JPH102773A - 熱式空気流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】空気流量計測のダイナミックレンジおよびノイ
ズを改善し、耐塵埃信頼性および温度特性の優れた熱式
空気流量計を提供する。 【解決手段】発熱抵抗体４ａ，４ｂおよび空気流の方向
と流量を計測する測温抵抗体５，６を、各々半導体基板
２に形成した空洞３ａ，３ｂ上の電気絶縁体１０に形成
し、空気温度測温抵抗体７は空気流に突き出す様に半導
体基板２上に形成し、また、空気流９に対して電気絶縁
体１０は開口部がなく、計測有効面積の大きい空洞３ｂ
上に流量計測のための発熱抵抗体４ｂを形成した測定素
子１とし、測定素子１の測温抵抗体５，６からの流量信
号と発熱抵抗体４ｂの流量信号をともに出力し平均化処
理する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱式空気流量計に
係り、特に内燃機関の吸入空気量を測定するのに好適な
熱式空気流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より自動車などの内燃機関の電子制
御燃料噴射装置に設けられ吸入空気量を測定する空気流
量計として、熱式のものが質量空気量を直接検知できる
ため主流となってきている。この中で特に、半導体マイ
クロマシニング技術により製造された空気流量計が、コ
ストが低減でき且つ低電力で駆動することが出来るため
注目されてきた。このような従来の半導体基板を用いた
熱式空気流量計としては、例えば、特開昭60−142268号
公報および特開平7−174600 号公報等に開示されてい
る。これら公報に記載の技術は、製造コストはある程度
低減されているが、吸入空気量の測定に際して、流量計
測レンジが狭い，ノイズが大きい，耐塵埃信頼性が十分
でない等の問題があった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来技術には次のよう
な課題がある。特開昭60−142268号公報に記載の従来技
術を図７を参照し説明する。図７は従来の熱式空気流量
計の測定素子の平面図であり、前記公報に記載の第２図
である。図で、１が熱式空気流量計の測定素子で、シリ
コン等の半導体基板を異方性エッチングにより形成した
空洞２３ａ，23ｂ，２３ｃを架橋する電気絶縁膜からな
る２本の橋２４ａと２４ｂを有し、空気の流れの上流側
が橋２４ａ，下流側が橋２４ｂとなっている。２本の橋
２４ａと２４ｂとの間の開口した空洞２３ｃを挟んで発
熱抵抗体４を配置し、これらの橋２４ａ，２４ｂには発
熱抵抗体４の側部に各々測温抵抗体５，６が配置され、
更に、電気絶縁膜の空洞２３ａの上流側の一部に空気温
度を測定する空気温度測温抵抗体７を配設している。
又、空洞２３ａ，２３ｂおよび２３ｃは、電気絶縁膜の
開口部を利用して半導体基板を異方性エッチングするた
め、電気絶縁膜の橋２４ａ，２４ｂ下で連続した一体の
空洞となっている。

【０００４】この空気流量計では、空気温度測温抵抗体
７により定められる空気温度よりも一定温度高い温度と
なるように発熱抵抗体４が加熱駆動される。空気流量
は、空気の熱運搬効果を利用して、流路の上流側測温体
６と下流側測温体５との間に生じる温度差から計測され
る。

【０００５】図８は従来の熱式空気流量計の他の例の説
明図であり、測定素子の平面図となっている。測定素子
１は、従来例と同じように半導体基板２上に電気絶縁膜
１０を形成し、公知のホトリソグラフィ技術により電気
絶縁体１０の２３ｄ，２３ｅの部分をエッチングし、更
に、この開口部２３ｄ，２３ｅから半導体基板２を異方
性エッチングして空洞２３ｄ，２３ｅを形成する。この
空洞２３ｄと２３ｅは、前記の従来例と同じように電気
絶縁膜の橋２４下で連続した一体の空洞を形成してい
る。この従来例では、橋２４上に発熱抵抗体４とこれに
近接して測温抵抗体６が空気流の上流側に配設され、さ
らに、空気温度測温抵抗体７が測定素子１の最上流に配
設される。

