JPH03500687A - 質量空気流センサーのための制御および検出回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 質量空気流センサーのための制御および検出回路関連する出願 本出願は、同一日付で提出された「Ｓｉを基にした質量空気流センサおよび製造 方法」との名称のキー・ウォン・り一他による出願（代理人文書番号第２４２− ２１号）、同一日付で提出されたキー・ウォン・リーの「シリコンを基にしたセ ンサーおよびそれを作る方法」と題する出願（代理人文書番号第２４２−１９号 ）、および同一日付で提出されたジョン・Ｓ・ベルゲストロムの「圧力および空 気流測定のためのシリコンセンサーのプレーナー取り付け」との名称の出願（代 理人文書番号第２４２−２０号）と関連している。

本発明の分野 本発明は質量空気流センサーに関するものである。

さらに特定化すれば、本発明は工業用および自動車用の、マイクロプロセッサ− を基にしたリアルタイム制御装置と両立できる、高流量感度と高応答速度を持つ 、環境温度の変化に比較的に鈍感な、温度制御と検出回路とを有する、シリコン を基にした質量空気流センサーに関するものである。

本発明の背景と概要 近年の自動車工業は、車両の特性を改善するために、機械式の燃料制御装置より も、電子式燃料管理装置を用いることの長所を認めてきた。そのような電子式の 燃料管理装置の発展を見ることによって、総ての大規模自動車製造者が大半の自 動軍用サブシステムを監視し、そして制御するために電子制御装置を採用するの は、それほど遠いことではないと、予測されている燃料効率を向上させるために 、そして燃料噴射の要求にさらに密に適合させるために、そのような次代の電子 式制御装置は、より発達した、そして効果的なコストで製造できる、より高度に 精巧なセンサーを必要とするであろう。そのような電子制御装置の中心であるマ イクロプロセッサ−は１秒間に１００万回程度、命令を実行する能力を有してい る。そのため、極めて速い応答時間を持つ、機械的に頑丈な、そして信頼性の高 いセンサーの出現が望まれている。本発明以前には、そのようなセンサーが、コ スト効率の高い集積されｔ；自動車用制御装置の開発と実施における遅れを生じ させてきた制約的要因をなしていた。

電子式燃料管理制御装置においては、望ましい燃料対空気比を得るために、制御 装置に質量空気流速データーを供給することが必要である。そのようなデーター を基にして、制御用マイクロプロセッサ−が燃料噴射制御信号を発生するために 、次に存在する動作条件の下で必要とされる燃料の量を計算する。

標準的には、従来技術による多量空気流センサーは、細い線、または薄いフィル ム型であった。細い線の型のセンサーはセラミックリボン上に巻かれたプラチナ またはタングステンのような細い抵抗性の電線である。動作上は、抵抗性の電源 をプリセットされた温度にまで加熱するために電線を通して、前もって決められ た電流が流される。どのように空気流が変化しても、加熱された電線からの熱の 移動の割合い（熱伝導率）が変化するので、それによって電線の温度／抵抗変化 が生ずる。読み出し用の電子回路は、この温度／抵抗変化を電流または電圧変化 に変換し、これから空気流の割合い（エアーフローレート）が、当業技術者によ く知られている方法によって請求められる。

細い電線の型式のセンサーは、電子式の燃料管理制御適用例においては臨界的な 制約をもたらす。これに関しては、センサーの熱的質量が重要であって、その応 答速度は、効果的なマイクロプロセッサ−を基にしたリアルタイムの流量制御の ためには、遅すぎる。加えて、そのような細い線の型式のセンサーの使用は、セ ンサー全体が、望ましい大きさよりもざら嵩ぼって大きくなることに結びつきや すい。雑音の多い環境下では、この細い線の型式のセンサーは外部回路に雑音を 伝送することがあるため、センサーの流量分解能および正確さが制限される。

例示従来技術による薄いフィルム型のセンサーはハニラエル社で製造されており 、マイクロスイッチと質量空気流センサーとして知られている。このセンサーは 装置の前側に設けられた「ブリッジ」を有しており、これはウェファ基板を、ウ ェファの前側から、くり抜くことによって製造される。

この「ブリッジ」型式の薄いフィルム型センサーは、いくつかの不都合を有して いる。このセンサーは、フＩＪツジ上を流れる空気流の方向および、センサー機 器が取り付けられている方法に、極めて敏感である。

このため、個々のセンサーに正確な再現性を持たせることが雌しく、このセンサ ーは校正が容易でないということになる。しかも、ブリッジ構造は、本発明のセ ンサーとしては、構造的に強く、堅固であるとは言えない。加えて、この「ブリ ッジ」型薄いフィルムセンサーは、シリコンウェファ内に作られた空気チャンネ ルを有している。この小さな空気チャンネル（これは「ブリッジ」壓センサーの 設計上、要求されるもの）は、センサーのダイナミックレンジを次のように制限 する、即ち、極めて速い空気流速は正確には検出できないという形で、制限する 。

