JPS601525A - 半導体式流量検出装置 - 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】 この発明は、例えばエンジンの吸入空気流量を測定する
ものとして有用な半導体式流量検出装置に関する。

従来、トーマスメータあるいは熱線式流量針のように白
金抵抗線を用いた流量計が公知であるが、流体にさらさ
れる測定素子が線（ワイヤー）であるために振動、衝撃
等により断線しやすいという問題がある。

また、セラミック基板のような絶縁体上に抵抗体膜を蒸
着あるいは印刷する構造の流量計も提案されている。こ
れは測定素子が膜体であるため振動等に対しては強いが
、抵抗体膜を蒸着法あるいは印刷法により形成している
ために微細な加工ができず、測定素子の形状を大きくす
る必要があってこのために熱容量が増大して応答性が悪
化するという問題がある。

この発明は、上記従来の欠点を解消するためになされた
もので、振動等に対する耐久性、応答性のすぐれた流量
検出装置を提供することを目的とする。

この目的は本発明によれば、第１温度検出素子、ヒータ
及び第２温度検出素子を半導体チップ」二に形成し、か
つ上流側の第１温度検出素子をヒータより離れた位置に
、下流側の第２温度検出素子をヒータに近接した位置に
形成した構成とすることにより達成される。

以下、この発明を図に示す実施例について説明する。

第１図は、この発明になる半導体式流量検出装置を備え
た燃料噴射火花点火式エンジンの一例を示す。エンジン
１は、燃焼用空気をエアクリーナ２および吸入導管３を
経て吸気弁の開弁時に燃焼室へ吸入する。燃料は吸入導
管３に設置された電磁式燃料噴射弁６から噴射供給され
る。吸入空気流量は吸入導管３に設けられたスロットル
弁７を開閉操作することにより制御され、燃料噴射量は
電子制御ユニット８によって噴射弁６の開弁時間を変え
ることにより、基本的には吸入空気流量に見合った量、
必要に応じてこれに補正を加えた量に制御される。

上記エアクリーナ２の直下流には整流格子９が設けられ
る。この格子９は吸入空気の流れを整流し、流量検出装
置による流量測定の測定精度を向上させる役目をなす。

このようなエンジンｌの吸入系において、半導体式流量
検出装置ＩＯはスロソ（・ル弁７と整流格子９との間で
吸入導管３に設置されている。この装置１０はエンジン
１の吸入空気流量を測定し、それに応じた電気信号を制
御ユニット８に入力するもので、センサ部１１と回路部
１２よりなり、センサ部１１は吸入導管３内に配置され
ている。

次にこの検出装置１０を吸入導管に取り付けた状態を示
す第２図により説明する。センサ部１１と回路部１２よ
りなる半導体式流量検出器ＩＯはネジにより吸入導管３
に固定される。

センサ部１１はハウジングの中に流体の流れと平行に流
体通路２１を有し、その中心位置に流量検出するための
半導体チップが設置しである。センサ部１１は２列のピ
ンを有するデュアルインラインパッケージ形式のケーシ
ング２２を有しており、センサ部１１はＩＣテスタ等に
より評価選別された後半導体チ・７プの信号を出力する
２列のピン２３を２個のソケット２４に挿入し、振動等
によりはずれないよう接着固定される。

回路部１２は半導体チップの出力信号を処理して、流量
を表す信号をコネクタ２５より出力する。

なお、ソケット２４はセンサ部１１を通過する流れが、
吸入導管３の壁面の境界層の影響を受けることなく、吸
入導管３の流量を代表できる位置になるよう吸入導管３
の中に突出している。また、流れが乱れて圧力損失が増
大するのを防ぐため、ソケット２４の流れ方向の先輸を
鋭角にしである。

センサ部１１を示ず第３図において、３０はシリコン基
板上に第１温度検出素子、ヒータ素子、第２温度検出素
子が作られている半導体チ・ノブである。

２６はセラミック基板であり、リードピンとチップを電
気的に接続するよう導体ペーストが印刷焼成されていて
、リードピン２３、チ・ノブ３０がフリップチップバン
プ法によりＩ＼ンダ付されてＩｌ）る。

