JPH11148849A - 流体検出センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ヒータ温度制御を精度よく行うことができ、高
精度でかつ応答性の高い流体検出センサであってかつ熱
劣化の問題を解消することができる流体検出センサを提
供する。 【解決手段】測温抵抗体５、６の端部はシリコンチップ
から構成される端子７、８に接続されている。本例の構
造では、ヒータ４の中央部には、ヒータ４の延びる方向
に沿って延びるヒータ温度検出用温度検出素子９が設け
られている。ヒータ温度検出用温度検出素子９の周囲は
実質的にヒータ４によって囲まれておりヒータ温度検出
用温度検出素子９は、ヒータの熱にのみ依存して温度指
示する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、車両のエアフローセン
サ等に好適な流体検出センサに関する。

【０００２】

【本発明の背景】従来、車両のエアフローセンサとし
て、ホットワイヤ式、ホットフィルム式と行った形式の
ものが知られている。これらの形式のエアフローセンサ
は、流通流体内に配置された加熱測温体の温度変化から
流体の流量を算出するようになっているものである。こ
れらのエアフローセンサの原理は以下の通りである。す
なわち、流通流体内に電気抵抗の変化が温度変化と所定
の対応関係を有する測温体を加熱状態で配置して、その
測温体の温度変化を測定する。測温体の温度変化はこの
測温体と接触することによって熱を奪いながら流通する
流体の量に依存するので、上記温度変化を計測すること
によって測温体を横切って流通する流体の流通量すなわ
ち流量を知ることができる。ここで、上記測温体の温度
変化はその電気抵抗値に対応するので測温体の電気抵抗
値の変化を測定することによって測温体の温度変化を知
ることができ、これに基づいて、流体の流量を知ること
ができる、というものである。

【０００３】この種のエアフローセンサは、通常厚さが
約300 ミクロン程度のシリコン基板（シリコンウエハ）
に、1 ミリメートル×０．３ミリメートル乃至３ミリメ
ートル×３ミリメートル程度の矩形形状の空間部に約１
ミクロン程度の厚さの薄膜（メンブレンあるいはダイヤ
フラム）を張り、この薄膜の中央部に発熱手段（ヒー
タ）このヒータを挟んで２つの温度検出素子を配置した
ものとして形成される。この種のエアフローセンサの測
定精度を確保するためには、温度測定素子の熱環境が常
に一定であることが前提となる。したがって、熱線型エ
アフローセンサにおいてヒータの温度は、大気温センサ
による大気温との差が所定温度差になるように温度制御
される。例えば、上記の所定温度差が１００℃で設定し
ている場合において、上記大気温が２０℃すなわち、吸
気温が２０℃である場合には、ヒータ温度は１２０℃と
なるようにフィードバック制御される。この目的のため
に、ヒータの近傍には、ヒータ温度を測定するためにヒ
ータ温度センサが設けられる。

【０００４】この種の加熱式の測定素子を用いた公知技
術として、例えば、特開平４−７２５２３号に開示され
るものが知られている。また、同様な流体センサが特開
平４−７９８７６号にも開示されている。上記特開平４
−７２５２３号には、２つの測温抵抗体に対してそれぞ
れのヒータエレメントを用いた形式のフローセンサが開
示されている。

【０００５】

【解決しようとする課題】上記のようなヒータ温度セン
サによりヒータ温度を検出し、この検出値に基づいてフ
ィードバック制御を行う場合において、従来において
は、ヒータ温度検出するための温度センサは、ヒータの
周辺近傍に配置される。特に、従来の構成では、ヒータ
温度を正確に検出するためにヒータの上流側および下流
側の両側に隣接して極力近い位置に配置されるのが普通
である。しかし、このような従来の構造では、実質的に
ヒータの側部の温度をヒータ温度として検出することに
なる。しかし、ヒータ温度は厳密には、全体にわたって
一様ではなく、一定の温度勾配を有しており、ヒータ温
度は、中央部分で高く周辺部で低くなる傾向となる。従
って、上記従来の構成において、ヒータ温度として検出
される温度はヒータの周辺部分の温度であり、ヒータの
中央部の温度はこれよりも実際には高くなる。すなわ
ち、ヒータの実際の温度は制御しようとする温度より高
くなる。

