JPH0441765B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は膜式抵抗を有する直熱型流量センサ、
たとえば内燃機関の吸入空気量を検出するための
空気流量センサに関する。

〔従来の技術〕

一般に、電子制御式内燃機関においては、基本
燃料噴射量、基本点火時期等の制御のために機関
の吸入空気量は重要な運転状態パラメータの１つ
である。従来、このような吸入空気量を検出する
ための空気流量センサ（エアフローメータとも言
う）はベーン式のものが主流であつたが、最近、
小型、応答性が良い等の利点を有する温度依存抵
抗を用いた熱式ものが実用化されている。

さらに、温度依存抵抗を有する空気流量センサ
としては、傍熱型と直熱型とがある。たとえば、
傍熱型の空気流量センサは、機関の吸気通路に設
けられた発熱抵抗、およびその上流、下流側に設
けられた２つの温度依存抵抗を備えている。この
場合、上流側の温度依存抵抗は発熱抵抗による加
熱前の空気流の温度を検出するものであり、つま
り、外気温度補償用であり、また、下流側の温度
依存抵抗は加熱抵抗によつて加熱された空気流の
温度を検出する。これにより、下流側の温度依存
抵抗と上流側の温度依存抵抗との温度差が一定に
なるように発熱抵抗の電流値をフイードバツク制
御し、発熱抵抗に印加される電圧により空気流量
（質量）を検出するものである。なお、上流側の
外気温度補償用温度依存抵抗を削除し、下流側の
温度依存抵抗の温度が一定になるように発熱抵抗
を制御すると、体積容量としての空気流量が検出
できる。（参照：特公昭54−9662号公報）。他方、
傍熱型に比べて応答速度が早い直熱型の空気流量
センサは、機関の吸気通路に設けられた温度検出
兼用の発熱抵抗、およびその上流側に設けられた
温度依存抵抗を備えている。この場合、傍熱型と
同様に、上流側の温度依存抵抗は発熱抵抗による
加熱前の空気流の温度を検出するものであり、つ
まり、外気温度補償用である。これにより、発熱
抵抗とその上流側の温度依存抵抗との温度差が一
定になるように発熱抵抗の電流値をフイードバツ
ク制御し、発熱抵抗に印加される電圧により空気
流量（質量）を検出するものである。なお、この
場合にも、外気温度補償用温度依存抵抗を削除
し、発熱抵抗の温度が一定になるように発熱抵抗
を制御すると、体積容量としての空気容量が検出
できる。

直熱型空気流量センサは、上述の膜式抵抗を基
板たとえばシリコン単結晶基板の一面に形成し、
その基板をダクト内に収納することにより構成さ
れている。このような直熱型空気流量センサの出
力感度は、膜式抵抗から基板を介してダクトに逃
げる熱量と膜式抵抗から空気流に逃げる熱量との
割合に依存する。つまり、膜式抵抗から空気流へ
逃げる熱量割合が小さいと、膜視抵抗の発熱量の
センサ出力への寄与率が低下してセンサの出力感
度が低下する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、今まで提案されている直熱型空
気流量センサにおいては、膜式抵抗の発熱部兼温
度検知部分に対応する基板の反対側の面の部分が
平面構造であるので、膜式抵抗から空気流へ逃げ
る熱量は比較的小さく、従つて、センサの出力感
度が比較的低いという問題点がある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の目的は出力感度が高い直熱型流量セン
サを提供することであり、その手段は、膜式抵抗
の発熱部兼温度検知部分に対応する基板の反対側
の面の部分を凹凸構造にしたことである。

〔作用〕

上述の手段によれば、発熱部兼温度検知部に対
する空気流への放熱面積が大きくなり、この結
果、膜式抵抗から空気流へ逃げる熱量割合が大き
くなり、膜式抵抗の発熱量のセンサ出力への寄与
率が向上してセンサの出力感度が向上する。

〔実施例〕

以下、図面により本発明の実施例を説明する。

第５図は本発明に係る膜式抵抗を有する直熱型
空気流量センサが適用された内燃機関を示す全体
概要図、第６図、第７図は第５図のセンサ部分の
拡大縦断面図および横断面図である。第５図〜第
７図において、内燃機関１の吸気通路２にはエア
クリーナ３および整流格子４を介して空気が吸入
される。この吸気通路２内に計測管（ダクト）５
が設けられ、その内部に空気量を計測するための
発熱ヒータ兼用温度依存抵抗（膜式抵抗）６が設
けられている。膜式抵抗６はステイ７に固定さ
れ、ステイ７の外側に設けられた外気温度補償を
行う温度依存抵抗８と共に、ハイブリツド基板に
形成されたセンサ回路９に接続されている。

センサ回路９は外気温度に対して膜式抵抗６の
温度が一定になるように該抵抗６の発熱量をフイ
ードバツク制御し、そのセンサ出力V₀を制御回
路１０に供給する。制御回路１０はたとえばマイ
クロコンピユータによつて構成され、燃料噴射弁
１１の制御等を行うものである。