本実前例は、自動車用および他の工業用の流量制御装置（例えば、ガス流速の感 知は、ガス流制御に用いられる）において十分に適用できるような、高い流量感 度、高い応答速度および十分な機械的強度と信頼性を持つ、シリコンを基にした 質量空気流センサーである。本発明の質量空気流センサーは、シリコンのマイク ロマシニングおよび集積回路技術を用いて製造され、それらはセンサーを高信頼 度、コンパクトそして低価格に製造することを可能にする。

本発明は、前に述べた特性を持つ従来技術のセンサーに対して大きな利点を有す る、薄いフィルム型のセンサーを提供するためのものである。本発明は、薄いフ ィルムの加熱用と温度感知用素子とに関して良好な温度絶縁を提供する、小さな 、薄い誘電体のダイヤプラムを用いるものであって、結果的に高い流量感度と加 熱素子の低電流動作を可能とするものである。誘電体ダイヤフラムはＰ型エッチ ストップされたシリコンリムによって区切られる。ダイヤフラムの熱質量は小さ いので、空気流の変化に対するセンサー応答の速度は、従来技術のセンサー応答 時間より大幅に速い。加熱および温度感知用の薄いフィルムは、環境大気の温度 変化に関係なく正確な読取りが得られるように、改善的に形成され、そして制御 されている。

「ブリッジ」型センサーと対照的に、本発明は正確に検出できる、空気流の広い ダイナミックレンジを有している（その１つの理由として、本発明は小さな空気 流チャンネルのようなものを必要としない）。加えて、本発明は「ブリッジ」を センサーのように空気流の方向に敏感であるということが、はとんどない。

質量空気流センサーは、環境外気温が広い範囲にわたるような環境で動作する。

当然、外気温が０℃または１００℃であっても質量空気流が正確な読取り値を発 生させることが重要である。

従来技術の空気流センサーは外気温に極めて大きく依存していた。標準的に、そ のようなセンサーは加熱された抵抗性素子を使用している。付加的に、そのよう なセンサーは、加熱された抵抗性素子の近くに設けられた温度感知素子を利用す ることもできる。そのようなセンサーにおいては、感知素子は空気中の熱の流れ による熱の損失または移動を検出する。そのようなセンサーは高度に、外部空気 の温度に依存し、そして外部空気における変動を補正するための付加的な回路を 必要とする。

反対に、本発明は、その独特な設計が比較的に外部空気温度の変動に無関係であ るため、普通は付加的な外部空気温度補正回路を要しない。本発明においては、 １次センサー回路が、加熱用の、または加熱される素子と外部空気温度感知用素 子とを、一定の温度差に維持する。これもまた温度感知用素子を含むスレーブセ ンサー回路は、ダイヤフラム上の特別の場所における流れによる熱損失をモニタ ーする。このスレーブ回路の温度感知素子は加熱用素子から空気へと移動した熱 の総量をモニターするわけではなく、以下に詳しく説明される方法によって、空 気流の関数としての温度差をモニターするのに用いられるのである。

加熱用または加熱される素子と外部空気温度感知用素子との間の温度差を前もっ て決められた一定値に維持することによって、１次回路は加熱用または加熱され る素子を、外部空気温度の上に、固定された温度（Ｔｙ＋ｘｔ。）に保つ。同時 に１次回路はスレーブ回路の温度感知素子の温度を、外部気温から直接的に空気 流による温度変化分を減じた温度の上に、固定された温度オフセット（ＴＦＩＸ ＥＤに関して）にあるように保つために機能する。

スレーブ回路は、その反転および非反転入力がそれぞれ外部空気温度に関連した 信号を受けるような演算増幅器を用いて、外部空気温度の影響をキャンセルする 。スレーブ回路の出力電圧は主として空気流を表わす信号である。

１次センサー回路は、（多くの従来技術センサーの標準であるような）抵抗性加 熱用素子を流れる電流をモニターするのではなく、１次の外部温度感知素子と加 熱された素子との間の、前もって決められた温度差をモニターし、そしてそれを 維持する。この＃！成は、ダイヤフラムの熱特性、ごみの集積、または経時的な 加熱用抵抗の材質変化などによって生じる、長時間のセンサードリフトの問題を 比較的に受けｌこくい回路構成とするのに役立つ。加熱用抵抗を通る電流をモニ ターするセンサーは、逆に、経時的なごみの集積問題やまたは加熱用素子抵抗の 変化などに、極めて敏感であさらに、本実施例においては、センサー構造内に組 み立てられた回路素子は温度依存性のコモンモード除去を実行できるように選択 されている・これに関しては、同等な薄いフィルムの温度感知抵抗器が、同じ「 冷時」抵抗値を持つように用いられている。このため、これらの良好に整合した 素子は一様な方法で外部温度の変化に反応する。このセンサーにおいては、その ような良く整合された素子は、外部温度が０℃または１００°Ｃであっても、正 確な空気流測定をもたらす。