なお、基板２６にはその切欠き部分に２個の突出した支
持部２７が形成されており、この部分でチップ３０を空
気流にさらすように配置している。

これにより、セラミンク基板２６のうち半導体チップを
固定し、信号を取り出すのに必要な部分だけが流体通路
２１に位置する構造となり、半導体チップ２２のヒータ
の熱のセラミック基板２１に奪われる量と、セラミック
基板から気体へ熱伝達される量をより少な（し、ヒータ
の消費電力をより少なくしている。基板２６は、例えば
ＰＰＳよりなるケーシング２２に納められ支持される。

ケーシング２２の流入口２８は、通路２１内へ流れが乱
れることなく流入するようベルマウス形状となっている
。

また、半導体チップ３０への流れがよどむのを防ぐため
に、ハウジング２２の上部の内面Ｘをデツプ３０に流れ
が斜めから当るよう半導体チップ側に突出する構造にし
である。このような構造にすることにより精度良く流量
検出できる。

次に半導体チップ３０の構成について説明する。

半導体の温度検出素子としては、ダイオードまたはトラ
ンジスタを形成し、この順方向電圧が温度に対し２．０
〜２．５ｍＶ／”ｃのリニアな特性を持つことを利用し
て温度検出するものと、拡散法により形成した拡散抵抗
の抵抗値が温度により変化することを利用して温度検出
するものと２通りの方法が考えられるが、この実施例で
はダイオードにより温度検出素子を形成している。′ 半導体チッソ３０を示す第４Ａ図において、斜線部分は
アルミ電極の部分である。３１は拡散抵抗よりなるヒー
タで、半導体チップ３０上で中心よりやや下流側（図中
右方）に偏位した位置に形成されている。３２はダイオ
ードよりなる第１温度検出素子で、チップ３０上でヒー
タ３１より上流側であってヒータ３１より離れた位置に
形成されている。３３はダイオードよりなる第２温度検
出素子でチップ３０上でヒータ３１より下流側であって
ヒータ３１に近接した位置に形成されている。

ここで半導体チップ３０は、１４Ｂ図に示すようにＮ＋
のシリコン基板に、例えばボロンのようなＰ型不純物を
４２に拡散し、Ｎ型不純物４３を拡散した後、ＳｉＯ２
膜１３をエツチングしてアルミ４４を蒸着して、最後に
保護膜４５を付けて製作される。ここで保護膜としては
９．５ｉ０２、Ｓ　Ｉ　Ｃ％　３１３　Ｎ　４等が考え
られる。

上記構成において、半導体チップ３０のヒータ３１で電
力を消費さ鷺ると、その熱は通路２１内を流れる空気流
及びシリコン基板に伝達される。

ここで、第１温度検出素子３２をヒータ３１より離れた
位置とし、第２温度検出素子３３をヒータ３１に近接し
た位置としているので、第１温度検出素子３２と第２温
度検出素子３３とではヒータ３０からの熱伝導が太き（
異なり、さらに空気流から受ける熱の影響も大きく異な
る。

半導体チップ３０の温度勾配を示したのが第５図で、矢
印３１がヒータ、矢印３２が第１温度検出素子、矢印３
３が第２温度検出素子の部分を示している。この図から
れかるように本願によれば第１と第２の温度検出素子３
２．３３の温度を大きく異なった値にでき、精度良く流
量を検出できる。なお、第５図で曲＃ａＡは流量がゼロ
、曲線Ｂは流量が２０　ｇ　／　ｓ　ｅ　ｃ、曲線Ｃは
、流量が５０ｇ　／　ｓ　ｅ　ｃの状態を示している。

第６図は、流量に対する第１と第２の温度検出素子３２
．３３の温度差ΔＴを示したもので、ヒータと、第１と
第２の温度検出素子間の距離を同一とすると、曲線Ｅで
示すように温度差ΔＴはごくわずかしか変化しないが、
本願では曲線りで示すように温度Δ１゛は大きく変化し
、これからも精度の良い流量検出が可能であることがわ
かる。