センサ回路９は、第８図に示すごとく、膜式抵
抗６、温度依存抵抗８とブリツジ回路を構成する
抵抗９１，９２、比較器９３、比較器９３の出力
によつて制御されるトランジスタ９４、電圧バツ
フア９５により構成される。つまり、空気流量が
増加して膜式抵抗６（この場合、サーミスタ）の
温度が低下し、この結果、膜式抵抗６の抵抗値が
下降してV₁＜V_Rとなると、比較器９３の出力に
よつてトランジスタ９４の導電率が増加する。従
つて、膜式抵抗６の発熱量が増加し、同時に、ト
ランジスタ９４のコレクタ電位すなわち電圧バツ
フア９５の出力電圧V_Qは上昇する。逆に、空気
流量が減少して膜式抵抗６の温度が上昇すると、
膜式抵抗６の抵抗値が増加してV₁＞V_Rとなり、
比較器９３の出力によつてトランジスタ９４の導
電率が減少する。従つて、膜式抵抗６の発熱量が
減少し、同時に、電圧バツフア９５の出力電圧
V_Qは低下する。このようにして、膜式抵抗６の
温度は外気温度によつて定まる値になるようにフ
イードバツク制御され、出力電圧V_Qは空気流量
を示すことになる。

第１Ａ図は本発明の第１の実施例としての膜式
抵抗６の一例を示し、第１Ｂ図、第１Ｃ図は、そ
れぞれ、第１Ａ図のＢ−Ｂ線，Ｃ−Ｃ線の断面図
である。第１Ａ図に示すように、たとえば200〜
400μm厚のシリコン単結晶基板６１上に図示しな
い絶縁膜たとえばSiO₂を介して蒸着およびびエ
ツチツグにより温度依存抵抗パターン６２を形成
し、そのうち、点線枠内で示す部分６２ａが発熱
部兼温度検知部として作用する。

本発明によれば、発熱部兼温度検知部６２ａに
対応する基板６１の裏面部分６１ａを凹凸構造に
し、放熱面積を大きくしてある。このような凹凸
構造はたとえばリブ状形状であり、これは、後述
のごとく、シリコン単結晶基板６１の異方性エツ
チングによつて得られる。これにより、発熱部兼
温度検知部６２からの熱が基板６１を介して空気
流に流れる割合を大きくしてある。この結果、膜
式抵抗６の発熱量のセンサ出力への寄与率が向上
する。

なお、第１Ａ図〜第1C図に示す実施例におい
ては、基板６１の凹凸構造６１ａが空気流の方向
に平行に配置されているために、浮遊粒子の基板
６１の凹凸構造６１ａのよどみ部分への沈着防止
され、空気流量センサの応答性劣化を防止する効
果がある。

第２Ａ図は本発明の第２の実施例としての膜式
抵抗６の他の例を示し、第２Ｂ図、第２Ｃ図は、
それぞれ、第２Ａ図のＢ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線の断面
図である。第２Ａ図〜第２Ｃ図に示す実施例にお
いては、基板６１の凹凸構造６１a′が空気流の方
向に垂直に配置されている。従つて、第１の実施
例に比べて、浮遊粒子が基板６１の凹凸構造６１
a′のよどみ部分へ沈着し易くなるという欠点はあ
るが、空気流の乱れにより凹凸構造６１a′近傍に
おける境界層が小さくなり、この結果、その分、
熱放散量が大きくなる。従つて、やはり、空気流
量センサの応答性劣化を防止できる。

また、第１の実施例では、発熱部兼温度検知部
６２ａにおけるシリコン基板６１の厚さは、第１
Ｂ図、第１Ｃ図に示すごとく、非常に薄くしてあ
り、これにより、そのヒートマスを小さくせしめ
ているが、第２の実施例では、発熱部兼温度検知
部６２ａと基板６１の保持部との間にリブ構造６
１ｂ，６１ｃを設けて補強してある。このリブ構
造６１ｂ，６１ｃは凹凸構造６１a′と同時にシリ
コン単結晶基板６１の異方性エツチングによつて
得ることができる。

第３Ａ図は本発明の第３の実施例としての膜式
抵抗６の他の例を示し、第３Ｂ図、第３Ｃ図は、
それぞれ、第３Ａ図のＢ−Ｂ線，Ｃ−Ｃ線の断面
図である。第３Ａ図〜第３Ｃ図に示す実施例にお
いては、基板６１の凹凸構造６１a″は四角錘を格
子状に配列したものである。従つて、第１の実施
例と同様に、浮遊粒子が基板６１の凹凸構造６１
a″のよどみ部分へ沈着しにくく、しかも、第２の
実施例と同様に、空気流の乱れにより凹凸構造６
１a″近傍における境界層が小さくなり、この結
果、熱放散量がより大きくなる。従つて、空気流
量センサの応答性劣化を防止できる。

なお、第４の実施例では、四角錘を格子状に配
列してあるが、多角錘を格子状に配列してもよ
い。

第４図は第４の実施例としての膜式抵抗６の部
分断面図である。第１，第２，第３の実施例にお
いては、凹凸構造６１ａ，６１a′，６１a″の断面
形状が三角波状であつたが、第４の実施例におい
ては、三角波状の各谷部分平面状にしてある。こ
のような凹凸構造を第１，第２、第３の実施例に
適用しても同様の効果が期待できる。

