sensor 300.
  • the flow direction Df of the gas to be measured 2 is, for example, parallel to the Z axis.
  • the flow direction Df of the gas to be measured 2 may be, for example, a direction substantially parallel to the Z axis or a direction along the Z axis.
  • the diaphragm 310 has an expansion portion 312 extended so as to project from at least one side edge 311 of the side edges 311, 311 along the flow direction Df to the crossing direction Di intersecting the flow direction Df. At least a part of the expansion unit 312 and the temperature detection element 304 face each other in the crossing direction Di. In the example shown in FIG. 4, in the expansion unit 312, for example, a portion of 50% or more, 60% or more, 70% or more, 80% or more, or 90% or more in the flow direction Df is a temperature detection element in the crossing direction Di. It faces 304.
  • the diaphragm 310 has expansion portions 312 on both side edges 311, 311 along the flow direction Df. Further, the diaphragm 310 has, for example, a pair of expansion portions 312 on each side edge 311 along the flow direction Df. Further, in the example shown in FIG. 4, the side edges 311, 311 along the flow direction Df of the diaphragm 310 are each provided with a pair of expansion portions 312 symmetrically with respect to the center line 303a along the crossing direction Di of the heat generation resistor 303. Has been done.
  • a pair of expansion portions 312 are provided on both side edges 311, 311 of the diaphragm 310 along the flow direction Df, symmetrically with respect to the center line 310a of the diaphragm 310 along the flow direction Df. ..
  • the diaphragm 310 has, for example, a rectangular main portion 313 whose longitudinal direction is the flow direction Df.
  • the area of the expansion portion 312 is smaller than the area of the main portion 313, for example.
  • the expansion portion 312 has a rectangular shape with the flow direction Df as the longitudinal direction, and protrudes in the crossing direction Di from the side edge 311 which is the long side of the main portion 313 of the rectangle.
  • the pair of expansion portions 312 are provided at each side edge 311 of the diaphragm 310 at intervals in the flow direction Df.
  • the distance D between the pair of expansion portions 312 facing each other via the heat generation resistor 303 in the flow direction Df is wider than the width W of the heat generation resistor 303 in the flow direction Df.
  • the diaphragm 310 has a substantially H-shaped shape.
  • the heat generation resistor 303 is arranged, for example, in the middle portion of the diaphragm 310 in the flow direction Df.
  • the heat generation resistor 303 is, for example, a microheater made of polysilicon, single crystal silicon, molybdenum, platinum or the like.
  • the heat generation resistor 303 can be configured by, for example, wiring having a width of about 1 [ ⁇ m] to 150 [ ⁇ m].
  • the heat generation resistor 303 may be formed, for example, by folding back a plurality of wirings.
  • the heat generation resistor 303 is formed in, for example, an intermediate layer of a laminated portion including a SiO 2 layer, a SiN layer, and the like.
  • the pair of temperature detection elements 304 are arranged at both ends of the diaphragm 310 in the flow direction Df, for example.
  • the temperature detection element 304 can be formed of, for example, a material similar to that of the heat generation resistor 303.
  • the temperature detection element 304 can be configured by, for example, wiring having a width of about 0.5 [ ⁇ m] to 100 [ ⁇ m].
  • the temperature detection element 304 may be formed, for example, by folding back a plurality of wirings.
  • the temperature detection element 304 is formed in, for example, an intermediate layer of a laminated portion including a SiO 2 layer, a SiN layer, and the like.
  • the pair of temperature detection elements 304 are symmetrically arranged along the center line 303a along the crossing direction Di of the heat generation resistor 303.
  • the pair of temperature detection elements 304 is, for example, a thermocouple.
  • the temperature detection element 304 has, for example, one or more temperature measuring contacts 304j on one side edge facing the heat generation resistor 303.
  • the temperature measuring contact 304j is a joint portion of two kinds of metals.
  • the temperature detection element 304 which is a thermocouple, generates a voltage corresponding to the temperature difference between the temperature measuring contact 304j and the reference contact on the opposite side thereof due to the Seebeck effect.
  • the pair of temperature detection elements 304 is not limited to the thermocouple.
  • FIG. 5 is a modified example of the thermal flow sensor 300 of FIG.
  • the pair of temperature detection elements 304 are, for example, resistor wiring. That is, as shown in FIG. 4 or 5, the pair of temperature detection elements 304 can be configured by, for example, a resistor wiring or a thermocouple.
  • the thermal flow sensor 300 may have a pair of resistance temperature detectors on both sides of the diaphragm 310 in the flow direction Df, for example.
  • the resistance temperature detector measures the temperature of the gas to be measured 2 outside the diaphragm 310.
  • the resistance temperature detector can be formed of, for example, a material similar to that of the heat generation resistor 303.
  • the resistance temperature detector can be configured by, for example, wiring having a width of about 0.5 [ ⁇ m] to 10 [ ⁇ m].
  • the resistance temperature detector may be formed, for example, by folding back a plurality of wirings.
  • the temperature detection element 304 is formed in an intermediate layer of a laminated portion including , for example, a SiO 2 layer and a SiN layer.
  • the thermal flow sensor 300 connects, for example, a heat generation resistor 303, a temperature detection element 304, and a resistance temperature detector to an electronic component 208e on a semiconductor substrate 301 outside the diaphragm 310.
  • a heat generation resistor 303 for example, a heat generation resistor 303, a temperature detection element 304, and a resistance temperature detector to an electronic component 208e on a semiconductor substrate 301 outside the diaphragm 310.
  • the configuration and film structure of the heat generation resistor 303, the temperature detection element 304, and the resistance temperature detector can be appropriately changed according to the temperature measurement method.
  • the flow rate of the gas to be measured 2 is measured by the thermal flow rate sensor 300 as follows.
  • the heat-generating resistor 303 When the heat-generating resistor 303 is energized, the air in the vicinity of the heat-generating resistor 303 is heated, and the temperature is raised by a pair of temperature detecting elements 304 arranged on both sides of the heat-generating resistor 303 in the flow direction Df of the gas to be measured 2. It is measured. If the flow rate in the flow direction Df is zero, the temperatures measured by the pair of temperature detection elements 304 are approximately equal.
  • the gas warmed by the heat generation resistor 303 moves from the upstream side to the downstream side of the flow direction Df.
  • the temperature of the temperature detection element 304 on the upstream side in the flow direction Df decreases and the temperature of the temperature detection element 304 on the downstream side in the flow direction Df rises as compared with the case where the flow rate of the gas to be measured 2 is zero. do.
  • the flow rate of the gas to be measured 2 is measured by the resistance change caused by the temperature difference between the pair of temperature detection elements 304.
  • the gas to be measured 2 whose flow rate is to be measured by the thermal flow rate sensor 300 contains particles such as oil carbon.
  • the thermal flow sensor 300 is required to have improved stain resistance that suppresses contamination by particles contained in the gas to be measured 2 without deteriorating the responsiveness.
  • the thermal flow sensor 300 of the present embodiment has a diaphragm 310 arranged along the flow direction Df of the gas to be measured 2 and a heat generation resistance arranged at an intermediate portion in the flow direction Df of the diaphragm 310.
  • the body 303 and a pair of temperature detecting elements 304 arranged at both ends in the flow direction Df of the diaphragm 310 are provided.
  • the diaphragm 310 has an expansion portion 312 extended so as to project from at least one side edge 311 of the side edges 311, 311 along the flow direction Df toward the crossing direction Di intersecting the flow direction Df. There is. Then, at least a part of the expansion unit 312 and the temperature detection element 304 face each other in the crossing direction Di.
  • the temperature detection element 304 is arranged symmetrically with respect to the heat generation resistor 303 without deteriorating the responsiveness of the thermal flow sensor 300, and the stain resistance of the thermal flow sensor 300 is improved. be able to. More specifically, the thickness of the expansion portion 312 is thinner than the thickness of the semiconductor substrate 301 outside the diaphragm 310, and the heat capacity of the expansion portion 312 is smaller than the heat capacity of the semiconductor substrate 301 outside the diaphragm 310.
  • the temperature of the diaphragm 310 around the temperature detection element 304 can be raised as compared with the case where the extension portion 312 is not provided, and the temperature detection element 304 is directed toward the side edge 311 of the diaphragm 310 in the crossing direction Di. , The temperature gradient of the diaphragm 310 is relaxed.
  • the thermophoretic force acting on the particles contained in the gas to be measured 2 is reduced, and the adhesion of the particles to the diaphragm 310 of the thermal flow sensor 300 is suppressed.
