JPH08110317A - 集積型マイクロセンサ - Google Patents

集積型マイクロセンサ

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JPH08110317A
JPH08110317A JP6245899A JP24589994A JPH08110317A JP H08110317 A JPH08110317 A JP H08110317A JP 6245899 A JP6245899 A JP 6245899A JP 24589994 A JP24589994 A JP 24589994A JP H08110317 A JPH08110317 A JP H08110317A
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gas
integrated
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micro
flow rate
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JP6245899A
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Kiyomitsu Suzuki
清光 鈴木
Masayuki Miki
政之 三木
Masahiro Matsumoto
昌大 松本
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【構成】シリコンあるいは感光性ガラスよりなる基板1
をエッチング加工して製作した肉厚の薄いビームの上に
マイクロヒータ部2,マイクロ温度センサ部3,マイク
ロヒータ部4,マイクロ温度センサ部5を形成してい
る。 【効果】自動車のエバポ規制システムに適用可能な集積
型マイクロセンサの実現。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、自動車の燃料タンクよ
り蒸発してくる燃料をエンジンにパージしたときの排ガ
ス対策、即ち、エバポ規制に対応するためパージガスの
濃度と流量を高感度,高精度,高応答に検出する集積型
マイクロセンサに関する。
【0002】
【従来の技術】現在のところ、燃料と空気の混合したパ
ージガスの濃度と流量を同時に検出可能なセンサはな
い。また、ガス濃度を検出するセンサとして熱伝導式ゃ
酸化物半導体式などの計測器が知られているが、サイズ
が大きく低応答で使い勝手が悪いため、自動車のエバポ
規制用センサには不向きである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】自動車のエバポ規制用
センサには、小型,低コストでパージガスの濃度と流量
を高感度,高精度かつ高応答に検出する機能が要求され
る。
【0004】
【課題を解決するための手段】白金などの金属材料より
なるマイクロヒータとマイクロ温度センサで構成される
ガス濃度検出部とガス流量検出部を基板より熱的に絶縁
した肉厚の薄いビームあるいはダイアフラム上に形成
し、両検出部を一体に集積化する。このとき、ガス濃度
検出部はガス拡散孔を有するガス拡散室内に配置され、
ビームやダイアフラムは基板をエッチングして加工され
る。
【0005】
【作用】熱伝導式のガス濃度検出部および熱式のガス流
量検出部を基板より熱的に絶縁された肉厚の薄いビーム
あるいはダイアフラム上に形成しており、これらの検出
部より基板側へ伝導する熱量を極小化できる。この結
果、マイクロヒータで発生した熱量の大半を周囲のパー
ジガス中に迅速に伝達できる故、ガス濃度とガス流量を
高感度,高応答に検出できる。ガス拡散孔を有するガス
拡散室内にガス濃度検出部を配置してパージガスを拡散
によって導入することにより、ガス濃度検出部の周辺の
流速を実質的にゼロにする。この結果、ガス濃度検出部
よりパージガス中に伝達する熱量は実質的にガス濃度の
みに依存することになり、ガス濃度を高精度に検出でき
る。ガス濃度検出部とガス流量検出部を一体に集積化す
ることにより、小型で低コストなエバポ規制対応のセン
サを実現できる。
【0006】
【実施例】本発明によるエバポ規制対策システムに適用
可能な集積型マイクロセンサの一実施例を図1に示す。
シリコンあるいは感光性ガラスよりなる基板1をエッチ
ング加工して製作した肉厚の薄いビームの上にマイクロ
ヒータ部2,マイクロ温度センサ部3,マイクロヒータ
部4,マイクロ温度センサ部5を形成している。
【0007】これらのマイクロヒータ部やマイクロ温度
センサ部の詳細構造を図8に示した。基板1をエッチン
グ加工して得られた厚さが約数十μのビーム6の上に絶
縁膜7を形成した後、スパッタや蒸着などの方法で白金
などの金属材料よりなる導電性の薄膜8を設け、これを
保護膜9でカバーした構造になっている。なお、ビーム
6が感光性ガラスやセラミックスなどの絶縁物で構成さ
れる場合は、絶縁膜7は必ずしも必要ではない。マイク
ロヒータ部とマイクロ温度センサ部は似たような形状を
しているが、微少電流でマイクロヒータ部を自己加熱さ