【０００６】この空気流量計では、空気温度測温抵抗体
７で検知される空気温度より測温抵抗体６が一定温度高
くなるように発熱抵抗体４を加熱（傍熱）駆動する。空
気流量は、空気の流量が増加するに従い冷却される測温
抵抗体６を傍熱する発熱抵抗体４に流す加熱電流から計
測する。

【０００７】このように構成された従来例では、例えば
図７の測定素子では、特開平7−174600号公報の明細書
の項目（００１２）に記載されているように、空気流量
が大流速域で出力変化が小さく、直線性が悪くなり、計
測可能な流速レンジが狭くなる問題がある。これを改善
したのが図８に示した測定素子だが、この従来例では、
空気の流れの方向が検知出来ないという問題がある。更
には、図７，図８の両方の従来例に共通する問題とし
て、空気流量を計測する上で重要な空気流と接する検出
有効面積（この従来例では測温抵抗体５，６の空気流に
接する面付）が小さいことにより出力ノイズが大きいこ
と、また、空気流に接する測定素子の表面に空洞２３
ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ，２３ｅが開口しており、
自動車等の過酷な条件で使用される場合、開口部に塵埃
等が蓄積し長期間に渡って信頼性の高い計測が出来ない
等がある。

【０００８】本発明の目的は、従来技術の課題を解決し
た流量計測のダイナミックレンジが広く、出力ノイズが
小さく、耐塵埃信頼性の高い熱式空気流量計を提供する
ことにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】目的を達成するため、本
発明は上面に電気絶縁膜を有し前記電気絶縁膜境界面よ
り下面に至る第一および第二の空洞を有する半導体基板
と、前記第一の空洞上の電気絶縁膜上に形成された第一
の発熱抵抗体と、前記第一の空洞上の電気絶縁膜上であ
って前記第一の発熱抵抗体を中心に近接して被測定流体
の上下流方向に対称に形成された一対の測温抵抗体と、
前記第二の空洞上の電気絶縁膜上に形成された第二の発
熱抵抗体と、前記第一および第二の空洞部以外の前記電
気絶縁膜上に形成された流体温度測温抵抗体とからなる
測定素子と、前記第一および第二の発熱抵抗体と前記流
体温度測温抵抗体の温度差を一定に保つ制御手段と、前
記一対の測温抵抗体の温度差より被測定流体の流れ方向
を検知する手段と、前記一対の測温抵抗体の温度差およ
び前記第二の発熱抵抗体に流す電流値より被測定流体の
流量を検知する手段より構成したこと、また、前記第一
および第二の発熱抵抗体は前記電気絶縁膜上で電気的に
直列接続するように構成したこと、更には、前記一対の
測温抵抗体の温度差および前記第二の発熱抵抗体に流す
電流値より各々独立した被測定流体の流量を検知および
出力する手段で構成したこと、あるいは、前記一対の測
温抵抗体の温度差および前記第二の発熱抵抗体に流す電
流値より各々被測定流体の流量を検出し、かつ、得られ
た各々の流量値から平均化処理した流量値を出力する手
段で構成したこと、このなかで、前記第一の発熱抵抗体
の電気抵抗を第二の発熱抵抗体の電気抵抗より小さく
し、更には、前記第一の空洞を第二の空洞より小さく形
成した。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について、
図面を参照して説明する。

【００１１】図１は本発明の実施例の熱式空気流量計の
測定素子１を示す平面図、図２は、図１の測定素子１の
Ａ−Ａ′およびＢ−Ｂ′断面図である。

【００１２】図１，図２で、測定素子１は、シリコン等
の半導体基板２，半導体基板２の下面より異方性エッチ
ングにより電気絶縁膜１０ａ，１０ｂの境界面まで形成
された第一の空洞３ａおよび第二の空洞３ｂ，電気絶縁
膜１０ａ上に形成された第一の発熱抵抗体４ａ，第二の
発熱抵抗体４ｂ，第一の発熱抵抗体４ａの近くに空気流
９に対して上下流に各々配置された測温抵抗体６および
５、空気温度を計測するための空気温度測温抵抗体７，
測定素子１の信号を外部回路と接続するための端子電極
８，各抵抗体を保護するための電気絶縁膜１０ｂよりな
る。