図面の簡単な説明 本発明の他の特徴点は、添付図面に取り上げられた望ましい実施例に関する以下 の詳細な説明を読むことにより、さらに明白になるのであって、第１図は本発明 の実施例として構成された加熱用および温度感知用素子を描いた、質量空気流セ ンサーの平面図であり、 第２図は第１図に示された本発明の実施例の質量空気流センサーの単純化した断 面図であり、第３図は本発明の読出しおよび検出回路と共に、第１図に示された 加熱用および温度感知用素子の回路を表わす回路図であり、 第４図はチップの読出し回路上に含まれる空気流感知装置の概略図である。

笛１図を見ると、本発明の実施例としての質量空気流センサーが示されている。

例えば、２１幅で４〜８１．ｌｌｉの長さの、このセンサーは、２酸化シリコン とシリコンニトリドのサンドインチ構造を有している。

センサーの長さ方向に延びている、このサンドイッチ構造は都合の良いことに、 熱的ストレスの軽減、機械的な堅固さ、および構造的集約化（統合化）に役立つ 。

この薄い誘電体ダイヤプラム構造は良好な電気的絶縁を提供すると共に、以下に 説明される、加熱用素子ＲＨ８よび外部空気感知用素子ＲＣＩおよびＲＣ２の間 の必要な熱的絶縁を提供する。そのような熱的絶縁はセンサーに、高い流量感度 を与え、そして加熱用素子ＲＨの低電流動作を可能とさせる。前に指摘したよう に、ダイヤプラム構造の熱質量（慣性）が小さいので、空気流の変化に対するセ ンサーの応答速度は極めて速く、そしてリアルタイムのマイクロプロセッサ−を 基にした燃料管理制御装置の必要に適合している。

ダイヤプラムウィンドー１は、シリコン基板８中に埋められた強度にＰ添加され たシリコンリム２によって囲まれている。以下にさらに詳細に説明されるように 、強度にＰ添加（ドーピング）されたシリコンリム２は、ダイヤプラムウィンド ー１を望み通りに形成させ、そしてシリコン基板の厚さ変動に関わりなくダイヤ プラム寸法を正確に制御することを可能とする。さらにシリコンリム２は、前方 −後方への平版的な整列不良に関するセンサーの特性感度を減少させる働きもす る。

金属の薄いフィルム素子ＲＨ，Ｒ５２，Ｒ５１，ＲＣｌ、ＲＣ２および９は、セ ンサー表面の上部に形成され、金属の線ＲＨ，Ｒ３２およびＲ３Ｉは絶縁ダイヤ フラムｌの上部に直接的に設けられる。第１図に示されるように、薄いフィルム ＲＨは実質的にセン！−の長さ方向軸に沿って設けられる。例えば、金属の薄い フィルムの線は金およびクロムを基にしたもので、数ミクロン程度の厚さである 。クロム層が、ダイヤフラム構造の２酸化シリコンと金との間の接着材として用 いられる。エッチされた薄いフィルムの線は、結合した接続パッド１１を有して いる。加えて、その金属の線は受動化（パッジページコン）のために、プラズマ 沈着されたシリコンニトリドで覆われている。

機能的には、ダイヤフラム上の金属パターンＲＨは加熱用素子として働き、そし て金属パターンＲ３ＩおよびＲ５２はそれぞれ、下方および上方の温度感知素子 として働く。普通、センサーはセンサーの上部から底部へと空気が流れるように 設けられるＩ；め、感知素子Ｒ５Ｉに比べて、金属パターンＲ５２が上方感知素 子と考えられる。こうして、空気流は素子Ｒ５Ｉの前に素子Ｒ３２に当たる。金 属パターンＲＣＩおよびＲＣ２は、外部の空気温度を決めるために（そしてそれ を補償するために）用いられる温度感知素子として働く。全体的にシリコンリム ２を、または基板８を、または見られるように覆って設けられている金属パター ン９は、総ての薄いフィルム素子がこれに接続される共通グランドとして働く。

共通グランド素子９は普通、他の薄いフィルム素子よりもさらに多くの電流を運 ぶので、それらが望ましくない程度に加熱されないように、そのような素子はよ り幅広くなっている。

金は環境的な腐食や処理用のエツチング剤に対して良好な抵抗性を持っているた めに、金を基にした金属装置が加熱用および温度感知用素子として用いられる（ そのことは製造工程を簡単にし、しかも生産量を改善させる）。クロム、モリブ デン、またはチタンのような付加的な金属が金の層と酸化シリコン層との間の必 要な良好な接着力を得るために用いられるのは望ましいことである。この金属装 置はシリコンに対して良好な電気抵抗性の接触を保ち、そして以下にさらに詳し く説明されるように、チップ上のセンサーの読出し回路に関する相互接続装置と して用いられることが可能な程度の低抵抗を有している。