せるように、一方、マイクロ温度センサ部を自己加熱さ
せないように、後者の導電性の薄膜8の電気抵抗値を前
者のものより大きな値にしている。
【0008】ガス濃度検出部はマイクロヒータ部2とマ
イクロ温度センサ部3,ガス流量検出部はマイクロヒー
タ部4とマイクロ温度センサ部5より構成される。ガス
濃度検出部の上部は凹み10を有するキャップ11でカ
バーされ、基板1は台座12に接着されている。基板1
がシリコンで構成される場合、キャップ11と台座12
をガラスに選択することにより、基板1へキャップ11
と台座12を良く知られた陽極接合で接着することがで
きる。基板1がセラミックスなどの絶縁材料で構成され
る場合、低融点ガラス接着剤などを用いて接着される。
図に示すように、マイクロヒータ部とマイクロ温度セン
サ部は、多数のスリット13を介して基板1と熱的に絶
縁されている。なお、マイクロヒータ部とマイクロ温度
センサ部間の距離およびこれらと基板1の肉厚部分から
の距離を大きくすることにより、ビーム6をスリット1
3のない薄いダイアフラム形状にしても、基板1側へ伝
導する熱量を大幅に極少化することができる。ガス流量
検出部のマイクロヒータ部4とマイクロ温度センサ部5
の間にビーム14を設けることにより、ガス流動時の流
れに起因したマイクロヒータ部4からマイクロ温度セン
サ部5への熱移動を減少させることができ、後述するよ
うな手法でガス流量を高精度に検出することができる。
スリット13→ガス拡散室15→ガス拡散孔16→ガス
拡散室17を介して、被測定ガスが拡散によりマイクロ
ヒータ部2とマイクロ温度センサ部3よりなるガス濃度
検出部の周囲に流入してくる。即ち、ガスの拡散速度は
被測定ガスの流速より極めて小さい故、ガス濃度検出部
の周囲のガス流速が実質的にゼロの状態下で、この部分
へ被測定ガスを導入することができる。なお、ガス濃度
検出部の周辺のガス濃度が被測定ガスの濃度と同じにな
る時定数は、主にガス拡散孔16とガス拡散室17の寸
法によって決まる故、ガス拡散室17の内容積を小さく
してガス拡散孔16の横断面積を大きく、その長さを短
くすることにより、ガス拡散の時定数を数十ms以内に
することができる。従って、後述するような手法で被測
定ガスの濃度を高精度に検出することができる。ガス濃
度検出部とガス流量検出部は熱容量の極めて小さいビー
ムやダイアフラム上に形成されていること、基板1と実
質的に熱絶縁されていることにより、ガスの濃度と流量
を高感度,高応答に検出することができる。
【0009】本発明による集積型マイクロセンサの平面
図を図2に示す。なお、図1は図2のA−A断面を示し
たものである。ビーム6aとビーム6bは基板1の肉厚
の薄い部分22および23で支持されている。被測定ガ
スの流量を測定するとき、ガス温度による流量の測定誤
差を減少させるために使用されるマイクロ温度センサ部
5はビーム6aとその上に形成した金属薄膜8aとより
なる。マイクロヒータ部4はビーム6bとその上に形成
した金属薄膜8bとよりなる。これらの金属薄膜はリー
ド18,パッド19(図中には4組有)を介して外部の
信号処理回路と接続される。一定の電流を通電したと
き、自己発熱が主にビーム6bで発生するようにリード
18の幅を広くし、その膜厚を厚くしている。同様に、
キャップ11下のガス濃度検出部もリード20,パッド
21を介して外部の信号処理回路と接続される。
【0010】図3に基板1の平面図を示す。ガス流量検
出部と同様、ガス濃度検出部はビーム6c上に形成した
金属薄膜8cとビーム6d上に形成した金属薄膜8dと
より構成されている。基板1の裏面の破線で示した位置
にガス拡散孔16が設けられている。
【0011】本発明による集積型マイクロセンサの他の
実施例を図4に示す。基板24をエッチング加工して、
マイクロヒータ部4とマイクロ温度センサ部5よりなる
ガス流量検出部を形成している。同様に、マイクロヒー
タ部2とマイクロ温度センサ部3よりなるガス濃度検出
部を基板25へ形成している。スリット13を介して、
被測定ガスがガス拡散室15とガス拡散室17で囲まれ
たガス濃度検出部の周囲に拡散によって流入してくる。
この場合、スリット13がガス拡散孔の機能を有するこ
とになり、図1に示した実施例の場合よりも狭い隙間の
スリットになる。本実施例は基板24,基板25,基板
26に感光性ガラスを用いた例である。基板24と基板
25へそれぞれガス流量検出部とガス濃度検出部を形成
した後、これらの基板を積層して850℃〜900℃の
温度で結晶化する。結晶化によって感光性ガラスはセラ
ミックス化し、素材としての強度が増加する。同時に、
3枚の基板24,25,26は同時に接着,固定され
る。
【0012】図4に示した集積型マイクロセンサの平面
図を図5に示す。図に示すように、基板24上へマイク
ロヒータ部4とマイクロ温度センサ部5が形成されてい
る。ガス濃度検出部とガス流量検出部のパッドが引き出
されるように、基板24と基板25は段違いに接着され
る。なお、図4は図5のB−B断面を示した図である。
【0013】図4に示した実施例の概略製造工程を図6
に示す。本実施例の特徴は、基板の結晶化時に基板同士
を接着できることにある。