次に、第１Ａ図〜第１Ｃ図の基板６１の製造工
程について第９図を参照して説明する。なお、第
９図の各図は第１Ｃ図の断面図に対応する。

始めに、第９図Ａに示すようなシリコン単結晶
６１を準備する。この場合、矢印Ａで示す面は１
００もしくは１１０面である。次に、第９図Ｂに
示すように、保持部を形成するために、SiO₂も
しくはSi₃N₄のエツチング保護膜８１を施し、異
方性エツチングを行うと、第９図ｃ示す形状が得
られる。ここで、矢印Ｂで示す面は１１１面であ
る。すなわち、異方性エツチングとは、シリコン
単結晶の１１１面のエツチング速度が他の面たと
えば１００もしくは１１０面のエツチング速度に
比して著しく小さいというエツチング速度の相違
を利用して行つているものである。

次いで、第９図Ｄに示すごとく、エツチング保
護膜７１を除去し、再び第９図Ｅに示すごとく、
別のエツチング保護膜８２を施す。そして、再び
異方性エツチングを行うと、第９図Ｆに示す形状
が得られ、エツチング保護膜８２を除去すると、
第９図Ｇに示す最終形状が得られる。つまり、放
熱面積を増大する凹凸構造６１ａが得られること
になる。

同様な製造工程により第２Ａ図〜第２Ｃ図に示
す凹凸構造６１a′、リブ構造６１ｂ，６１ｃ、お
よび第３Ａ図〜第３Ｃ図に示す凹凸構造６２a″が
得られる。

なお、上述の異方性エツチングでは、Siの基本
的に面方位として、１００，１１０，１１１を示
したが、他の面方位をエツチングに露出させるこ
とにより、６角錘、８角錘等の多角錘を製造でき
る。

このように、本発明の実施例においては、異方
性エツチングを利用して放熱面積増大のための凹
凸構造を得ている。

なお、上述の実施例においては、基板上に発熱
部兼温度検知部としての温度依存抵抗を形成して
いるが、この代りに、基板内に拡散抵抗を形成し
てもよい。また、本発明は空気流量センサ以外の
流量センサたとえば液体流量センサにも適用し得
る。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、発熱部兼
温度検知部に対する空気流への放熱面積を大きく
でき、この結果、膜式抵抗から空気流へ逃げる熱
量割合が大きくでき、膜式抵抗の発熱量のセンサ
出力への寄与率が向上してセンサの出力感度を向
上できる。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図は本発明の第１の実施例としての膜式
抵抗を示す平面図、第１Ｂ図、第１Ｃ図は、それ
ぞれ、第１Ａ図のＢ−Ｂ線，Ｃ−Ｃ線の断面図、
第２Ａ図は本発明の第２の実施例としての膜式抵
抗を示す平面図、第２Ｂ図、第２Ｃ図は、それぞ
れ、第２Ａ図のＢ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線の断面図、第
３Ａ図は本発明の第３の実施例としての膜式抵抗
を示す平面図、第３Ｂ図、第３Ｃ図は、それぞ
れ、第３Ａ図のＢ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線の断面図、第
４図は本発明の第４の実施例としての膜式抵抗を
示す平面図、第５図は本発明に係る膜式抵抗を有
する直熱型空気流量センサが適用された内燃機関
を示す全体概要図、第６図、第７図は第４図のセ
ンサ部分の縦断面図および横断面図、第８図は第
５図のセンサ回路の回路図、第９図は第１Ａ図〜
第１Ｃ図の基板の製造工程を説明するための図、
である。 １……内燃機関、２……吸気通路、５……計測
管（ダクト）、６……膜式抵抗、９……センサ回
路、１０……制御回路、６１……基板、６１ａ，
６１a′……凹凸構造、６１ｂ，６１ｃ……リブ構
造、６２……温度依存抵抗パターン、６２ａ……
発熱部兼温度検知部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 基板の一面に膜式抵抗を形成し、前記基板を
   ダクト内に収納した直熱型流量センサにおいて、
   前記膜式抵抗の発熱部兼温度検知部分に対応する
   前記基板の他の面の部分を凹凸構造にしたことを
   特徴とする直熱型流量センサ。 ２ 前記基板がシリコン単結晶であり、該シリコ
   ン単結晶を異方性エツチングにより前記凹凸構造
   を形成した特許請求の範囲第１項に記載の直熱型
   流量センサ。 ３ 前記凹凸構造が流体の流れ方向に平行である
   特許請求の範囲第１項に記載の直熱型空気流量セ
   ンサ。 ４ 前記凹凸構造が流体の流れ方向に垂直である
   特許請求の範囲第１項に記載の直熱型流量セン
   サ。 ５ 前記凹凸構造が、多角錘の凸部を格子状に配
   列することによつて得られる特許請求の範囲第１
   項に記載の流量センサ。