【００１３】ここで、第一の空洞３ａおよび抵抗体４
ａ，５，６は、第二の空洞３ｂおよび抵抗体４ｂに対し
て十分小さく形成され、且つ第一の発熱抵抗体４ａは第
二の発熱抵抗体４ｂに対して十分小さい電気抵抗値に設
定される。第一の発熱抵抗体４ａと第二の発熱抵抗体４
ｂは、電気的に直列接続されている。主に空気流９に接
する面積（検出有効面積）が広く且つ抵抗値が大きい第
二の発熱抵抗体４ｂの温度が、空気流９の流路先端に配
置された空気温度測温抵抗体７の温度より一定温度高く
なるように制御されている。これに伴って、第一の発熱
抵抗体４ａも空気温度測温抵抗体７に対して一定温度高
く設定される。

【００１４】空気流９の方向は、第一の発熱抵抗体４ａ
に対して対称に形成された測温抵抗体５および６の温度
（抵抗値）を比較することにより検知される。つまり、
第一の発熱抵抗体４ａにより傍熱された測温抵抗体５，
６は空気流が零のときは同じ温度を示し、図１の空気流
９の方向（順流）ではおもに上流側に配置された測温抵
抗体６の方が下流側に配置された測温抵抗体５より空気
流９による冷却効果が大きいため、上流側の測温抵抗体
６の温度が測温抵抗体５の温度より低い値となる。一
方、空気流が図１の方向と反対（逆流）のときには、こ
んどは下流側の測温抵抗体５の温度の方が上流側の測温
抵抗体６の温度より低くなる。このように、測温抵抗体
５，６の温度（抵抗値）を比較することにより空気流９
の方向が検知できる。

【００１５】一方、空気流量の計測は、測温抵抗体５，
６の温度差が空気流量の増大に対して大きくなることを
利用して、温度差より空気流の方向と空気流量を同時に
計測する。更に、従来例の問題点であった流量計測時の
ダイナミックレンジを拡大し、ノイズを低減するため
に、従来例に較べて検出有効面積の広い第二の発熱抵抗
体４ｂを、空気温度測温抵抗体７より一定温度高く直熱
駆動し、空気流量の増大に伴い増加する加熱電流値より
計測する。第二の加熱抵抗体４ｂにより計測される空気
流量は、検出有効面積を大きく形成しているため、空気
流量信号が大きく取り出せ、また、空気流の局所的な乱
れに対して平均的な出力になるため、ノイズに強く且つ
ダイナミックレンジが広くとれる構成となっている。こ
のように、測温抵抗体５，６の温度差および検出有効面
積の広い第二の発熱抵抗体４ｂの空気流量信号を各々好
適な空気流領域で利用することにより、ダイナミックレ
ンジが広く且つノイズの少ない空気流量計測が可能とな
る。

【００１６】また、図１では、第一の発熱抵抗体４ａと
第二の発熱抵抗体４ｂを直列接続しているが、場合によ
っては、端子電極８が多くなる繁雑さはあるが、並列接
続とし発熱抵抗体４ａおよび４ｂを各々独立に駆動（こ
の場合、空気温度測温抵抗体７を２個構成とする）し信
号を取り出した後に外部回路による信号を平均化処理す
る構成としてもと同様な効果が得られる。更に、空気温
度測定抵抗体７は、図１に示す様に、基板２の先端に位
置し空気流９の流路に突き出て配置されており、空気流
９が順流または逆流のいずれの場合でも発熱抵抗体４
ａ，４ｂの加熱された空気流の影響を受けないように配
置されており、精度の高い空気流量の計測が可能となっ
ている。

【００１７】図３は、図１の測定素子１を実装した熱式
空気流量計の実施例を示す断面図である。例えば、自動
車等の内燃機関の吸気通路に実装した熱式空気流量計の
実施例を示す断面図である。熱式空気流量計は、図のよ
うに、測定素子１と支持体１３と外部回路１４とを含み
構成される。そして吸気通路１１の内部にある副通路１
２に測定素子１が配置される。外部回路１４は支持体１
３を介して測定素子１の端子電極８に電気的に接続され
ている。ここで、通常では吸入空気は９で示された方向
に流れており、ある内燃機関の条件によって９とは逆の
方向（逆流）に吸入空気が流れる。