【０００６】一方において、この種の熱線型エアフロー
センサでは、最近の傾向として、検出感度を高めるため
に熱容量を小さくして小型化することが行われている。
この例として、たとえば、上記のようにヒータおよびそ
の温度検出手段を熱容量の小さい薄膜上に取り付ける構
成が一般化している。しかし、薄膜上に取り付けられる
上記ヒータは常時温度変化を生じるものであるため、こ
れを取り付ける薄膜にもヒータからの熱負荷がかかるこ
とになる。この熱負荷は、薄膜に応力を生じさせること
となり、薄膜の耐久性能上悪影響を及ぼす。特に、上記
したように最近の傾向として熱線型エアフローセンサは
小型化することが行われており、熱容量を小さくして感
度を向上させるために薄膜の厚さも薄くなる傾向にあ
る。このためヒータの温度変化によって生じる熱負荷も
大きくなり、熱劣化を生じやすくなる。このような薄膜
は、ちっ化シリコンで構成するのが一般的であるが、エ
アフローセンサに組み込まれた状態で引っ張り応力が作
用するように構成する必要がある。薄膜に圧縮応力が作
用すると、膜が変形したり、破断が生じたりする。薄膜
に作用する応力は、温度条件によって微妙に変化し、引
っ張り状態、あるいは圧縮状態のいずれの状態も発生し
得る。

【０００７】したがって、ヒータの温度制御は極力精密
に行うことが望まれる。この観点において従来の構造で
は、ヒータ温度が適正に検出されておらず、したがって
エアフローセンサを支持する薄膜の熱劣化の問題が生じ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明はこのような事情
に鑑みて構成されたもので、ヒータ温度制御を精度よく
行うことができ、したがって、高精度でかつ応答性の高
い流体検出センサであってかつ上記のような熱劣化の問
題を解消することができる流体検出センサを提供するこ
とを目的とする。上記目的を達成するために、本発明に
かかる流体検出センサは、流体流れ中に配置される発熱
手段と、前記流体流れにおいて前記発熱手段の上流側に
配置され、前記発熱手段の熱影響を受ける流体の温度を
検出する上流側流体温度検出手段と、前記発熱手段の下
流側に配置され、前記発熱手段の熱影響を受ける流体の
温度を検出する下流側流体温度検出手段とを有し、前記
上流側および下流側流体温度検出手段の検出結果に基づ
いて前記流体の流量を求める流体検出センサにおいて、
前記発熱手段の近傍に該発熱手段の温度を検出するため
の加熱温度検出手段がさらに設けられており、前記発熱
手段の温度が前記加熱温度検出手段の検出結果に基づい
て所定の温度に制御されるようになっており、前記加熱
温度検出手段を挟んで前記流体流れの上流側と下流側の
いずれの側にも前記発熱手段が存在するように構成され
ていることを特徴とする。

【０００９】好ましい態様では、前記発熱手段は、前記
加熱温度検出手段の周りを前記上流部から下流部にわた
って連続して延びるように単一の構造体として形成され
ている。さらに、前記発熱手段は、熱容量の比較的小さ
い薄膜上に配置される。

【００１０】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
本例は、本発明にかかる流体検出センサを車両のエアフ
ローセンサに応用したものである。図１および図２を参
照すると本発明を適用することができるエアフローセン
サ１の基本構成図が示されている。周囲をシリコン基板
２で囲まれており、その中央には基板２の上面に面一に
なるように矩形の薄膜３の部分が形成されて、シリコン
基板２にその周縁部を支持された状態で設けられてい
る。そして、薄膜３の中央には、発熱体すなわちヒータ
４が配置されており、その両側には、ヒータ４から等間
隔で温度検出素子５、６すなわち温度に対応して電気抵
抗値が変化する薄板状の測温抵抗体が測温抵抗体５、６
が配置されている。