第２図は第１図に示した多量空気流センサーの簡略化した断面図である。強度に Ｐｆｆｉ添加されたシリコンリム２は、（１００）（結晶）方向のシリコン基板 ８と薄い誘電ダイヤフラムウィンドーｌとのインターフェースにおいて、サンド イッチ構造３２と感知用素子ＲＣ１８よびＲＣ２の下ｊこ設けられているように 示されている。前に指摘しｌ；ように、強度にＰ型添加されたシリコンリム２は 温度感知素子ＲＣＩおよびＲＣ２を外部空気温度に保つと共に、誘電ダイヤフラ ムウィンドーを正確に規定するように働く。センサーの製造においては、ダイヤ ７ラムウインドー１はシリコンウェファの背面からエツチングされて規定される 。強度にＰ型添加されたシリコンリム２は、化学的エツチング溶液によってはエ ツチングされず、こうして精密ニ規定される。

第２図においても、ダイヤフラムウィンドー１の上部に設けられている薄い金属 の層は、薄いフィルムの加熱用素子ＲＨおよび温度感応抵抗Ｒ５２およびＲ５１ を形成することが示されている。抵抗ＲＣＩとＲＣ２とは、高度に温度的に良導 体であるシリコンリム２およびシリコン基板８の上に設けられ、そして基板温度 （これは、はとんどの場合、外部空気温度に極めて近い）を測定するために用い られている。温度感知用および加熱用の素子のための望ましい抵抗値によっては 、１つ以上の薄いフィルム素子が単独の素子ＲＨ。

Ｒ３Ｉ、Ｒ５２，ＲＣＩおよびＲＣ２の代わりに設けられることも可能であるこ とを指摘しておきたい。

総ての薄いフィルムの金属抵抗器は受動層１７によって覆われている。この受動 （バッジベージコン）層１７は、経時的に装置の応答時間を変化させる外気によ る汚れから、薄いフィルムの金属抵抗を保護する（例えば、それら素子上にほこ りの粒が堆積することを防ぐことによって）。この方法によって、センサーの長 期間の信頼性が向上する。

第２図に示されるように、センサーチップのエツジ１８は、空気流の中にセンサ ーが置かれることによって生じる、あらゆる望ましくない影響を最少にするよう 、先が細くなっている（テーバが付されている）。

これに関しては、初期的にチップエツジに当たる空気の擾乱の影響は、センサー の上部表面に垂直なサイドエツジの設計と比較して、大幅に減少する。先細り（ テーパ付さ）のエツジ１８の下側で、センサーはマスキング材７の上に支えられ ており、例えばこれはダイヤフラム１を製造するのに用いられるシリコンニトリ ドサンドイッチ構造であってもよい。

第１図と第２図および第４図に示されている質量空気流センサーを製造する方法 は、前に示した、り一他による「シリコンを基にした質量空気流センサーおよび 製造方法」との名称の出願の中で詳しく説明されている。り一他の出願において 説明されている製造方法は、本出願の参考として明確に導入されている。

このり一他の出願において（その第３図に関連して）説明された製造方法は、シ リコンＩＣ製造に関して用いられる技術に十分に適合している。この点で、リー 他によって説明されたいくつかの製造段階は、同時に、標準的なＭ　ＯＳまたは バイポーラＩＣの製造段階においても活用できる。こうして、金属フィルムＲＨ 、Ｒ５Ｉ、Ｒ３２，ＲＣＩおよびＲＣ２が形成される前に、ＭＯＳまたはバイポ ーラ装置を、センサー構造に従って同一チップ上に製造することもできる。その 結果、本発明は、第３図に示す制御および検出回路が第１図および第２図に示さ れる素子と同じセンサーチップ上に製造されることをも意図したものである。

動作においては、第１図および第２図に示したセンサーは、空気流が第１図にお いてセンサーの上方から下方に（そして第２図においては左から右に）流れるよ うに、電子式燃料管理制御装置の適切な空気チャンネル内に設けられる。読出し 回路は初期的には、加熱用素子ＲＨを通る、前もって決められた量の電流を発生 させる。この電流は加熱用素子の温度を、加熱用素子ＲＨと加熱されていない、 または外部空気の、温度感知素子ＲＣＩとの間に前もって決められた温度差が存 在するようなレベルにセットする。（第３図に関連して以下に説明される）１次 回路は、温度差を一定に保つ。当業技術者にとっては明白なことであるが、１次 およびスレーブ側の素子ＲＨ，Ｒ３Ｉ、Ｒ５２，ＲＣ１およびＲＣ２の抵抗特性 は、温度変化の関数として変化する。（第３図に関連して以下に説明される）ス レーブ回路は、流量の関数として変動する温度変化を基にして、Ｒ５２における 抵抗変化をめるものである。