  • the area of the diaphragm 310 increases, the responsiveness of the thermal flow sensor 300 tends to decrease.
  • the thermal flow sensor 300 of the present embodiment the temperature detection element 304 can be arranged symmetrically with respect to the heat generation resistor 303 without deteriorating the responsiveness, and the stain resistance can be improved. ..
  • the pair of temperature detection elements 304 are arranged symmetrically with respect to the center line 303a along the crossing direction Di of the heat generation resistor 303, as described above.
  • the thermal flow sensor 300 capable of improving the stain resistance while arranging the temperature detection element 304 symmetrically with respect to the heat generation resistor 303. Therefore, unlike the conventional air mass meter described in Patent Document 1, it is not necessary to correct the steady-state characteristics and non-stationary characteristics of the air mass meter based on asymmetry.
  • a pair of expansion portions 312 are provided on at least one side edge 311 of the diaphragm 310 symmetrically with respect to the center line 303a of the heat generation resistor 303. There is. With such a configuration, the symmetry of the diaphragm 310 can be improved.
  • a pair of expansion portions 312 are provided on both side edges 311, 311 of the diaphragm 310 symmetrically with respect to the center line 310a along the flow direction Df of the diaphragm 310. It is provided. With such a configuration, the symmetry of the diaphragm 310 can be further improved.
  • the distance D between the pair of expansion portions 312 facing each other via the heat generation resistor 303 in the flow direction Df is the heat generation resistor 303 in the flow direction Df. Wider than the width W. With such a configuration, it is possible to suppress an increase in the area of the diaphragm 310 while relaxing the temperature gradient around the temperature detection element 304.
  • the thermal flow sensor 300 of the present embodiment includes the semiconductor substrate 301 as described above.
  • the diaphragm 310 is composed of a thin portion of the semiconductor substrate 301. With such a configuration, the diaphragm 310 can be easily formed by etching the semiconductor substrate 301.
  • the temperature detection element 304 is composed of a resistor wiring or a thermocouple. With such a configuration, the temperature detection element 304 can be easily formed on the diaphragm 310.
  • a thermal flow rate sensor 300 capable of improving stain resistance while arranging the temperature detection element 304 symmetrically with respect to the heat generation resistor 303. Can be done.
  • the configuration of the thermal flow sensor of the present disclosure is not limited to the configuration of the thermal flow sensor 300 of the above-described embodiment.
  • some modifications of the thermal flow sensor 300 according to the above-described embodiment will be described with reference to FIGS. 6 to 7D.
  • FIG. 6 is a front view showing a modified example of the thermal flow rate sensor 300 of FIG.
  • the expansion portion 312 of the thermal flow sensor 300 has a stress relaxation portion 314 connected to the side edge 311 of the diaphragm 310.
  • the angle ⁇ 1 between the outer edge of the stress relaxation portion 314 and the side edge 311 of the diaphragm 310 is an obtuse angle.
  • the stress relaxation portion 314 is provided, for example, in the diaphragm 310 between the side edge 311 along the flow direction Df of the main portion 313 and the side edge along the crossing direction Di of the expansion portion 312. It is the part of the triangle. Further, the demarcation angle ⁇ 2 between the outer edge of the stress relaxation portion 314 and the side edge along the crossing direction Di of the expansion portion 312 is also an obtuse angle.
  • the stress acting between the main portion 313 and the expansion portion 312 of the diaphragm 310 is alleviated, and the durability of the diaphragm 310 is improved. Can be done.
  • FIG. 7A to 7D are front views showing a modified example of the diaphragm 310 in the thermal flow sensor 300 of FIG.
  • the diaphragm 310 is an expansion portion 312 extended so as to project from one side edge 311 of the side edges 311, 311 along the flow direction Df toward the crossing direction Di intersecting the flow direction Df. have.
  • a pair of expansion portions 312 are provided on one side edge 311 of the diaphragm 310 symmetrically with respect to the center line 303a of the heat generation resistor 303.
  • the diaphragm 310 has an extension portion 312 extended so as to project from both side edges 311, 311 along the flow direction Df toward the crossing direction Di intersecting the flow direction Df.
  • one extension portion 312 is provided on both side edges 311, 311 of the diaphragm 310 symmetrically with respect to the center line 310a along the flow direction Df of the diaphragm 310.
  • the diaphragm 310 has a stress relaxation unit 314 similar to the thermal flow sensor 300 shown in FIG.
  • the stress relaxation portion 314 has a curved outer edge, and the tip of the expansion portion 312 and the side edge 311 of the diaphragm 310 are smoothly connected to each other. With such a configuration, the stress acting between the expansion portion 312 and the side edge 311 of the diaphragm 310 can be more effectively relieved.
  • the diaphragm 310 has an extension portion 312 extended so as to project from both side edges 311, 311 along the flow direction Df toward the crossing direction Di intersecting the flow direction Df. Further, a pair of expansion portions 312 are provided on both side edges 311, 311 of the diaphragm 310 symmetrically with respect to the center line 310a along the flow direction Df of the diaphragm 310. However, in the example shown in FIG. 7D, the pair of expansion portions 312 formed on each side edge 311 of the diaphragm 310 is asymmetric with respect to the center line 303a of the heat generation resistor 303. With such a configuration, it becomes possible to adjust the temperature gradient around the temperature detection element 304 according to the purpose on the upstream side and the downstream side of the flow direction Df.
  • FIG. 8A is a front view showing an embodiment of the thermal flow rate sensor of the present disclosure corresponding to the embodiment of FIG.
  • FIG. 8B is a front view showing the thermal flow rate sensor 300C according to the comparative example which is the comparison target of the thermal flow rate sensor 300 of the embodiment of FIG. 8A.
  • the same configurations as those of the thermal flow rate sensor 300 according to the above-described embodiment are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
  • thermocouple was used as the temperature detection element 304 in the thermal flow sensor 300 of the embodiment shown in FIG. 8A and the thermal flow sensor 300C of the comparative example shown in FIG. 8B. Further, in the flow direction Df of the gas to be measured 2, the length L1 of the diaphragm 310 according to the embodiment and the length L1 of the diaphragm 310C according to the comparative example were set to 500 [ ⁇ m], respectively. Further, in the crossing direction Di orthogonal to the flow direction Df, the width W1 between the side edges 311, 311 of the diaphragm 310 according to the embodiment and the width W1 between the side edges 311C and 311C of the diaphragm 310C according to the comparative example. was set to 300 [ ⁇ m] respectively.
  • an expansion portion 312 was formed in the diaphragm 310 according to the embodiment of FIG. 8A.
  • the expansion unit 312 has a length L2 of the gas to be measured 2 in the flow direction Df of 155 [ ⁇ m] and a width W2 of the crossing direction Di orthogonal to the flow direction Df of 50 [ ⁇ m].
  • the diaphragm 310C according to the comparative example of FIG. 8B does not have the expansion portion 312.
  • the surface temperature is measured from the temperature measuring contact A of the temperature detecting element 304 located on the center line 310a of the diaphragms 310 and 310C according to these examples and the comparative examples toward the point A'separated in the crossing direction Di direction.
  • the temperature gradient was obtained.
  • the point P is a point on the side edges 311, 311C of the diaphragms 310 and 310C of the examples and the comparative examples
  • the point A' is an extension portion of the diaphragm 310 of the examples. It is a point corresponding to the tip position of 312.
  • FIG. 9A is a graph showing the temperature gradient of the diaphragm 310 according to the embodiment of FIG. 8A.
  • FIG. 9B is a graph showing the temperature gradient of the diaphragm 310C according to the comparative example of FIG. 8B.
  • the thermal flow sensor 300 according to the embodiment had a temperature of 28 [° C.] and a temperature gradient of 0.48 [° C./ ⁇ m] at the point P of the diaphragm 310.
  • the thermal flow sensor 300C according to the comparative example had a temperature of 24 [° C.] and a temperature gradient of 0.87 [° C./ ⁇ m] at the point P of the diaphragm 310C. ..
  • the temperature detection element 304 is compared with the thermal flow sensor 300C according to the comparative example in which the 310C does not have the expansion portion 312.
  • the temperature gradient around the area has been relaxed. Therefore, the thermal flow rate sensor 300 according to the embodiment can suppress the adhesion of pollutants due to the thermophoresis effect as compared with the thermal flow rate sensor 300C according to the comparative example. Further, it was confirmed that the responsiveness of the flow rate measurement of the thermal flow sensor 300 according to the embodiment and the thermal flow sensor 300C according to the comparative example are equivalent.