【００１１】この基本構造において、エアフローセンサ
１は、上記の温度検出素子が空気流に対して直交するよ
うな位置関係で配置される。すなわち、空気は、基本的
に図示の矢印の方向に流れるが、温度検出素子５、６お
よびヒータ４は、この空気流れに対して直交して伸びて
いる。また、空気流れは、エアフローセンサ１に対して
矢印Ａおよび矢印Ａ’のいずれの方向にも流通する。図
３には、上記のセンサ部分の拡大図が示されている。本
例の測温抵抗体５、６は、空気流れに対して上記のよう
に直交する配置で上流側と下流側に平行して２本設けら
れている。測温抵抗体５、６の端部は、シリコンチップ
から構成される端子７、８に接続されている。本例の構
造では、ヒータ４の中央部には、ヒータ４の延びる方向
に沿って延びるヒータ温度検出用温度検出素子９が設け
られている。すなわち、本例の構造では、ヒータ温度検
出用温度検出素子９の周囲は実質的にヒータ４によって
囲まれており、ヒータ温度検出用温度検出素子９は、ヒ
ータの熱にのみ依存して温度指示する。

【００１２】上記したように、本発明が適用される熱線
型エアフローセンサはヒータ温度と空気温度との差に基
づいて本制御されることを特徴とする。したがって、ヒ
ータ温度の検出精度は、エアフローセンサ１の精度に直
接影響する。したがって、本発明のようにヒータ温度検
出用温度検出素子９の動作が他の要素の熱的要因によっ
て影響されないように構成したことは、エアフローセン
サ１の測定精度を向上させる上で極めて重大である。そ
して、シリコン基板２には、このヒータの温度制御のた
めの電力を供給するための電力供給端子１０、１１およ
び、ヒータ温度検出用温度検出素子９の一端に接続され
る一対の端子１２、１３も設けられてている。すなわち
本例の構成では、ヒータ４はヒータ温度検出用温度検出
素子９の周囲を取り囲むようにヒータ温度検出用温度検
出素子９から上、下方向に等間隔離間した位置に配置さ
れている。

【００１３】以上のような構造において、本例のエアフ
ローセンサ１の動作原理について説明する。エアフロー
センサ１のヒータ４は、所定の温度になるように電力供
給が制御されている。上記したように、ヒータ４は、測
定される空気の温度に対して所定温度だけ高くなるよう
に設定されている。この場合、空気流がない状態すなわ
ち、エアフローセンサ１の周囲の空気が静止状態にある
場合には、ヒータ周辺の温度分布は、図４に示すように
なる。すなわち、ヒータ４の位置を中心として両側に対
称的な温度分布を有する。したがって、ヒータ４の両側
に対称に配置される温度検出素子５、６の検出温度は同
じとなる。

【００１４】しかし、図５の矢印のように空気が流動す
ると空気流れによって温度検出素子すなわち測温抵抗体
５、６の温度は空気によって熱が奪われるので、温度は
低下する。この場合、空気流れの上流側の測温抵抗体５
は常に新しい空気と接触するので、温度の低下傾向が顕
著である。一方、空気流れの下流側の測温抵抗体６は、
上流側測温抵抗体５及びヒータ４と接触することによっ
てこれらから熱を奪って温度が新気に比べて僅かに上昇
している。このため、下流側の測温抵抗体６の温度低下
傾向は、上流側測温抵抗体５に比べて小さくなる。本例
のエアフローセンサ１においては、この測温抵抗体５、
６の温度変化は電気抵抗の変化として検出されており、
抵抗値の変化は、図６に示すホイートストンブリッジ１
４等の検出手段によって検出することができる。また、
ヒータ４の電力制御を行うにあたっては、たとえば図７
に示すような回路１５を構成する。この回路において
は、ヒータ温度が上昇したとき、ヒータ温度検出用温度
検出素子９の抵抗値が大気温を検出する温度検出素子１
６の抵抗値に比して増大する。この抵抗値の増大がブリ
ッジ出力を増大させる。このブリッジ出力を比較器１７
を介してヒータ電力供給手段１２（本例ではトランジス
タ）にフィードバックするようにしている。