また温度検出素子及びヒータは、固体であって線（ワイ
ヤー）でないため断線については問題がないし、通常の
半導体製造技術を用いて製造できるので微細加工が可能
となり、この部分の体格、即ち熱容量が小さくなって応
答性が向上する。

しかして、ダイオード３２．３３の電位差がオフセント
電圧に等しくなるように回路部１２によりヒータ３０の
発熱量が制御され、ダイオード３２と３３の温度差が所
定値に制御される。このように制御されると、ヒータ３
０で消費される電力は、流量と所定の関数関係になり、
流量に対しである曲線に従って増加する。一方、ヒータ
３０の消費電力はその端子電圧として出力されるのでそ
れが流量に応じた信号となる。この回路部１２について
は公知であるため詳細は省略する。

第７Ａ図及び第７Ｂ図は、半導体チップの第２実施例を
示している。本実施例ではチップ上の温度勾配をさらに
大きくして精度を上げるために、チップの裏面をエツチ
ングして凹形状としている。

ここで、通常３００μｍ程度あるシリコンウェハを素子
に影響しないようにＧ部で５０μｍ程度エツチングする
ことで、温度勾配を大きくすることができる。また、こ
のエツチング部Ｇにより、チップ自体の熱容量が小さく
なり、応答性も改善される。

この実施例においては、第１温度検出素子３２とヒータ
３０との間をエツチングして温度勾配を大きくすること
により、第１実施例よりさらに流量による温度変化を大
きくでき精度は向上する。

第８Ａ図及び第８Ｂ図は第３実施例で、流れ方向に対し
て第１温度検出素子３２、第２温度検出素子３３、ヒー
タ３１の順でと配置したもので、流量により素子３２．
３３の温度差が大きくなるように素子３２．３３の距離
を大きくとり、素子３３とヒータ３■の距離を短くしで
ある。破線の部分は裏面エツチングしである。

第３実施例では、流れに対して素子３２．３３、ヒータ
３１の順で配置しであるが、第９Ａ図、第９Ｂ図に第４
実施例のようにヒータ３１、素子３３、素子３２の順に
配置してもよい。

また、上記実施例では温度針としてダイオード、ヒータ
として抵抗を用いたが、ダイオードをトランジスタに、
抵抗をトランジスタに置き換えることもできる。トラン
ジスタを温度検出素子として用いると、入出力ピンが１
本多く必要となるが、温度係数の調整が容易になる。

また上記実施例では、チップの取り扱いが容易になるよ
うにデツプの端をエツチングしてないが、チップ製造工
程の最後で裏面全部をエツチングして薄くすることも考
えられる。

以上述べたようにこの発明によれば耐久性、応答性の点
で優れているという〃Ｊ果がある。また、測定精度も向
上できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明になる装置を備えたエンジンの構成図
、第２図は第１図に図示した装置の要部の断面斜視図、
第３図は第２図に図示したセンサ部の部分断面斜視図、
第４Ａ図及び第４Ｂ図はそれぞれ半導体チップを示す平
面図及び断面図、第５図及び第６図は作動説明にイバす
るグラフ、第７Ａ図及び第７Ｂ図はそれぞれこの発明の
第２実施例を示す平面図及び断面図、第８Δ図及び第８
Ｂ図はそれぞれこの発明の第３実施例を示す平面図及び
断面図、第９Ａ図及び第９Ｂ図はそれぞれこの発明の第
４実施例を示す平面図及び断面図である。 ３０・・・半導体デツプ、３１・・・ヒータ、３２．３
３・・・温度検出素子、Ｇ・・・エツチング部。 代理人弁理士　岡　部　隆 第４Ａ図 第４Ｂ図 第５図 第６図 第７Ａ図 ９ｎ 第８Ａ図 第８８図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１１半導体チップ上に形成されたヒータと、前記半導
   体チップ上であって、かつ前記ヒータより離れた位置に
   形成された第１温度検出素子と、前記半導体チップ上で
   あって、かつ前記ヒータに近接した位置に形成された第
   ２温度検出素子とを備えることを特徴とする半導体式流
   量検出装置。 （２）前記半導体デツプの裏面がエソヂングにより凹形
   状に形成されている特許請求の範囲第１項記載の半導体
   式流量検出装置。