以下に説明されるように、（本実施例では実質的にＲＨと同じ温度の）ｊ次側感 知用素子Ｒ３Ｉと外部空気温度感知用素子ＲＣＩとの間に、前もって決められた 一定の温度差を維持することによって、１次回路は、１次感知用素子Ｒ５Ｉを外 部空気温度よりも、固定された温度（ＴＦＩ□。）だけ上にあるように保つ。同 時に、１次回路はスレーブ回路の温度感知用素子Ｒ３２の温度を、空気流がない 時に、外部空気温度よりも上に（Ｔ□□。に対して）固定されｔ；温度オフセッ トを保つように機能する。

空気流は、Ｒ３２における変化を引き起こす、ダイヤフラム両端間の温度勾配を 変化させる。

スレーブ回路は、その反転および非反転入力が各々、外部空気温度の影響をキャ ンセルするように、外部空気温度に関連した信号を受ける。スレーブ回路の出力 電圧は、空気流を表わす信号である。

電子式燃料管理制御装置に配属されたマイクロプロセッサ−は、スレーブ回路出 力データーを基に空気流をめる。空気流を基に、マイクロプロセッサ−は望まし い燃料対空気比を得るのに必要な燃料の量を（例えば、よく知られている表を参 照する技術を用いて）決定する。必要な燃料の量を決めるに際し、マイクロプロ セッサ−は相応する信号を、必要な燃料の正確な量を供給する燃料噴射装置に送 る。

次に、第３図に移ると、この回路は第１図と第２図ニオケる薄いフィルムの加熱 用および温度感知用素子が、どのように読出しおよび制御素子と結び付けられて 、本発明の１次およびスレーブ空気流センサー部を形成するのかを示している。

第３図に示されている薄いフィルムの抵抗素子は、第１図および第２図に示され ている同様にラベル付けされた薄いフィルムの抵抗素子に相当している。以下に 説明され、そして第３図に示されている抵抗値は、単に説明のためのものであっ て、本発明を制約するものと解釈することはできない。

第３図においては、ＲＨは加熱用抵抗であって、これは単に例として示せば、外 部空気中において、または非加熱条件において１１オームの抵抗値を持っている 。抵抗Ｒ３Ｉは１次センサー抵抗であり、３３オームの非加熱時抵抗を持ってい る。抵抗ＲＣＩは１次回路の非加熱、または「冷」抵抗である。この抵抗はダイ ヤフラムｌの上よりはむしろシリコンリム２の上に設けられ、３３オームの抵抗 を持っている。抵抗Ｒ５２はスレーブ回路の温度感知用抵抗であって、そして３ ３オームの非加熱時抵抗を持っている。最後に、抵抗ＲＣ２はスレーブ回路の「 冷」抵抗であって、ＲＣｌと同様、シリコンリム２の上に設けられていて、３３ オームの抵抗を持っている。

１次センサー回路の詳細を説明すると、単に例として３．３Ｋ　オームとして示 されている抵抗１６および１８は、それぞれＲＣＩおよびＲ５Ｉを通る電流を制 限するｔ；めの電流制限抵抗である。こうして、抵抗１６の抵抗値を選択するこ とによって、１次センサー回路に加えられる与えられた電圧Ｖ、に関して、ＲＣ ｌを流れる電流を望み通りに制御することができる。

抵抗１６に結合している抵抗ＲＤＩは、Ｒ３ｌとＲＣｌとの間の前もって決めら れた一定の温度差を維持するために必要な、ＲＣＩとＲ３Ｉの抵抗値間のオフセ ットを設けるために挿入されている。これに関しては、（Ｒ３２とＲＣ２も同じ ように）ＲＣＩとＲ３Ｉとが同じ非加熱時抵抗値を持っていることに再び注目し ておきたい。

抵抗ＲＤＩと抵抗１６とは演算増幅器ｌＯの正入力に結合している。１次側温度 感知用抵抗Ｒ５Ｉと抵抗１８とは演算増幅器ｌＯの負、または反転入力に結合し ている。演算増幅器ＩＯの出力は、６５オーム、この値は加熱用素子ＲＨを通る 電流を制限するためのあらゆる望ましい値をとり得る、として示されている電流 制限用抵抗１４を通して加熱用素子ＲＨに結合している。

回路のスレーブ部に移って、初めに、１次回路の温度制御回路は、スレーブ回路 中の検出回路からは完全に電気的に分離されていることを指摘しておく。この形 式は、後にさらに説明されるように、外部空気温度における変化から、センサー を相対的に独立させる点で貢献する。