  • FIG. 10 is a graph showing the relationship between the aspect ratio of the expansion portion 312 and the number of particles attached to the diaphragms 310 and 310C.
  • FIG. 11 is a graph showing the relationship between the aspect ratio of the expansion unit 312 and the temperature gradient at the point P.
  • the number of particles attached to the thermal flow sensor 300C according to the comparative example was 3084, whereas the number of particles attached to the thermal flow sensor 300 according to the embodiment is shown in Table 1. It decreased in all combinations of the length L2 and the width W2 of the indicated extension portion 312.
  • the one having the expansion portion 312 having the length L2 of 155 [ ⁇ m] and the width W2 of 75 [ ⁇ m] has the smallest number of particles attached, and the diaphragm 310C of the comparative example has the smallest number of adhered particles. It was about 51 [%] of the number of adhered particles. Therefore, the aspect ratio of the expansion portion 312 is preferably about 2. As shown in FIG. 11, the temperature gradient at the point P of the thermal flow sensor 300 according to this embodiment is 0.46 [° C./ ⁇ m], and the temperature gradient at the point P of the thermal flow sensor 300C according to the comparative example. It decreased significantly from 0.87 [° C./ ⁇ m].
  • the diaphragms 310 among the diaphragms 310 according to the examples, those having the expansion portion 312 having a length L2 of 185 [ ⁇ m] and a width W2 of 50 [ ⁇ m] have the next smallest number of particles attached, and the diaphragm 310C of the comparative example. It was about 54 [%] of the number of particles attached to the particle. Therefore, the aspect ratio of the expansion unit 312 is preferably 3.5 or more and 4 or less, more specifically about 3.7. As shown in FIG. 11, the temperature gradient at the point P of the thermal flow sensor 300 according to this embodiment is 0.51 [° C./ ⁇ m], and the temperature gradient at the point P of the thermal flow sensor 300C according to the comparative example. It decreased significantly from 0.87 [° C./ ⁇ m].
  • the diaphragms 310 among the diaphragms 310 according to the examples, those having an expansion portion 312 having a length L2 of 155 [ ⁇ m] and a width W2 of 50 [ ⁇ m] or 100 [ ⁇ m] have the next smallest number of particles attached.
  • the number of particles attached to the diaphragm 310C of the comparative example was about 59 [%]. Therefore, the aspect ratio of the expansion portion 312 is preferably about 3.1 or about 1.55.
  • the temperature gradient at the point P of the thermal flow sensor 300 according to this embodiment is 0.48 [° C./ ⁇ m] or 0.59 [° C./ ⁇ m], and the thermal equation according to the comparative example.
  • the temperature gradient at point P of the flow sensor 300C was 0.87 [° C./ ⁇ m], which was significantly reduced.
  • the extension portion 312 having a length L2 of 125 [ ⁇ m] and a width W2 of 50 [ ⁇ m] or a length L2 of 155 [ ⁇ m] and a width W2 of 25 [ ⁇ m].
  • the number of particles attached was the smallest, which was about 67 [%] of the number of particles attached to the diaphragm 310C of the comparative example. Therefore, the aspect ratio of the expansion portion 312 is preferably about 2.5 or about 6.2.
  • the temperature gradient at the point P of the thermal flow sensor 300 according to this embodiment is 0.53 [° C./ ⁇ m] or 0.50 [° C./ ⁇ m], and the thermal equation according to the comparative example.
  • the temperature gradient at point P of the flow sensor 300C was 0.87 [° C./ ⁇ m], which was significantly reduced.
  • the temperature gradient is smaller than that of the diaphragm 310C according to the comparative example.
  • the number of adhered particles was reduced, and the stain resistance was improved.

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Abstract