【００１８】図４は図３の測定素子１および支持体１３
の拡大図である。又、図５は、図４のＣ−Ｃ′およびＤ
−Ｄ′断面図である。図４および図５に見るように、測
定素子１は、支持体１３ｂ上に空気温度測温抵抗体７の
表裏面が空気流９に直接晒されるように固定され、更
に、アルミナ等の電気絶縁基板上に端子電極１５および
信号処理回路が形成された外部回路１４が、同じく支持
体１３ｂ上に固定される。この測定素子１と外部回路１
４は、端子電極８および１５間を金線１６等のワイヤボ
ンディングにより電気的に接続された後、前記の金線１
６，電極端子８，１５や外部回路１４を保護するために
支持体１３ａにより密封保護される。

【００１９】このように実装された測定素子１は、図
４，図５に見るように、第一の空洞３ａおよび第二の空
洞３ｂは下面が支持体１３ｂにより、また、上面は電気
絶縁体１０により、空気流９に対してほぼ隔離されてい
る。従って、した従来例のように空洞が空気流に開口部
を持たないため、自動車等の内燃機関の空気流量を計測
する際に問題となる塵埃等が、空洞あるいは開口部に蓄
積することがなく信頼性の高い計測が可能となる。

【００２０】また、自動車等の内燃機関では、内燃機関
の熱により図３に示す吸気通路１１および支持体１３の
温度が上昇し、この熱が測定素子１に伝熱して空気流量
の計測に誤差を生じさせ温度特性を悪くすることがあ
る。これに対して、本実施例では、図４に示す様に、空
気温度測温抵抗体７を支持体１３より最も遠い場所に配
置し、更に、支持体１３から突き出して配置したことに
より、空気流９により表裏面ともに晒され放熱が十分さ
れるため、吸気通路１１および支持体１３の温度上昇に
よる影響を殆ど受けない温度特性の優れた構成となって
いる。

【００２１】更には、図５のＤ−Ｄ′断面図に示したよ
うに、空気流９に対して支持体13ｂの先端形状を流線型
にしたことにより、空気流９が測定素子１に至った位置
でも空気流の乱れがなく一様に流れるため更にノイズの
少ない計測が可能となる。

【００２２】次に、図６を参照し、本発明の実施例の動
作について説明する。図６は、図１の測定素子１の抵抗
体４ａ，４ｂ，５，６，７と信号処理のための外部回路
１４を示したものである。図中、１７は、空気流量の絶
対値を計測するためのブリッジ回路で構成された駆動回
路、１８は、空気流の方向（順流か逆流）および空気流
量を計測するためのブリッジ回路で構成された駆動回
路、１９は、駆動回路１７より得られた空気流量に対応
する信号出力Ａに、駆動回路１８より得られる空気流の
方向信号Ｅによりプラス（順流）又はマイナス（逆流）
に変換した出力信号Ｆを得るための切り換え回路、２０
は電源、２１ａ，２１ｂ,２１ｃ,２１ｄはブリッジ回路
を構成する抵抗、２２ａ，２２ｂは差動増幅噐である。

【００２３】駆動回路１７，１８は、それぞれ独立した
回路である。電源２０に接続された駆動回路１７は、空
気流量を計測するための第二の発熱抵抗体４ｂと一定温
度に測温抵抗体５，６を傍熱するための第一の発熱抵抗
体４ａを直列接続し、更に空気温度測温抵抗体７，抵抗
２１ａ，２１ｂからなるブリッジ回路である。このブリ
ッジ中点の電位差が零になるように差動増幅噐２２ａに
よって発熱抵抗体４ａ，４ｂに流れる加熱電流を調整す
るように構成されている。この構成により、発熱抵抗体
４ｂの温度（抵抗値）は空気温度に対応する空気温度測
温抵抗体７の温度（抵抗値）より設定されたある一定値
（例えば１５０℃）高く制御される。このとき、発熱抵
抗体４ｂによる空気流量に対応する信号は図中Ａ点の電
位（加熱電流に対応）である。