スレーブ回路においては、（１次回路の抵抗１６および１８と同様に）抵抗２０ および２２は電流制限抵抗であって、それらは各々、スレーブ温度感知用素子Ｒ ３２と、スレーブの非加熱、外部空気温度感知用素子ＲＣ２とを流れる電流を制 限するものである。抵抗２０はスレーブ温度感知用素子Ｒ３２と結合しており、 その接合点は増幅器１２の負または反転入力に結合している。増幅器１２は１般 的な（抵抗２４を介した）ネガティブフィードバックを持つ定利得演算増幅器で ある。

抵抗２２は、Ｒ５２を、ＲＣ２より異なる温度にセットすることによって生ずる オフセットを作るための抵抗ＲＤ２に結合している。示されているＲＤＩおよび ＲＤ２に関する値は、単に例として描かれており、さらにＲ５ＩとＲ３２とは空 気流のない時には同じ温度であると考えられる。外部空気温度感知用素子ＲＣ２ と抵抗ＲＤ２の直列抵抗は１次回路の相応する抵抗回路ＲＤＩとＲＣＩのそれと 同等（例えば３９オーム）である。抵抗２２と抵抗ＲＤ２の接合点は増幅器１２ の正または非反転入力に結合している。演算増幅器１２の出力は空気流を表わす 電圧である。

次に、第３図の回路の動作に入るが、初めに、固定された温度差が、ＲＤｌによ って１次回路において６０℃の温度差を維持するようにセットされているとする 。ＲＤ２は、空気流のない時に、例えば２ポルトの出力電圧があるように調節さ れている。６０℃の温度差を維持するために、十分な量の電流がＲＨの中を流れ るようにされ、これによってＲ５Ｉの温度は外部温度より６０℃だけ上昇する。

第１図に示したようにシリコンリム２の上に設けられたＲＣＩの温度は外部の温 度である。演算増幅器１２の利得は最大流量において最大出力が得られるように 調節されている。

ＲＣＩが３３オームの抵抗値を持ち、そしてＲＤＩが６オームの抵抗値を持つと いう、前に説明した一つの例としての抵抗値を用いるとすれば、ＲＣＩおよびＲ ＤＩの直列抵抗は３９オームである。初期的には１次側のセンサー抵抗Ｒ３Ｉは ３３オームの抵抗値を持っているが、しかしその抵抗値はＲＨを通る電流によっ て加熱されて増加する。Ｒ３Ｉが、その抵抗値が３９オームに増加するまで加熱 された時に、ＲＨを通る電流は自動的に、３９オームの抵抗値を維持するように 、調節される。

空気流が素子ＲＨおよびＲ３Ｉに当たると、１次回路はＲ５Ｉを近似的に一定の 温度に保つように動作する。ＲＨとＲ５Ｉとは、その接近した物理的位置関係に よって、熱的に結合している。こうしてＲＨが加熱されると、Ｒ５Ｉが同様に温 度上昇する。この温度上昇は演算増幅器ｌＯによって感知されて、ＲＨの温度を 減じるように、ＲＨを流れる電流が減少する。１次回路は、Ｒ５ＩとＲＣＩとの 間のオリジナルな温度差を保つように動作する。

外部の温度が変化すると、ＲＣＩの抵抗値もまた変化する。これに応じて、ＲＨ を通る電流が演算増幅器１０の出力によって調節され、Ｒ５ｌと外部温度との間 に、同じ温度差を維持する。

スレーブ回路の動作に関しては、温度感知用素子Ｒ５２はダイヤフラムを通して 加熱用素子ＲＨによって加熱される。センサに空気流が当たると、感知用素子Ｒ ５２はそれが流れの先端にあって、しかも１次回路の熱的なフィードバックルー ズの１部となっていないために、温度を変化させる。

温度感知用素子Ｒ３２はダイヤフラム上の与えられた点における、空気流によっ て変化する温度を検出する。スレーブ回路は演算増幅器１２を通して、ＲＣ２お よびＲＤ２端の電圧とＲ５２両端の電圧との間の差異を検出する。この電圧差は Ｒ５２と、外部温度であるＲＣ２との間の温度差に相当する。この方法によって 、オリジナルな温度勾配が空気流の関数として変調され、そして出力電圧Ｖ、、 １に反映される。

空気流のない条件下では、Ｒ５２は、それがダイヤフラム上のどこに設けられて いるかに正確に依存して、ＲＨおよびＲＣＩの温度の間のある点の温度になって いる。大雑把に言えば、Ｒ３２の温度は抵抗ＲＨからのその離れた距離の関数と して極めて線形に変化する。この点では、素子ＲＨがＲＨとＲＣＩとの中間にあ るならば、Ｒ３２の温度は大略、外部温度とＲＨの温度との中間にある。こうし て、スレーブ回路によって検出される温度差は１次回路の固定された温度差に対 し、前もって決められた関係を持っている。