本発明の課題は、発熱抵抗体に対して温度検出素子を対称に配置しつつ、耐汚損性を向上させることが可能な熱式流量センサを提供することである。　熱式流量センサ３００は、ダイアフラム３１０と発熱抵抗体３０３と一対の温度検出素子３０４とを備える。ダイアフラム３１０は、流量を計測する被計測気体２の流れ方向Ｄｆに沿って配置される。発熱抵抗体３０３は、ダイアフラム３１０の流れ方向Ｄｆにおける中間部に配置される。一対の温度検出素子３０４は、ダイアフラム３１０の流れ方向Ｄｆにおける両端部に配置される。ダイアフラム３１０は、流れ方向Ｄｆに沿う両側縁３１１，３１１のうちの少なくとも一方の側縁３１１から流れ方向Ｄｆに交差する交差方向Ｄｉへ突出するように拡張された拡張部３１２を有する。拡張部３１２の少なくとも一部と温度検出素子３０４とが交差方向Ｄｉに相対している。

Description

熱式流量センサ
　本開示は、熱式流量センサに関する。
　従来から空気質量計に関する発明が知られている（下記特許文献１を参照）。特許文献１に記載された空気質量計は、マイクロマシニング型の構造形態で形成されたセンサエレメントを備えている。センサエレメントは、加熱素子を有し、その加熱素子を基準として上流側に第１の温度センサ素子が配置され、加熱素子を基準として下流側に第２の温度センサ素子が配置されている。第１の温度センサ素子は、第１の幅と第１の長さとを有しており、第２の温度センサ素子は、第２の幅と第２の長さとを有している。この空気質量計は、第１の温度センサ素子の第１の幅が、第２の温度センサ素子の第２の幅よりも大きく寸法設定されている（同文献、要約、請求項１、図９等を参照）。
特表２０１５‐５３２４３９号公報
　上記従来の空気質量計は、加熱素子によって形成された対称軸線に対し、第１の温度センサ素子と第２の温度センサ素子とが非対称な構成となる（同文献、第００２９段落、図９等を参照）。そのため、この非対称性に基づく空気質量計の定常特性および非定常特性を補正する必要がある。
　本開示は、発熱抵抗体に対して温度検出素子を対称に配置しつつ、耐汚損性を向上させることが可能な熱式流量センサを提供する。
　本開示の一態様は、被計測気体の流れ方向に沿って配置されるダイアフラムと、前記流れ方向における前記ダイアフラムの中間部に配置された発熱抵抗体と、前記流れ方向における前記ダイアフラムの両端部に配置された一対の温度検出素子と、を備え、前記ダイアフラムは、前記流れ方向に沿う両側縁のうちの少なくとも一方の側縁から前記流れ方向に交差する交差方向へ突出するように拡張された拡張部を有し、前記拡張部の少なくとも一部と前記温度検出素子とが前記交差方向に相対していることを特徴とする熱式流量センサである。
　本開示によれば、温度検出素子を発熱抵抗体に対して対称に配置しつつ、耐汚損性を向上させ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。
内燃機関制御システムの一例を示すシステム図。 図１に示す物理量検出装置のカバーを取り外した状態の背面図。 図２のIII－III線に沿うチップパッケージの断面図。 図３の熱式流量センサの一例を示す正面図。 図３の熱式流量センサの一例を示す正面図。 図４の熱式流量センサの変形例を示す正面図。 図４の熱式流量センサのダイアフラムの変形例を示す正面図。 図４の熱式流量センサのダイアフラムの変形例を示す正面図。 図４の熱式流量センサのダイアフラムの変形例を示す正面図。 図４の熱式流量センサのダイアフラムの変形例を示す正面図。 本開示の熱式流量センサの実施例を示す正面図。 図８Ａの熱式流量センサに対する比較例を示す正面図。 図８Ａの実施例のダイアフラムの温度勾配を示すグラフ。 図８Ｂの比較例のダイアフラムの温度勾配を示すグラフ。 拡張部のアスペクト比とカーボン付着数との関係を示すグラフ。 拡張部のアスペクト比と温度勾配との関係を示すグラフ。
　以下、図面を参照して本開示に係る熱式流量センサの実施形態を説明する。
　図１は、電子燃料噴射方式の内燃機関制御システム１の一例を示すシステム図である。内燃機関制御システム１では、エンジンシリンダ１１とエンジンピストン１２を備える内燃機関１０の動作に基づいて、吸入空気がエアクリーナ２１から吸入される。吸入空気は、主通路２２である吸気ボディと、スロットルボディ２３と、吸気マニホールド２４を介してエンジンシリンダ１１の燃焼室に導かれる。
　主通路２２に設置された物理量検出装置２０は、吸入空気の物理量を計測する。すなわち、物理量検出装置２０の被計測気体２は、たとえば、主通路２２を流れる吸入空気である。さらに、物理量検出装置２０で計測された吸入空気の物理量に基づいて、燃料噴射弁１４より燃料が供給され、吸入空気と共に混合気の状態で燃焼室に導かれる。
　図１に示す例において、燃料噴射弁１４は内燃機関１０の吸気ポートに設けられ、吸気ポートに噴射された燃料が吸入空気に混合され、その燃料と吸入空気との混合気が、吸気弁１５を介して燃焼室に導かれる。燃焼室に導かれた混合気は、点火プラグ１３の火花着火によって爆発的に燃焼して機械エネルギを発生する。
　物理量検出装置２０は、エアクリーナ２１を介して取り込まれて主通路２２を流れる被計測気体２としての吸入空気の流量、温度、湿度、圧力などの物理量を計測する。物理量検出装置２０は、吸入空気の物理量に応じた電気信号を出力する。物理量検出装置２０の出力信号は、制御装置４に入力される。
　また、スロットルバルブ２５の開度を計測するスロットル角度センサ２６の出力が制御装置４に入力される。また、内燃機関１０のエンジンピストン１２や吸気弁１５や排気弁１６の位置や状態、さらに内燃機関１０の回転速度を計測するために、回転角度センサ１７の出力が、制御装置４に入力される。排気ガス３の状態から燃料量と空気量との混合比の状態を計測するために、酸素センサ２８の出力が制御装置４に入力される。
　制御装置４は、物理量検出装置２０の出力である吸入空気の物理量と、回転角度センサ１７の出力に基づき計測された内燃機関１０の回転速度とに基づいて、燃料噴射量や点火時期を演算する。これらの演算結果に基づいて、燃料噴射弁１４から供給される燃料量や、点火プラグ１３による点火時期が制御される。また、燃料供給量や点火時期は、さらに物理量検出装置２０で計測される温度や、スロットル角度の変化状態、エンジン回転速度の変化状態、酸素センサ２８で計測された空燃比の状態などに基づいて、きめ細かく制御されている。
　制御装置４は、さらに内燃機関１０のアイドル運転状態において、スロットルバルブ２５をバイパスする空気量をアイドルエアコントロールバルブ２７により制御し、アイドル運転状態での内燃機関１０の回転速度を制御する。内燃機関１０の主要な制御量である燃料供給量や点火時期は、いずれも物理量検出装置２０の出力を主パラメータとして演算される。したがって、物理量検出装置２０の精度の向上や、経時変化の抑制、信頼性の向上が、車両の制御精度の向上や信頼性の確保に関して重要である。
　特に近年、車両の省燃費に関する要望が非常に高く、また排気ガス浄化に関する要望が非常に高い。これらの要望に応えるには、物理量検出装置２０により計測される被計測気体２である吸入空気の物理量の測定精度の向上が極めて重要である。また、物理量検出装置２０が高い信頼性を維持していることも重要である。
　図２は、図１に示す物理量検出装置２０のカバーを取り外した状態の背面図である。物理量検出装置２０は、ハウジング２０１と、ハウジング２０１に取り付けられるカバー（図示省略）とを備えている。カバーは、たとえばアルミニウム合金などの導電性材料からなる板状部材や、射出成形した合成樹脂材料などによって構成され、広い平坦な冷却面を有する薄い板状に形成されている。
　ハウジング２０１は、たとえば、射出成形した合成樹脂材料によって構成されている。ハウジング２０１は、フランジ２０１ｆと、コネクタ２０１ｃと、計測部２０１ｍとを有している。
　フランジ２０１ｆは、主通路２２である吸気ボディに固定される。フランジ２０１ｆは、たとえば、所定の板厚からなる平面視略矩形状を有しており、角部に貫通孔を有している。フランジ２０１ｆは、たとえば、角部の貫通孔に固定ネジが挿通されて主通路２２のネジ穴に螺入されることにより、主通路２２に固定される。
　コネクタ２０１ｃは、フランジ２０１ｆから突出し、外部機器との電気的な接続を行うために吸気ボディから外部に露出する。コネクタ２０１ｃは、たとえば、その内部に４本の外部端子と、補正用端子とが設けられている。外部端子は、物理量検出装置２０の計測結果である流量や温度などの物理量を出力するための端子および物理量検出装置２０が動作するための直流電力を供給するための電源端子である。補正用端子は、製造された物理量検出装置２０の計測を行い、それぞれの物理量検出装置２０に関する補正値を求めて、物理量検出装置２０内部のメモリに補正値を記憶するのに使用する端子である。
　計測部２０１ｍは、フランジ２０１ｆから主通路２２の中心に向かって突出するように延びている。計測部２０１ｍは、フランジ２０１ｆから主通路２２の中心方向に向かって延びる薄くて長い板状の形状を成し、幅広な正面と背面、および幅狭な一対の側面である上流端面２２３と下流端面２２４を有している。なお、図１に示す主通路２２の中心軸２２ａおよび計測部２０１ｍの短手方向に平行なＸ軸と、計測部２０１ｍの厚さ方向に平行なＹ軸と、計測部２０１ｍの長手方向に平行なＺ軸とからなる三次元直交座標系を、各図に表示している。