【００１５】このように構成することにより、ヒータ４
の温度と大気温度との温度差を一定に制御することがで
きる。そして、測温抵抗体５、６の抵抗値が判明するこ
とによって、予め求められている当該材料の抵抗値と温
度との関係から測温抵抗体５、６の温度を知ることがで
きる。そして、この温度変化と流量との関係も既知であ
るから測温抵抗体５、６の温度を知ることによって測温
抵抗体５、６を横切る空気の流量を求めることができ
る。図８を参照すると、本発明のエアフローセンサ１に
適用するけことができる薄膜上に配置するヒータ４およ
び温度検出素子のレイアウトの別の例について説明す
る。特に大気温度あるいは空気温度を検出するための空
気温度検出素子１０の独特の配置構造について説明す
る。上記したように、熱線型エアフローセンサ１の特徴
は、ヒータ４と空気との温度差が一定となるようにヒー
タ温度を制御することを前提として構成されるものであ
る。このような熱線型エアフローセンサにおいては、空
気温度の検出精度は、エアフローセンサ１の流量検出精
度に直接影響を与えるので、極めて重要である。

【００１６】ヒータ４およびヒータ温度検出用温度検出
素子９からなるヒータ構造体およびこの上下流側に配置
される温度測定素子すなわち測温抵抗体５、６の構成
は、図示の例においても、上記の図３に示す例と同様の
構成となっている。すなわち、ヒータ４およびヒータ温
度センサ９が流体の流通方向に直交する方向に配置され
る。そして本例の構造の特徴は、吸気温の検出のための
温度検出素子１６の配置にある。従来の構造では、空気
温度検出素子１６は、ヒータ４およびヒータ温度検出用
温度検出素子９の構造体およびこの構造体の上流側およ
び下流側に設けられた測温抵抗体のさらに上流あるいは
下流側に設けられるのが一般的であった。しかし、この
構造では、エンジンからの吹き返しが生じるような場合
には、ヒータ温度制御が実際の温度変化に追随せず、こ
の吹き返しによる空気と接触することによって、外気の
温度を表示しない場合が生じて、適正な温ヒータの温度
制御ができないという問題が生じていたものである。す
なわち、吹き返しが生じような場合には、精度誤差が大
きくなるという問題じ生じていたものである。

【００１７】本例の空気温検出素子１６は、上記のヒー
タ４およびヒータ温度検出用温度検出素子９に対し空気
の流通方向に関し、並列に設けられており、空気温度検
出素子１６とヒータ４およびヒータ温度検出用温度検出
素子９の配置部との間には肉厚部１８が設けられ、両者
の間の空気の流通を極力排除するように構成されてい
る。すなわち、空気温度検出抵抗素子１６はヒータ４お
よびヒータ温度検出用温度検出素子９、および測温抵抗
体５、６を配置した薄膜３から空気流通方向にみて隔離
した位置関係で配置された薄膜３ａ上に配置される。そ
して、両薄膜３、３ａは、熱的に遮断されている。すな
わち、本例の構成では、空気温度検出素子１０は、ヒー
タ４によって熱せられた空気の影響を極力少なくして純
粋の外気から導入された空気と接触するようになってお
り、したがって、本例の空気温度検出素子１０のレイア
イトは、純粋に導入された外気の温度を測定することが
できる。