しかしＲ５２の温度は流量の関数として変化する。

Ｒ，Ｓ２がダイヤフラム上の特別の場所における熱損失をモニターするとしても 、その熱損失の量はダイヤフラム上におけるそれの位置と流速に依存しているの であって、空気を通して加熱用素子ＲＨから放散された熱の量に依存しているの ではない。

流れのある条件下では、スレーブ回路において検出された温度差は、流れのない 条件における温度差よりも少ないのであって、すなわちＲＣ２とＲ５２との間の 温度差は、流れのない条件におけるよりも少ないのである。Ｒ５２が演算増幅器 １２の負入力に接続されているので、より速い流速はより高いＶｏ、をもたらす 結果となり、例えば流れのない時に２ボルトの出力が得られるのに比べ、２．５ または３ポルトの出力となる。

例えば、流れのない条件下で抵抗Ｒ５２が７５６の温度（例えば、２５°Ｃの外 部空気温度と１２５℃のＲＨの温度の中間）であるとすれば、流れのある条件下 ではＲ５２の温度は、例えば７０°Ｃまで降下すると予期され、これによってよ り小さな温度差が得られる結果となる。Ｒ５２におけるこの温度変化はＲ３２の 抵抗値を変化させる。Ｒ３２両端と、ＲＤ２とＲＣ２の端との電圧差は演算増幅 器１２によって増幅され、そして空気流を表わす、そして外部温度の変化に無関 係な出力電圧が得られる。

１次およびスレーブ回路が独創的に、外部空気温度に無関係となるように設定さ れている様子は、以下の分析によってさらに理解することができる。（本実施例 においては実質的にＲＨの温度に等しい）１次側の感知用素子Ｒ３Ｉと、外部空 気温度感知用素子ＲＣＩとの間に前もって決められた一定の温度差を維持するこ とにより、１次回路は素子Ｒ５Ｉを、外部空気温度（Ｔ　ＡＭＩＩＩＮＴ）の上 に固定された温度（Ｔｐ＋ｘｉ１１．）だけ高く保つことになり、すなわちＲ３ Ｉの温度−ＴＦＩ□。

＋　Ｔ　ＡＭＩＩＩＮＴとなる。同時に１次回路はスレーブ温度感知用素子Ｒ３ ２を、直接的な空気流による温度変化（Ｔ４．。ｗ）を減じた外部空気温度の上 に、（ＴＦＩＸアゎに関する）前もって決められた固定された温度オフセットを 保つように機能するので、すなわちＲＳ２の温度−Ｔ　Ａｕ＋＋＋＋＋ｙｒ　＋ 　Ｔ　ｐ＋ｔ＊ｏ　ｏｐｐｓｉアー　Ｔ　ＦＬＯＷとなる。ＲＨはＲ３Ｉの温度 を維持するように熱を供給することに注意すべきである。その温度抵抗を変える ような、はこりや他の何らかの材料の堆積があったとしても・ＲＨの温度はその 温度を維持するのに必要なだけ常に熱くなっている。

（素子Ｒ５２の温度に比例する）素子Ｒ３２両端の電圧はスレーブ回路演算増幅 器１２の反転入力に加えられ、その非反転入力は外部空気温度の関数として変化 している。演算増幅器１２の反転および非反転の面入力に外部空気温度を表わす 信号を入力することによって、外部空気温度の影響がキャンセルできる。スレー ブ回路の出力電圧は空気流のみを主として表わす信号となる。

外部空気温度から相対的に独立しているセンサーにさらに貢献しているのは、セ ンサー構造内に組み立てられている回路素子が温度依存のコモンモード除去を行 なうように選択されているという事実である。この点に関しては、薄いフィルム の温度感知用抵抗器が同じ抵抗値を持つように選択され、そして同じ材料で作ら れている。これらの良く整合した素子はこうして、一様な方法で外部温度変化に 反応する。本発明のセンサーでは、そのように良く整合した素子は、外部温度が Ｏ′Ｃまｌ；は１００°Ｃであっても正確な空気流測定を実現させる。加えて、 このセンサー回路は良く整合した回路要素によって良好な電源除去比を持ってい る。

こうして、電源電圧の変化があったとしても、センサー素子抵抗を流れる電流は 一様に変化して、電源変動の影響を最小とする。

次に第４図を見ると、この図はオンチップの読出し回路を含む空気流感知サブシ ステムを示している。この点で、第１図および第２図に示した空気流センサーは 第４図では１９として概略的に表わされており、そジチオンチップの読出し回路 は２０で表わされている・このオンチップ読出し回路２０は、電気的接続部２Ｉ ａを通して、（示されていない）外部のマイクロプロセッサ−制御回路および電 源に接続される。破線の長方形２４と実線の長方形２３との間には、Ｐ型エッチ ストップ領域２が存在する。長方形２３の内部にはダイヤ７ラムウインドー１が ある。このセンサーチップは、電気的接続部２１ｂを含むセラミック基板２２に よって支持されている。次に完全な装置が適当な空気チャンネル内に置かれる。