　計測部２０１ｍは、物理量検出装置２０を主通路２２に取り付けた状態で、主通路２２の内壁から主通路２２の中心軸２２ａに向かって突出し、正面と背面が主通路２２の中心軸２２ａに沿って平行に配置される。計測部２０１ｍは、幅狭な上流端面２２３と下流端面２２４のうち、計測部２０１ｍの短手方向一方側の上流端面２２３が主通路２２の上流側を向くように配置され、計測部２０１ｍの短手方向他方側の下流端面２２４が主通路２２の下流側を向くように配置される。
　計測部２０１ｍは、基端部に設けられたフランジ２０１ｆと反対側の先端部２０１ｔの上流端面２２３に、吸入空気などの被計測気体２の一部を計測部２０１ｍ内の副通路２３４に取り込むための入口２３１が、開口して設けられている。また、計測部２０１ｍは、先端部２０１ｔの上流端面２２３と反対側の下流端面２２４に、計測部２０１ｍ内の副通路２３４に取り込んだ被計測気体２を主通路２２に戻すための第１出口２３２および第２出口２３３が開口して設けられている。
　物理量検出装置２０は、副通路２３４の入口２３１が、フランジ２０１ｆから主通路２２の中心方向に向かって延びる計測部２０１ｍの先端部２０１ｔに設けられている。そのため、物理量検出装置２０は、主通路２２の内壁面近傍ではなく、内壁面から離れた中央部に近い部分の気体を副通路に取り込むことができる。これにより、物理量検出装置２０は、主通路２２の内壁面から離れた部分の気体の流量を計測することができ、熱などの影響による精度の低下を抑制できる。
　計測部２０１ｍには、副通路２３４を形成するための副通路溝２５０と、回路基板２０７を収容するための回路室２３５が設けられている。回路室２３５と副通路溝２５０は、板状の計測部２０１ｍの厚さ方向において、計測部２０１ｍの一方の面に凹状に設けられている。
　回路室２３５は、主通路２２における被計測気体２の流れ方向の上流側の位置に配置され、副通路２３４は、回路室２３５よりも主通路２２における被計測気体２の流れ方向の下流側の位置に配置される。副通路溝２５０は、カバーとともに副通路２３４を形成する。副通路溝２５０は、第１副通路溝２５１と、第１副通路溝２５１の途中で分岐する第２副通路溝２５２とを有している。
　第１副通路溝２５１は、計測部２０１ｍの上流端面２２３に開口する入口２３１と、計測部２０１ｍの下流端面２２４に開口する第１出口２３２との間に亘って、計測部２０１ｍの短手方向に沿って延在するように形成されている。第１副通路溝２５１は、カバーとの間に、入口２３１から主通路２２の中心軸２２ａに沿って延びて第１出口２３２に至る第１副通路２３４ａを形成する。第１副通路２３４ａは、主通路２２内を流れる被計測気体２を入口２３１から取り込み、その取り込んだ被計測気体２を第１出口２３２から主通路２２に戻す。第１副通路２３４ａは、入口２３１と第１出口２３２との間に分岐部を有している。
　第２副通路溝２５２は、カバーとの間に、第１副通路２３４ａからフランジ２０１ｆへ向けて分岐して第２出口２３３に至る第２副通路２３４ｂを形成する。第２出口２３３は、主通路２２における被計測気体２の流れ方向の下流側を向くように開口されている。第２出口２３３は、第１出口２３２よりも大きい開口面積を有しており、第１出口２３２よりも計測部２０１ｍの長手方向の基端部側に形成されている。第２副通路２３４ｂは、たとえば、直線状の上流部２３７と、円弧状またはＵ字状の湾曲部２３８と、直線状の下流部２３９とを有し、計測部２０１ｍの長手方向に沿って往復する経路を有する。
　より詳細には、第２副通路２３４ｂを形成する第２副通路溝２５２は、たとえば、第１副通路溝２５１からフランジ２０１ｆへ向けて計測部２０１ｍの長手方向に分岐して、主通路２２の中心軸２２ａにおおむね直交する方向に延びている。また、第２副通路溝２５２は、たとえば、計測部２０１ｍのフランジ２０１ｆの近傍で先端部２０１ｔへ向けてＵ字状または円弧状に湾曲して折り返し、計測部２０１ｍの長手方向、すなわち主通路２２の中心軸２２ａに直交する方向に延びている。さらに、第２副通路溝２５２は、たとえば、計測部２０１ｍの下流端面２２４へ向けて円弧状に湾曲するように曲折して第２出口２３３に接続されている。
　図１に示す主通路２２を流れる被計測気体２は、順流時に入口２３１から第１副通路２３４ａに取り込まれ、第１副通路２３４ａ内を第１出口２３２へ向けて流れる。また、第１副通路２３４ａ内を流れる被計測気体２は、順流時に第１副通路２３４ａの分岐部から第２副通路２３４ｂへ流入する。第１副通路２３４ａから分岐して第２副通路２３４ｂへ流れ込んだ被計測気体２は、第２副通路２３４ｂを通過して第２出口２３３から主通路２２へ戻る。
　物理量検出装置２０は、物理量を検出する検出素子として、たとえば、第２副通路２３４ｂの上流部２３７に配置された熱式流量センサ３００を備えている。より詳細には、第２副通路２３４ｂの上流部２３７において、熱式流量センサ３００は、第１副通路２３４ａと湾曲部２３８の中間部に配置されている。第２副通路２３４ｂは、上記のような湾曲形状を有することで、通路長さをより長く確保することができ、主通路２２内の被計測気体２に脈動が生じた場合に、熱式流量センサ３００への影響を小さくすることができる。
　回路基板２０７は、計測部２０１ｍの短手方向一方側に設けられた回路室２３５に収容されている。回路基板２０７は、たとえば、計測部２０１ｍの長手方向に沿って延在するとともに、フランジ２０１ｆ側の計測部２０１ｍの端部で計測部２０１ｍの短手方向に沿って延在する、おおむねＬ字状の形状を有している。
　回路基板２０７の表面には、吸気温度センサ２０３と、圧力センサ２０４と、湿度センサ２０６と、熱式流量センサ３００を有するチップパッケージ２０８と、が実装されている。すなわち、物理量検出装置２０は、たとえば、物理量である温度と、圧力と、流量と、湿度とを検出する素子として、吸気温度センサ２０３と、圧力センサ２０４と、熱式流量センサ３００と、湿度センサ２０６とを備えている。
　吸気温度センサ２０３は、たとえば、温度検出通路に配置され、温度検出通路を流れる被計測気体２の温度を計測する。温度検出通路は、たとえば計測部２０１ｍの上流端面２２３に開口する入口２３１の近傍に入口を有し、計測部２０１ｍの正面と背面に取り付けられたカバー２０２の双方に出口を有している。
　圧力センサ２０４は、回路室２３５内の被計測気体２の圧力を計測し、湿度センサ２０６は、回路室２３５内の被計測気体２の湿度を計測する。回路室２３５は、ハウジング２０１とカバー２０２との間に画定され、圧力導入流路を介して第２副通路２３４ｂに連通し、第２副通路２３４ｂから圧力導入流路を介して被計測気体２が流入する。
　図３は、図２のIII－III線に沿うチップパッケージ２０８の断面図である。チップパッケージ２０８は、たとえば、熱式流量センサ３００と、リードフレーム２０８ｆと、封止部２０８ｒと、電子部品２０８ｅと、を有している。
　熱式流量センサ３００は、リードフレーム２０８ｆに実装された半導体素子である。熱式流量センサ３００とリードフレーム２０８ｆとの間、電子部品２０８ｅとリードフレーム２０８ｆとの間、および、熱式流量センサ３００と電子部品２０８ｅとの間は、たとえば、ボンディングワイヤによって接続されている。電子部品２０８ｅは、たとえば、制御回路を含むＬＳＩであり、熱式流量センサ３００を作動させる。なお、電子部品２０８ｅは、回路基板２０７に実装するなど、チップパッケージ２０８の外部に配置してもよい。
　封止部２０８ｒは、たとえば、熱式流量センサ３００および電子部品２０８ｅが実装されたリードフレーム２０８ｆを樹脂材料でインサート成形することによって形成された樹脂部であり、熱式流量センサ３００が配置される凹溝を有している。この凹溝は、第２副通路２３４ｂの上流部２３７を流れる被計測気体２の流れ方向における両端部から中央部へ向けて徐々に幅が狭まる絞り形状を有し、最も幅が狭い中央部に熱式流量センサ３００が配置されている。この凹溝の絞り形状により、第２副通路２３４ｂを流れる被計測気体２が整流され、熱式流量センサ３００に対するノイズの影響を低減することができる。
　熱式流量センサ３００は、たとえば、半導体基板３０１と、空洞部３０２と、ダイアフラム３１０と、を備えている。半導体基板３０１は、たとえば、単結晶シリコン（Ｓｉ）などの半導体を素材として矩形板状に形成され、表面に絶縁膜や配線膜を積層して形成された積層部を有している。空洞部３０２は、半導体基板３０１の一部をウェットエッチングやドライエッチング処理等により除去して、半導体基板３０１の表面の積層部とは反対の裏面側に凹状に設けられている。空洞部３０２は、たとえば、リードフレーム２０８ｆに設けられた換気通路を介して、チップパッケージ２０８の外部に連通している。