【００２４】一方、駆動回路１８は、外部からの電源電
圧（Vref）と接続されており、測温抵抗体５，６および
抵抗２１ｃ，２１ｄよりなるブリッジ回路である。測温
抵抗体５および６は空気流量が零の時、同一の抵抗値に
なるよう（この場合、Ｃ点の電位は０.５Vref となる）
に設定されている。前述のように、空気流９が順流のと
きは、上流に位置する測温抵抗体６がより冷却され温度
（抵抗値）が下がり一方下流に位置する測温抵抗体５は
温度（抵抗値）が上昇するので、Ｃ点の電位は０.５Vre
f より下がる。一方、空気流９が逆流の時には、順流の
時と逆の動作となりＣ点の電位は０.５Vref より大きく
なる。また、このときのＣ点の電位（測温抵抗体５，６
の温度差に対応）は、空気流量が増大するに連れて温度
差が大きくなる空気流量と対応しており、Ｃ点の基準電
位（０.５Vref ）からのずれ量として空気流量が計測さ
れる。従って、Ｃ点の電位から空気流９の方向とともに
空気流量が検知され、所定の値に設定されたブリッジ回
路のＤ点の電位と差動増幅噐２２ｂにより増幅された出
力信号Ｅとして出力される。

【００２５】駆動回路１７の出力Ａと駆動回路１８の出
力Ｅとから、切り換え回路１９により、空気流の方向を
加味した空気流量信号Ｆが出力される。従って、図６の
構成では、空気流の方向を加味した空気流量信号は、第
二の発熱抵抗体４ｂに関連した信号Ｆおよび測温抵抗体
５，６に関連した信号Ｅとして、各々出力されることに
なる。

【００２６】図６の構成は、種々の適応形態が可能であ
り、図６の構成に限定するものではない。例えば、前述
のように、発熱抵抗体４ａ，４ｂを並列接続としたとき
には、駆動回路１７は第一の発熱抵抗体４ａ，第二の発
熱抵抗体４ｂと２個の空気温度測温抵抗体７よりなる各
々独立した２個の駆動回路となる。また、図６には記載
しなかったが、出力信号ＦおよびＥの空気流量から出力
ノイズを低減するために平均化処理をする回路を更に図
６の回路に追加する構成にすることも可能である。ここ
で、平均化処理としては、出力信号ＦおよびＥを単純平
均しても、あるいは、検出有効面積の広い第二の発熱抵
抗体４ｂの出力信号Ｆに重きをおいた加重平均でも、あ
るいは、空気流領域により出力信号ＦおよびＥを選択す
る方法でも良い。いずれの場合でも、流量計測でダイナ
ミックレンジおよびノイズが改善する。

【００２７】次に、本発明の熱式空気流量計の測定素子
の具体例について、図１，図２を参照して説明する。ま
ず、シリコン半導体基板２上に電気絶縁体１０ａとして
二酸化ケイ素，窒化ケイ素等を約０.５μ の厚さで熱酸
化あるいはＣＶＤ等の方法で形成する、更に、抵抗体４
ａ，４ｂ，５，６，７として白金を約０.２μ の厚さで
スパッタ等の方法で形成後、公知のホトリソグラフィ技
術によりレジストを所定の形状に形成した後イオンミリ
ング等の方法により白金をパターニングする。次に、端
子電極８を金メッキ等で形成した後、端子電極８以外の
部分を保護膜として電気絶縁体１０ｂを先と同様に約
０.５μ の厚さに形成する。最後に、シリコン基板２の
裏面より二酸化ケイ素等をマスク材として、異方性エッ
チングすることにより空洞３ａ，３ｂを形成し、チップ
に切断することにより測定素子１が得られる。