【0014】次に、本集積型マイクロセンサの信号処理
回路について簡単に説明する。信号処理回路の構成例を
図7に示す。マイクロヒータの抵抗26,マイクロ温度
センサの抵抗27,固定抵抗28,固定抵抗29および
電源30でガス濃度検出部のブリッジ回路を構成する。
同様に、マイクロヒータの抵抗31,マイクロ温度セン
サの抵抗32,固定抵抗33,固定抵抗34および電源
35でガス流量検出部のブリッジ回路を構成する。これ
らのブリッジ回路の出力信号をそれぞれ増幅器36,3
7で増幅すると、ガス濃度に対応した電圧V1 およびガ
ス流量に対応した電圧V2 が得られる。この他、マイク
ロヒータの抵抗26,31がある一定値になるように、
即ち、一定の温度になるようにフィードバック制御する
信号処理回路を構成することにより、これらの抵抗に供
給した熱量がガス濃度やガス流量に依存することを利用
して検出することもできる。
【0015】本発明による集積型マイクロセンサを用い
た自動車のエバポ規制システムの概略構成を図9に示
す。スロットルバルブ40の上流にあるエアフローメー
タ38でエンジン39へ吸入される空気流量を計測し、
これに見合った燃料流量を吸気管41に取り付けた燃料
噴射弁52からエンジン39へ供給している。次に、エ
バポ規制システムに対応した部分を説明する。燃料タン
ク42で蒸発した燃料を配管44を介してキャニスタ4
3へ集める。燃料の蒸発量が増加するにつれて、キャニ
スタ43内の圧力が次第に上昇する。それ故、時々キャ
ニスタ内の燃料をエンジン39へパージしてやる必要が
ある。配管46へ取り付けたバルブ48と配管45へ取
り付けたバルブ49とを開き、配管47へ取り付けたコ
ントロールバルブ50でパージガスの流量を制御し、吸
気管41を介してエンジン39へ放出する。このとき、
燃料と空気の混合したパージガスの濃度と流量が正確に
分かっていなければ、エンジン39内での最適な燃焼は
達成できず有害な排ガス成分が発生してくる。それ故、
配管47へ取り付けた本発明による集積型マイクロセン
サ51でパージガスの濃度とその流量を高精度,高応答
に検出することにより、キャニスタ43内の燃料をパー
ジさせたときでもエンジンにおける最適な燃焼を実現で
きる。
【0016】
【発明の効果】本発明による集積型マイクロセンサによ
り混合気体の濃度とその流量を同時に、高感度,高精
度,高応答に検出することができる。また、小型で低コ
ストなセンサとすることができる。本センサを自動車の
エバポ規制システムに適用することにより、蒸発燃料を
エンジンにパージさせても最適なエンジン燃焼を実現す
ることがができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による集積型マイクロセンサの一実施例
を示した説明図。
【図2】本発明による集積型マイクロセンサの平面図。
【図3】本発明による集積型マイクロセンサを構成する
検出基板の平面図。
【図4】本発明による集積型マイクロセンサの他の実施
例を示した説明図。
【図5】他の実施例の平面図。
【図6】他の実施例の概略製造工程図。
【図7】集積型マイクロセンサの信号処理回路の構成を
示した説明図。
【図8】マイクロヒータ部,マイクロ温度センサ部の詳
細を示した説明図。
【図9】エバポ規制システムのブロック図。
【符号の説明】
1…基板、2,4…マイクロヒータ部、3,5…マイク
ロ温度センサ部、15,17…ガス拡散室、16…ガス
拡散孔。

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】熱伝導式ガス濃度検出部と熱式ガス流量検
    出部を一体に集積化したことを特徴とする集積型マイク
    ロセンサ。
  2. 【請求項2】請求項1において、ガス濃度検出部とガス
    流量検出部は薄い膜の上に形成されたマイクロヒータ部
    とマイクロ温度センサ部よりなる集積型マイクロセン
    サ。
  3. 【請求項3】請求項2において、薄い膜がエッチングに
    よって加工されたビームあるいはダイアフラム形状であ
    る集積型マイクロセンサ。
  4. 【請求項4】請求項3において、マイクロヒータとマイ
    クロ温度センサが白金などの金属材料で構成される集積
    型マイクロセンサ。
  5. 【請求項5】請求項4において、ガス濃度検出部はガス
    拡散孔を有するガス拡散室内に配置される集積型マイク
    ロセンサ。
  6. 【請求項6】請求項5において、ガス濃度検出部とガス
    流量検出部は同一の基板へ平面方向に集積化されたマイ
    クロセンサ。
  7. 【請求項7】請求項5において、ガス濃度検出部とガス
    流量検出部は別々の基板へ形成され垂直方向に集積化さ
    れたマイクロセンサ。
  8. 【請求項8】請求項6または7において、ガス濃度検出
    部とガス流量検出部は感光性ガラス材料で構成される集
    積型マイクロセンサ。
  9. 【請求項9】請求項1に記載の集積型マイクロセンサを
    適用した自動車のエバポ規制対応システム。
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