　ダイアフラム３１０は、半導体基板３０１の薄肉部によって構成されている。より具体的には、ダイアフラム３１０は、半導体基板３０１の表面に形成された積層部の一部であり、空洞部３０２の一端を閉鎖している。ダイアフラム３１０は、たとえば、積層部を有する半導体基板３０１の表面側とは反対側の半導体基板３０１の裏面側から、半導体基板３０１の一部をウェットエッチングやドライエッチングにより除去して凹状の空洞部３０２を形成することで設けられている。すなわち、半導体基板３０１の裏面側から空洞部３０２を形成し、半導体基板３０１の表面側のＳｉＯ２層、ＳｉＮ層、および配線層などを含む積層部を薄肉部として空洞部３０２に露出させることで、ダイアフラム３１０が形成されている。
　ダイアフラム３１０の厚さは、たとえば２［μｍ］以上かつ１０［μｍ］以下、より具体的には、たとえば４［μｍ］程度である。半導体基板３０１の厚さは、たとえば３００［μｍ］以上かつ１［ｍｍ］以下、より具体的には、たとえば４００［μｍ］程度である。すなわち、ダイアフラム３１０の厚さは、たとえば、半導体基板３０１の厚さの１００分の１程度である。
　熱式流量センサ３００は、たとえば、チップパッケージ２０８の凹溝と回路基板２０７との間の流路を流れる被計測気体２の流量を計測する。より詳細には、被計測気体２は、たとえば、チップパッケージ２０８の凹溝と回路基板２０７との間の流路と、ハウジング２０１の第２副通路溝２５２と回路基板２０７との間の流路と、チップパッケージ２０８とカバーとの間の流路とを流れる。そして、チップパッケージ２０８の凹溝と回路基板２０７との間の流路を流れる被計測気体２の物理量の一つである流量が、本実施形態に係る熱式流量センサ３００によって検出される。
　図４は、図３に示す熱式流量センサ３００をＹ軸の正方向に見た正面図である。なお、図４では、ダイアフラム３１０の外形を破線で表している。熱式流量センサ３００は、たとえば、ダイアフラム３１０と、発熱抵抗体３０３と、一対の温度検出素子３０４と、を備えている。
　ダイアフラム３１０は、たとえば、熱式流量センサ３００によって流量が計測される気体である被計測気体２の流れ方向Ｄｆに沿って配置される。図４に示す例において、被計測気体２の流れ方向Ｄｆは、たとえばＺ軸に平行である。なお、被計測気体２の流れ方向Ｄｆは、たとえば、Ｚ軸に実質的に平行な方向やＺ軸に沿う方向であってもよい。
　ダイアフラム３１０は、流れ方向Ｄｆに沿う両側縁３１１，３１１のうちの少なくとも一方の側縁３１１から流れ方向Ｄｆに交差する交差方向Ｄｉへ突出するように拡張された拡張部３１２を有している。拡張部３１２の少なくとも一部と温度検出素子３０４とは、交差方向Ｄｉに相対している。図４に示す例において、拡張部３１２は、たとえば、流れ方向Ｄｆにおける５０％以上、６０％以上、７０％以上、８０％以上、または、９０％以上の部分が、交差方向Ｄｉに温度検出素子３０４と対向している。
　図４に示す例において、ダイアフラム３１０は、流れ方向Ｄｆに沿う両側縁３１１，３１１の双方に拡張部３１２を有している。また、ダイアフラム３１０は、たとえば、流れ方向Ｄｆに沿う各々の側縁３１１に一対の拡張部３１２を有している。また、図４に示す例において、ダイアフラム３１０の流れ方向Ｄｆに沿う両側縁３１１，３１１は、それぞれ、発熱抵抗体３０３の交差方向Ｄｉに沿う中心線３０３ａに対称に、一対の拡張部３１２が設けられている。
　さらに、図４に示す例では、ダイアフラム３１０の流れ方向Ｄｆに沿う両側縁３１１，３１１に、流れ方向Ｄｆに沿うダイアフラム３１０の中心線３１０ａに対称に、それぞれ一対の拡張部３１２が設けられている。ダイアフラム３１０は、たとえば、流れ方向Ｄｆを長手方向とする長方形の主要部３１３を有している。拡張部３１２の面積は、たとえば、主要部３１３の面積よりも小さい。
　拡張部３１２は、流れ方向Ｄｆを長手方向とする長方形の形状を有し、長方形の主要部３１３の長辺である側縁３１１から交差方向Ｄｉへ突出している。一対の拡張部３１２は、ダイアフラム３１０の各々の側縁３１１において、流れ方向Ｄｆに間隔をあけて設けられている。流れ方向Ｄｆにおいて発熱抵抗体３０３を介して相対する一対の拡張部３１２の間隔Ｄは、流れ方向Ｄｆにおける発熱抵抗体３０３の幅Ｗよりも広い。このような構成により、ダイアフラム３１０は、おおむねＨ型の形状を有している。
　発熱抵抗体３０３は、たとえば、流れ方向Ｄｆにおけるダイアフラム３１０の中間部に配置されている。発熱抵抗体３０３は、たとえば、ポリシリコン、単結晶シリコン、モリブデン、白金等を素材とするマイクロヒータである。発熱抵抗体３０３は、たとえば、１［μｍ］から１５０［μｍ］程度の幅の配線によって構成することができる。発熱抵抗体３０３は、たとえば、配線を複数回折り返して形成してもよい。発熱抵抗体３０３は、たとえば、ＳｉＯ２層やＳｉＮ層などを含む積層部の中間層に形成されている。
　一対の温度検出素子３０４は、たとえば、ダイアフラム３１０の流れ方向Ｄｆにおける両端部に配置されている。温度検出素子３０４は、たとえば、発熱抵抗体３０３と同様の素材によって形成することができる。温度検出素子３０４は、たとえば、０．５［μｍ］から１００［μｍ］程度の幅の配線によって構成することができる。温度検出素子３０４は、たとえば、配線を複数回折り返して形成してもよい。温度検出素子３０４は、たとえば、ＳｉＯ２層やＳｉＮ層などを含む積層部の中間層に形成されている。
　図４に示す例において、一対の温度検出素子３０４は、発熱抵抗体３０３の交差方向Ｄｉに沿う中心線３０３ａに対称に配置されている。また、一対の温度検出素子３０４は、たとえば、熱電対である。温度検出素子３０４は、たとえば、発熱抵抗体３０３に対向する一側縁に一以上の測温接点３０４ｊを有している。測温接点３０４ｊは、二種類の金属の接合部である。熱電対である温度検出素子３０４は、ゼーベック効果により、測温接点３０４ｊとその反対側の基準接点との間の温度差に応じた電圧を発生する。なお、一対の温度検出素子３０４は、熱電対に限定されない。
　図５は、図４の熱式流量センサ３００の変形例である。図５に示す例において、一対の温度検出素子３０４は、たとえば、抵抗体配線である。すなわち、一対の温度検出素子３０４は、図４または図５に示すように、たとえば、抵抗体配線または熱電対によって構成することができる。
　図示を省略するが、熱式流量センサ３００は、たとえばダイアフラム３１０の流れ方向Ｄｆにおける両側に、一対の測温抵抗体を有してもよい。測温抵抗体は、ダイアフラム３１０の外側で被計測気体２の温度を計測する。測温抵抗体は、たとえば、発熱抵抗体３０３と同様の素材によって形成することができる。測温抵抗体は、たとえば、０．５［μｍ］から１０［μｍ］程度の幅の配線によって構成することができる。測温抵抗体は、たとえば、配線を複数回折り返して形成してもよい。温度検出素子３０４は、たとえばＳｉＯ２層やＳｉＮ層などを含む積層部の中間層に形成されている。
　また、図示を省略するが、熱式流量センサ３００は、たとえば、ダイアフラム３１０の外側の半導体基板３０１上に、発熱抵抗体３０３、温度検出素子３０４、および測温抵抗体を電子部品２０８ｅに接続するための端子を有している。なお、発熱抵抗体３０３、温度検出素子３０４、および測温抵抗体の構成および膜構造は、温度計測方式に応じて適宜変更することができる。
　熱式流量センサ３００による被計測気体２の流量の計測は、次のように行われる。発熱抵抗体３０３に通電されると、発熱抵抗体３０３の近傍の空気が温められ、被計測気体２の流れ方向Ｄｆにおいて発熱抵抗体３０３の両側に配置された一対の温度検出素子３０４によって温度が計測される。流れ方向Ｄｆの流量がゼロであれば、一対の温度検出素子３０４によって計測される温度は、おおむね等しくなる。
　図４に示すように、たとえば、被計測気体２がＺ軸の正方向の流れ方向Ｄｆへ流れると、発熱抵抗体３０３によって温められた気体が流れ方向Ｄｆの上流側から下流側へ移動する。これにより、被計測気体２の流量がゼロのときと比較して、流れ方向Ｄｆの上流側の温度検出素子３０４の温度が低下し、流れ方向Ｄｆの下流側の温度検出素子３０４の温度が上昇する。これら一対の温度検出素子３０４の温度差により生じる抵抗変化によって、被計測気体２の流量を計測する。
　以下、本実施形態の熱式流量センサ３００の作用を説明する。
　熱式流量センサ３００によって流量を計測する対象である被計測気体２は、たとえば、オイルカーボンなどの粒子を含んでいる。熱式流量センサ３００では、応答性を低下させることなく、被計測気体２に含まれる粒子による汚損を抑制する耐汚損性の向上が求められている。
　本実施形態の熱式流量センサ３００は、前述のように、被計測気体２の流れ方向Ｄｆに沿って配置されるダイアフラム３１０と、そのダイアフラム３１０の流れ方向Ｄｆにおける中間部に配置された発熱抵抗体３０３と、ダイアフラム３１０の流れ方向Ｄｆにおける両端部に配置された一対の温度検出素子３０４と、を備えている。そして、ダイアフラム３１０は、流れ方向Ｄｆに沿う両側縁３１１，３１１のうちの少なくとも一方の側縁３１１から流れ方向Ｄｆに交差する交差方向Ｄｉへ突出するように拡張された拡張部３１２を有している。そして、拡張部３１２の少なくとも一部と温度検出素子３０４とが交差方向Ｄｉに相対している。