【００２８】ここで、空洞３ａは、従来例の検出有効面
積（約０.２mm×１mm：特開平7−174600号公報の明細書
（００２８）項に記載）より小さく形成し、一方、空洞
３ｂは、１mm×２mmの計測有効面積とし従来例の約１０
倍の大きさにした。このことにより、空洞３ｂ上の第二
の発熱抵抗体４ｂの空気流量信号のダイナミックレンジ
およびノイズが従来例に比較して大幅に改善した。この
ように空洞３ｂを大きくした場合でも、測定素子１の大
きさは約２.５mm×５mm で、従来例（約３mm×３mm：特
開平7−174600 号公報（００２８）項に記載）の約１.
４ 倍に過ぎなく、また、従来例のように空気流９に晒
される開口部がないことにより耐塵埃信頼性が向上し
た。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、二つの発熱抵抗体４
ａ，４ｂおよび空気流の方向と流量を計測する測温抵抗
体５，６を各々半導体基板に形成した空洞３ａ，３ｂ上
の電気絶縁体１０に形成し、且つ、検出有効面積の大き
い空洞３ｂ上に流量計測のための発熱抵抗体４ｂを形成
し、更に測温抵抗体５，６からの流量信号と発熱抵抗体
４ｂの流量信号をともに出力し平均化処理するようにし
たことにより、空気流量の計測時のダイナミックレンジ
およびノイズの改善が図られ、また、空気流９に対して
開口部がない構成になっているため、耐塵埃信頼性が向
上し、更には、空気温度測温抵抗体７を空気流に突き出
す構成としたことにより、温度特性の改善が図られた熱
式空気流量計が提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による熱式空気流量計の測定素
子の平面図。

【図２】図１の測定素子のＡ−Ａ′およびＢ−Ｂ′断面
図。

【図３】図１の測定素子を実装した熱式空気流量計の断
面図。

【図４】図３の測定素子部の平面図。

【図５】図４のＣ−Ｃ′およびＤ−Ｄ′の断面図。

【図６】抵抗体４ａ，４ｂ，５，６，７と外部回路１４
の電気回路図。

【図７】従来の熱式空気流量計の測定素子の平面図。

【図８】従来の熱式空気流量計の測定素子の平面図。

【符号の説明】

１…測定素子、２…半導体基板、３ａ，３ｂ…空洞、
４，４ａ，４ｂ…発熱抵抗体、５，６…測温抵抗体、７
…空気温度測温抵抗体、８…端子電極、９…空気流。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】上面に電気絶縁膜を有し前記電気絶縁膜境
   界面より下面に至る第一および第二の空洞を有する半導
   体基板と、前記第一の空洞上の電気絶縁膜上に形成され
   た第一の発熱抵抗体と、前記第一の空洞上の電気絶縁膜
   上であって前記第一の発熱抵抗体を中心に近接して被測
   定流体の上下流方向に対称に形成された一対の測温抵抗
   体と、前記第二の空洞上の電気絶縁膜上に形成された第
   二の発熱抵抗体と、前記第一および前記第二の空洞部以
   外の前記電気絶縁膜上に形成された流体温度測温抵抗体
   とからなる測定素子と、前記第一および前記第二の発熱
   抵抗体と前記流体温度測温抵抗体の温度差を一定に保つ
   制御手段と、前記一対の測温抵抗体の温度差より被測定
   流体の流れ方向を検知する手段と、前記一対の測温抵抗
   体の温度差および前記第二の発熱抵抗体に流す電流値よ
   り被測定流体の流量を検知する手段よりなることを特徴
   とする熱式空気流量計。
2. 【請求項２】請求項１において、前記第一および前記第
   二の発熱抵抗体が前記電気絶縁膜上で電気的に直列接続
   されている熱式空気流量計。
3. 【請求項３】請求項１または２において、前記一対の測
   温抵抗体の温度差および前記第二の発熱抵抗体に流す電
   流値より各々独立した前記被測定流体の流量を検知およ
   び出力する手段を設けた熱式空気流量計。
4. 【請求項４】請求項１または２において、前記一対の測
   温抵抗体の温度差および前記第二の発熱抵抗体に流す電
   流値より各々被測定流体の流量を検出し、かつ、得られ
   た各々の流量値から平均化処理した流量値を出力する手
   段を設けた熱式空気流量計。
5. 【請求項５】請求項１，２，３または４において、前記
   第一の発熱抵抗体の電気抵抗を第二の発熱抵抗体の電気
   抵抗より小さくした熱式空気流量計。
6. 【請求項６】請求項１，２，３，４または５において、
   前記第一の空洞を第二の空洞より小さく形成した熱式空
   気流量計。