【００１８】本発明にかかるエアフローセンサ１は、例
えば以下のような手順で製造することができる。 １．プラズマＣＶＤ法を用いてシリコンウエハの両面に
チッ化シリコン（p-CVDSiNx) を成膜する。 ２．シリコンウエハ上に、スパッタリングで白金薄膜を
形成する。 ３．ヒータおよびヒータ温度検出用温度検出素子・温度
検出用抵抗素子をフォトリソグラフィーを用いて制作す
る。 ４．白金素子と反対側のチッ化シリコンを異方性エッチ
ングのマスクとなるようにエッチングする。 ５．チッ化シリコンをマスクとして異方性エッチングを
行い、素子下部単結晶シリコンを取り除き薄膜を構成す
る。

【００１９】なお、上記の例では、ヒータ４の両側に測
温抵抗体５、６を配置してエアフローセンサすなわち流
体検出センサを構成した例について説明したが、かなら
ずしも両側に配置する必要はなく、一方の側に配置する
だけの構成でもよい。

【００２０】

【発明の効果】上記したように本発明によれば、ヒータ
の温度を検出するヒータ温度検出用温度検出素子のヒー
タの中央部に配置し、該ヒータ温度検出用温度検出素子
がヒータによって囲まれるように構成したので、ヒータ
温度検出用温度検出素子は、他の要因にかかる熱的影響
を排除して純粋にヒータからの熱によって動作する。し
たがって、ヒータの温度を正確に検出することができ、
エアフローセンサの測定精度を向上させることができ
る。また、これらの温度制御素子および測定素子を薄膜
上に配置する構成においては、その薄膜の強度上の不利
を極力解消するようにしたので、本発明によって、エア
フローセンサの耐久性能を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が好適に適用できるエアフローセンサの
概略平面図、

【図２】図１のエアフローセンサを流体流れ方向に沿っ
て切断した断面を示す斜視図

【図３】図１および図２のエアフローセンサの拡大平面
図、

【図４】は、吸気流動がない場合の、上記ヒータおよび
ヒータ温度検出用温度検出素子構造体およびその上下流
の配置される測温抵抗体の周辺部の温度分布状態を示す
グラフ、

【図５】は、空気が矢印の方向に流動している場合の上
記同様の温度分布状態を示すグラフ、

【図６】測温抵抗体による流量検出のためのホイートス
トンブリッジ回路の例を示す回路図、

【図７】ヒータ温度制御のためのホイートストンブリッ
ジ回路を使用した制御回路図、

【図８】空気温度測定用測温抵抗体の配置状態を示す平
面図である。

【符号の説明】

１ エアフローセンサ、 ２ シリコン基板 ３ 薄膜 ４ ヒータ ５ 上流側温度測定素子 ６ 下流側温度測定素子 ９ ヒータ温度検出用温度検出素子。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】流体流れ中に配置される発熱手段と、 前記流体流れにおいて前記発熱手段の上流側に配置さ
   れ、前記発熱手段の熱影響を受ける流体の温度を検出す
   る上流側流体温度検出手段と、 前記発熱手段の下流側に配置され、前記発熱手段の熱影
   響を受ける流体の温度を検出する下流側流体温度検出手
   段とを有し、 前記上流側および下流側流体温度検出手段の検出結果に
   基づいて前記流体の流量を求める流体検出センサにおい
   て、 前記発熱手段の近傍に該発熱手段の温度を検出するため
   の加熱温度検出手段がさらに設けられており、 前記発熱手段の温度が前記加熱温度検出手段の検出結果
   に基づいて所定の温度に制御されるようになっており、 前記加熱温度検出手段を挟んで前記流体流れの上流側と
   下流側のいずれの側にも前記発熱手段が存在するように
   構成されていることを特徴とする流体検出センサ。
2. 【請求項２】請求項１において、前記発熱手段は、前記
   加熱温度検出手段の周りを前記上流部から下流部にわた
   って連続して延びるように単一の構造体として形成され
   ていることを特徴とする流体検出センサ。 【請求項3 】請求項１または２において、前記発熱手段
   は、熱容量の小さい薄膜上に配置されていることを特徴
   とする流体検出センサ。