　このような構成により、熱式流量センサ３００の応答性を低下させることなく、温度検出素子３０４を発熱抵抗体３０３に対して対称に配置して、熱式流量センサ３００の耐汚損性を向上させることができる。より詳細には、拡張部３１２の厚さは、ダイアフラム３１０の外側における半導体基板３０１の厚さよりも薄く、拡張部３１２の熱容量は、ダイアフラム３１０の外側における半導体基板３０１の熱容量よりも小さい。そのため、拡張部３１２を有しない場合と比較して、温度検出素子３０４の周囲のダイアフラム３１０の温度を上昇させることができ、温度検出素子３０４から交差方向Ｄｉにダイアフラム３１０の側縁３１１へ向けて、ダイアフラム３１０の温度勾配が緩和される。
　その結果、被計測気体２に含まれる粒子に作用する熱泳動力が減少し、熱式流量センサ３００のダイアフラム３１０に対する粒子の付着が抑制される。また、ダイアフラム３１０の面積が増加すると、熱式流量センサ３００の応答性が低下する傾向があるが、ダイアフラム３１０に部分的に拡張部３１２を設けることで、ダイアフラム３１０の面積を必要以上に拡大させる必要がない。したがって、本実施形態の熱式流量センサ３００によれば、応答性を低下させることなく、温度検出素子３０４を発熱抵抗体３０３に対して対称に配置して、耐汚損性を向上させることができる。
　また、本実施形態の熱式流量センサ３００において、一対の温度検出素子３０４は、前述のように、発熱抵抗体３０３の交差方向Ｄｉに沿う中心線３０３ａに対称に配置されている。このような構成により、温度検出素子３０４を発熱抵抗体３０３に対して対称に配置しつつ、耐汚損性を向上させることが可能な熱式流量センサ３００を提供することができる。したがって、特許文献１に記載された従来の空気質量計のように、非対称性に基づく空気質量計の定常特性および非定常特性を補正する必要がない。
　また、本実施形態の熱式流量センサ３００は、前述のように、ダイアフラム３１０の少なくとも一方の側縁３１１に、発熱抵抗体３０３の中心線３０３ａに対称に、一対の拡張部３１２が設けられている。このような構成により、ダイアフラム３１０の対称性を向上させることができる。
　また、本実施形態の熱式流量センサ３００は、前述のように、ダイアフラム３１０の両側縁３１１，３１１に、ダイアフラム３１０の流れ方向Ｄｆに沿う中心線３１０ａに対称に、それぞれ一対の拡張部３１２が設けられている。このような構成により、ダイアフラム３１０の対称性をさらに向上させることができる。
　また、本実施形態の熱式流量センサ３００は、前述のように、流れ方向Ｄｆにおいて発熱抵抗体３０３を介して相対する一対の拡張部３１２の間隔Ｄが、流れ方向Ｄｆにおける発熱抵抗体３０３の幅Ｗよりも広い。このような構成により、温度検出素子３０４の周囲の温度勾配を緩和しつつ、ダイアフラム３１０の面積の増大を抑制することができる。
　また、本実施形態の熱式流量センサ３００は、前述のように、半導体基板３０１を備えている。そして、ダイアフラム３１０は、半導体基板３０１の薄肉部によって構成されている。このような構成により、半導体基板３０１をエッチングすることで、ダイアフラム３１０を容易に形成することができる。
　また、本実施形態の熱式流量センサ３００において、温度検出素子３０４は、抵抗体配線または熱電対によって構成されている。このような構成により、ダイアフラム３１０に温度検出素子３０４を容易に形成することができる。
　以上説明したように、本実施形態によれば、温度検出素子３０４を発熱抵抗体３０３に対して対称に配置しつつ、耐汚損性を向上させることが可能な熱式流量センサ３００を提供することができる。なお、本開示の熱式流量センサの構成は、前述の実施形態の熱式流量センサ３００の構成に限定されない。以下、図６から図７Ｄまでを参照して、前述の実施形態に係る熱式流量センサ３００のいくつかの変形例を説明する。
　図６は、図４の熱式流量センサ３００の変形例を示す正面図である。図６に示す例において、熱式流量センサ３００の拡張部３１２は、ダイアフラム３１０の側縁３１１に接続された応力緩和部３１４を有している。この応力緩和部３１４の外縁とダイアフラム３１０の側縁３１１との間の夾角θ１は、鈍角である。
　より具体的には、応力緩和部３１４は、たとえば、ダイアフラム３１０において、主要部３１３の流れ方向Ｄｆに沿う側縁３１１と、拡張部３１２の交差方向Ｄｉに沿う側縁との間に設けられた三角形の部分である。また、応力緩和部３１４の外縁と拡張部３１２の交差方向Ｄｉに沿う側縁との間の夾角θ２も、鈍角である。
　このような構成により、図６に示す熱式流量センサ３００によれば、ダイアフラム３１０の主要部３１３と拡張部３１２との間に作用する応力を緩和して、ダイアフラム３１０の耐久性を向上させることができる。
　図７Ａから図７Ｄは、図４の熱式流量センサ３００におけるダイアフラム３１０の変形例を示す正面図である。図７Ａに示す例において、ダイアフラム３１０は、流れ方向Ｄｆに沿う両側縁３１１，３１１のうちの一方の側縁３１１から流れ方向Ｄｆに交差する交差方向Ｄｉへ突出するように拡張された拡張部３１２を有している。また、図７Ａに示す例では、ダイアフラム３１０の一方の側縁３１１に、発熱抵抗体３０３の中心線３０３ａに対称に、一対の拡張部３１２が設けられている。
　図７Ｂに示す例において、ダイアフラム３１０は、流れ方向Ｄｆに沿う両側縁３１１，３１１の双方から流れ方向Ｄｆに交差する交差方向Ｄｉへ突出するように拡張された拡張部３１２を有している。図７Ｂに示す例では、ダイアフラム３１０の両側縁３１１，３１１に、ダイアフラム３１０の流れ方向Ｄｆに沿う中心線３１０ａに対称に、それぞれ一つの拡張部３１２が設けられている。
　図７Ｃに示す例において、ダイアフラム３１０は、図６に示す熱式流量センサ３００と同様に、応力緩和部３１４を有している。図７Ｃに示す例において、応力緩和部３１４は、曲線状の外縁を有し、拡張部３１２の先端と、ダイアフラム３１０の側縁３１１との間を滑らかに接続している。このような構成により、拡張部３１２とダイアフラム３１０の側縁３１１との間に作用する応力をより効果的に緩和することができる。
　図７Ｄに示す例において、ダイアフラム３１０は、流れ方向Ｄｆに沿う両側縁３１１，３１１の双方から流れ方向Ｄｆに交差する交差方向Ｄｉへ突出するように拡張された拡張部３１２を有している。また、ダイアフラム３１０の両側縁３１１，３１１に、ダイアフラム３１０の流れ方向Ｄｆに沿う中心線３１０ａに対称に、それぞれ一対の拡張部３１２が設けられている。しかし、図７Ｄに示す例において、ダイアフラム３１０の各々の側縁３１１に形成された一対の拡張部３１２は、発熱抵抗体３０３の中心線３０３ａに対して非対称である。このような構成により、流れ方向Ｄｆの上流側と下流側で、温度検出素子３０４の周囲の温度勾配を目的に応じて調整することが可能になる。
　以上、図面を用いて本開示に係る熱式流量センサの実施形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本開示に含まれるものである。
　［実施例］　以下、本開示に係る熱式流量センサの実施例を比較例との対比に基づいて説明する。
　図８Ａは、図４の実施形態に対応する本開示の熱式流量センサの実施例を示す正面図である。図８Ｂは、図８Ａの実施例の熱式流量センサ３００の比較対象である比較例に係る熱式流量センサ３００Ｃを示す正面図である。なお、図８Ａおよび図８Ｂにおいて、前述の実施形態に係る熱式流量センサ３００と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
　図８Ａに示す実施例の熱式流量センサ３００と、図８Ｂに示す比較例の熱式流量センサ３００Ｃとにおいて、温度検出素子３０４として熱電対を用いた。また、被計測気体２の流れ方向Ｄｆにおいて、実施例に係るダイアフラム３１０の長さＬ１と、比較例に係るダイアフラム３１０Ｃの長さＬ１を、それぞれ５００［μｍ］に設定した。また、流れ方向Ｄｆに直交する交差方向Ｄｉにおいて、実施例に係るダイアフラム３１０の両側縁３１１，３１１の間の幅Ｗ１と、比較例に係るダイアフラム３１０Ｃの両側縁３１１Ｃ，３１１Ｃの間の幅Ｗ１とを、それぞれ３００［μｍ］に設定した。
　また、図８Ａの実施例に係るダイアフラム３１０に拡張部３１２を形成した。拡張部３１２は、被計測気体２の流れ方向Ｄｆにおける長さＬ２を１５５［μｍ］とし、流れ方向Ｄｆに直交する交差方向Ｄｉにおける幅Ｗ２を５０［μｍ］とした。一方、図８Ｂの比較例に係るダイアフラム３１０Ｃは、拡張部３１２を有しない。
　これら実施例と比較例に係るダイアフラム３１０，３１０Ｃのそれぞれの中心線３１０ａ上に位置する温度検出素子３０４の測温接点Ａから交差方向Ｄｉ方向に離隔する点Ａ’へ向けて表面温度を計測して温度勾配を得た。なお、図８Ａおよび図８Ｂにおいて、点Ｐは、実施例および比較例のダイアフラム３１０，３１０Ｃのそれぞれの側縁３１１，３１１Ｃ上の点であり、点Ａ’は、実施例のダイアフラム３１０の拡張部３１２の先端位置に対応する点である。