第４図の形状は、半田付け、またはテープ自動化のポンディングが、セラミック 基板内の電気的接続部２Ｉｂをチップ上の電気的接続部２１ａに直接的に接続す るために利用できることを意図している。こうして、この装置においては配線に よるポンディングは不要であるが、あらゆるポンディング方法が本発明に適用す ることができる。この全体的な形状は、向上された耐雑音性、節減された全体的 なバッキングコスト、および改善された製造性を含む、従来型の多量空気流セン サーを越える多くの利点を有している。

本発明は、最も実際的で望ましい実施例であると現在考えられるものに関連して 説明されてきたが、本発明は開示された実施例に制約されるのではなく、その逆 に、添付された請求の範囲の思想と観点に含まれる種々の変形や等価な装置をカ バーしていると理解すべきである。

Ｆ／Ｇ、　３ 手続補正書（自船 平成２年７月１３日

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．加熱用の素子（ＲＨ）と、 １次側外部空気温度感知用の素子（ＲＣ１）と、スレーブ側温度感知用素子（Ｒ Ｓ２）と、前記加熱用素子（ＲＨ）の温度に関連する温度および前記外部空気温 度感知用素子（ＲＣｌ）の温度との間に一定の温度差を維持するために、前記加 熱用素子（ＲＨ）および前記１次側外部空気温度感知用素子（ＲＣ１）とに結合 した１次回路装置と、スレーブ側温度感知用素子（ＲＳ２）および外部空気との 間の温度変動を検出し、そして外部空気温度に無関係の空気流を表わす出力信号 （ＶＯＵＴ）を発生するために、スレーブ温度感知用素子（ＲＳ２）と結合した スレーブ回路装置、とを有することを特徴とする質量空気流センサー。
2. ２．さらに、加熱された１次側温度感知用素子（ＲＳ１）を含み、前記加熱用素 子の温度に関連する前記温度が前記加熱された１次側温度感知用素子（ＲＳ１） の温度であるような、請求の範囲第１項に記載の質量空気流センサー。
3. ３．さらに、誘電体のダイヤフラム（１）を含み、前記加熱用素子（ＲＨ）と前 記スレーブ温度感知用素子（ＲＳ２）とが、前記誘電体ダイヤフラム（１）上に 設けられているような、請求の範囲第１項に記載のセンサー。
4. ４．さらに、前記誘電体ダイヤフラム（１）の周りに、高程度に添加（ドーピン グ）された、熱的良導体の半導体リム（２）を含むような、請求の範囲第３項に 記載のセンサー。
5. ５．前記１次回路装置が、加熱用素子（ＲＨ）の温度に関連する温度と１次側外 部空気温度感知用素子（ＲＣｌ）の温度との間の温度差を感知（１０）し、そし て前記温度差を一定に維持するよう前記加熱用素子を流れる電流を制御するため に、前記１次側外部空気温度感知用素子（ＲＣ１）に結合した第１入力と、前記 加熱用素子に結合した出力とを持つ装置を含むような、請求の範囲第１項に記載 のセンサー。
6. ６．さらに、温度差を感知するための前記装置の第２入力に結合した１次側温度 感知用素子（ＲＳ１）を含み、前記１次側温度感知用素子（ＲＳｌ）は、１次側 温度感知用素子（ＲＳ１）が実質的に前記加熱用素子（ＲＨ）と同じ温度に加熱 されるように、前記加熱用素子（ＲＨ）と熱的に結合しているような、請求の範 囲第５項に記載のセンサー。
7. ７．前記１次側外部空気温度感知用素子（ＲＣｌ）がオフセット装置（ＲＤ１） を通して前記第１入力に結合して、前記加熱用素子（ＲＨ）と前記１次側外部空 気温度感知用素子（ＲＣｌ）との間に前もって決められた温度差を設けるような 、請求の範囲第５項に記載のセンサー。
8. ８．発生するための前記回路が、前記出力信号（ＶＯＵＴ）を発生するためにス レーブ温度差感知用装置（１２）を含み、前記出力信号が空気流を表わすもので あるような、請求の範囲第１項記載のセンサー。
9. ９．前記スレーブ温度差感知用装置が、前記スレーブ温度感知用素子（ＲＳ２） に結合した第１入力を含むような、請求の範囲第８項記載のセンサー。
10. １０．さらにスレーブ外部空気温度感知用装置（ＲＣ２）を含み、前記スレーブ 外部空気温度感知用装置が前記スレーブ温度差感知用装置（１２）の第２入力に 結合されているような、請求の範囲第９項に記数のセンサー。