　図９Ａは、図８Ａの実施例に係るダイアフラム３１０の温度勾配を示すグラフである。図９Ｂは、図８Ｂの比較例に係るダイアフラム３１０Ｃの温度勾配を示すグラフである。図９Ａに示すように、実施例に係る熱式流量センサ３００は、ダイアフラム３１０のＰ点において、温度が２８［℃］であり、温度勾配は、０．４８［℃／μｍ］であった。一方、図９Ｂに示すように、比較例に係る熱式流量センサ３００Ｃは、ダイアフラム３１０ＣのＰ点において、温度が２４［℃］であり、温度勾配は０．８７［℃／μｍ］であった。
　すなわち、実施例に係る熱式流量センサ３００は、ダイアフラム３１０が拡張部３１２を有することで、３１０Ｃが拡張部３１２を有しない比較例に係る熱式流量センサ３００Ｃと比較して、温度検出素子３０４の周囲の温度勾配が緩和された。したがって、実施例に係る熱式流量センサ３００は、比較例に係る熱式流量センサ３００Ｃと比較して、熱泳動効果に起因する汚損物の付着を抑制することができる。また、実施例に係る熱式流量センサ３００と比較例に係る熱式流量センサ３００Ｃの流量計測の応答性は、同等であることが確認された。
　次に、図８Ａに示す実施例に係る熱式流量センサ３００において、拡張部３１２のアスペクト比（長さＬ２／幅Ｗ２）を変化させ、シミュレーションにより粒子の付着数を求めた。また、図８Ｂに示す比較例に係る熱式流量センサ３００Ｃにおいても、同様のシミュレーションにより粒子の付着数を求めた。結果を以下の表１と、図１０および図１１に示す。図１０は、拡張部３１２のアスペクト比と、ダイアフラム３１０，３１０Ｃに対する粒子の付着数との関係を示すグラフである。図１１は、拡張部３１２のアスペクト比と、Ｐ点の温度勾配との関係を示すグラフである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　図１０に示すように、比較例に係る熱式流量センサ３００Ｃに対する粒子の付着数が３０８４個であったのに対し、実施例に係る熱式流量センサ３００に対する粒子の付着数は、表１に示す拡張部３１２の長さＬ２と幅Ｗ２のすべての組み合わせで減少した。
　また、実施例に係るダイアフラム３１０のうち、長さＬ２が１５５［μｍ］、幅Ｗ２が７５［μｍ］の拡張部３１２を有するものが、最も粒子の付着数が少なく、比較例のダイアフラム３１０Ｃの粒子の付着数の５１［％］程度であった。したがって、拡張部３１２のアスペクト比は、おおむね２程度であることが好ましい。この実施例に係る熱式流量センサ３００の点Ｐの温度勾配は、図１１に示すように、０．４６［℃／μｍ］となり、比較例に係る熱式流量センサ３００ＣのＰ点の温度勾配０．８７［℃／μｍ］から大幅に減少した。
　また、実施例に係るダイアフラム３１０のうち、長さＬ２が１８５［μｍ］、幅Ｗ２が５０［μｍ］の拡張部３１２を有するものが、次に粒子の付着数が少なく、比較例のダイアフラム３１０Ｃに対する粒子の付着数の５４［％］程度であった。したがって、拡張部３１２のアスペクト比は、３．５以上かつ４以下、より具体的には３．７程度であることが好ましい。この実施例に係る熱式流量センサ３００の点Ｐの温度勾配は、図１１に示すように、０．５１［℃／μｍ］となり、比較例に係る熱式流量センサ３００ＣのＰ点の温度勾配０．８７［℃／μｍ］から大幅に減少した。
　また、実施例に係るダイアフラム３１０のうち、長さＬ２が１５５［μｍ］、幅Ｗ２が５０［μｍ］または１００［μｍ］の拡張部３１２を有するものが、次に粒子の付着数が少なく、比較例のダイアフラム３１０Ｃに対する粒子の付着数の５９［％］程度であった。したがって、拡張部３１２のアスペクト比は、おおむね３．１前後または１．５５程度であることが好ましい。この実施例に係る熱式流量センサ３００の点Ｐの温度勾配は、図１１に示すように、０．４８［℃／μｍ］または０．５９［℃／μｍ］となり、比較例に係る熱式流量センサ３００ＣのＰ点の温度勾配０．８７［℃／μｍ］から大幅に減少した。
　また、実施例に係るダイアフラム３１０のうち、長さＬ２が１２５［μｍ］、幅Ｗ２が５０［μｍ］、または、長さＬ２が１５５［μｍ］、幅Ｗ２が２５［μｍ］の拡張部３１２を有するものが、次に粒子の付着数が少なく、比較例のダイアフラム３１０Ｃに対する粒子の付着数の６７［％］程度であった。したがって、拡張部３１２のアスペクト比は、２．５程度または６．２程度であることが好ましい。この実施例に係る熱式流量センサ３００の点Ｐの温度勾配は、図１１に示すように、０．５３［℃／μｍ］または０．５０［℃／μｍ］となり、比較例に係る熱式流量センサ３００ＣのＰ点の温度勾配０．８７［℃／μｍ］から大幅に減少した。
　以上のように、アスペクト比が１．５５以上かつ６．２以下の拡張部３１２を有する表１のすべての実施例に係るダイアフラム３１０において、比較例に係るダイアフラム３１０Ｃよりも温度勾配が減少して粒子の付着数が減少し、耐汚損性が向上した。
２…被計測気体、３００…熱式流量センサ、３０１…半導体基板、３０３…発熱抵抗体、３０３ａ…中心線、３０４…温度検出素子、３１０…ダイアフラム、３１０ａ…中心線、３１１…側縁、３１２…拡張部、３１４…応力緩和部、Ｄ…間隔、Ｄｆ…流れ方向、Ｄｉ…交差方向、Ｗ…幅、θ１…夾角

Claims (8)

  1. 　被計測気体の流れ方向に沿って配置されるダイアフラムと、
    　前記流れ方向における前記ダイアフラムの中間部に配置された発熱抵抗体と、
    　前記流れ方向における前記ダイアフラムの両端部に配置された一対の温度検出素子と、　を備え、
    　前記ダイアフラムは、前記流れ方向に沿う両側縁のうちの少なくとも一方の側縁から前記流れ方向に交差する交差方向へ突出するように拡張された拡張部を有し、
    　前記拡張部の少なくとも一部と前記温度検出素子とが前記交差方向に相対していることを特徴とする熱式流量センサ。
  2. 　一対の前記温度検出素子は、前記発熱抵抗体の前記交差方向に沿う中心線に対称に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の熱式流量センサ。
  3. 　前記ダイアフラムの少なくとも一方の前記側縁に、前記発熱抵抗体の前記中心線に対称に、一対の前記拡張部が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の熱式流量センサ。
  4. 　前記ダイアフラムの前記両側縁に、前記ダイアフラムの前記流れ方向に沿う中心線に対称に、それぞれ一対の前記拡張部が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の熱式流量センサ。
  5. 　前記流れ方向において前記発熱抵抗体を介して相対する一対の前記拡張部の間隔は、前記流れ方向における前記発熱抵抗体の幅よりも広いことを特徴とする請求項４に記載の熱式流量センサ。
  6. 　前記拡張部は、前記ダイアフラムの前記側縁に接続された応力緩和部を有し、
    　前記応力緩和部の外縁と前記ダイアフラムの前記側縁との間の夾角が鈍角であることを特徴とする請求項５に記載の熱式流量センサ。
  7. 　半導体基板をさらに備え、
    　前記ダイアフラムは、前記半導体基板の薄肉部によって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱式流量センサ。
  8. 　前記温度検出素子は、抵抗体配線または熱電対によって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱式流量センサ。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1183580A (ja) * 1997-09-11 1999-03-26 Hitachi Ltd 熱式空気流量センサ
JP2000304584A (ja) * 1999-04-19 2000-11-02 Yazaki Corp マイクロフローセンサ
JP2006052944A (ja) * 2003-05-30 2006-02-23 Hitachi Ltd 熱式流量センサ

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1183580A (ja) * 1997-09-11 1999-03-26 Hitachi Ltd 熱式空気流量センサ
JP2000304584A (ja) * 1999-04-19 2000-11-02 Yazaki Corp マイクロフローセンサ
JP2006052944A (ja) * 2003-05-30 2006-02-23 Hitachi Ltd 熱式流量センサ

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023148836A1 (ja) * 2022-02-02 2023-08-10 日立Astemo株式会社 半導体装置

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