WO2011125923A1

WO2011125923A1 - 熱式流量センサ

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Publication number: WO2011125923A1
Application number: PCT/JP2011/058391
Authority: WO
Inventors: 佐藤亮; 半沢恵二
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Astemo Ltd
Priority date: 2010-04-01
Filing date: 2011-04-01
Publication date: 2011-10-13
Anticipated expiration: 2012-10-01
Also published as: JP5542505B2; US20130025363A1; JP2011215062A; CN102822641B; US8935959B2; EP2554953A4; CN102822641A; EP2554953A1

Abstract

ヒーター抵抗や感温抵抗体が設置された基板のダイアフラム部に歪が生じても、歪によって生じる感温抵抗体が接続されたブリッジ回路の信号変動を少なくすること。基板と、基板に形成されたダイアフラム１３と、ダイアフラム上に形成された発熱抵抗体２および温度検出抵抗体７～１０とを有し、発熱抵抗体を加熱することによって被測定流体の流量を検出する熱式流量センサにおいて、ダイアフラム上の発熱抵抗体に対して被測定流体の流れの上流側および下流側に歪検出抵抗体１１，１２が形成されており、歪検出抵抗体によってダイアフラム上に発生する歪量を検出し、検出された歪量に基づいて前記発熱抵抗体と前記温度検出抵抗体が検出する流量信号の歪補償を行う。

Description

熱式流量センサ

　本発明は、発熱抵抗体を利用して流量を計測する流量センサに関する。例えば自動車用エンジンに吸入される空気量を検出する流量測定装置に関する。

　従来、自動車等の内燃機関の吸入空気通路に設置され、吸入空気量を計測する流量センサには、熱式のものが主に使用されている。これは、熱式の流量センサは、質量流量を直接計測できるためである。

　近年、地球環境保護の観点から低燃費，排気ガス規制が厳しくなっている。そのため吸入空気量を計測する流量センサには、高精度化，逆流検知，ダイナミックレンジ拡大等のニーズが顕在化している。

　このようなニーズに対応する熱式の流量センサにおいては、流量を計測するセンシング素子をシリコンなどの半導体基板上に、半導体微細加工技術を用いて製造するものが、近年注目されている。この種のセンシング素子は、比較的容易に大量生産できることから経済性があり、小型化が可能で低い消費電力で駆動できるためである。このような流量センサには、特許文献１に記載の流量センサがある。

　特許文献１に記載の流量センサの場合、センシング素子は、シリコン基板上に絶縁層を介してセンシング抵抗を形成し、抵抗体を熱絶縁させるためにシリコン基板の一部を除去して薄膜部（ダイアフラム部）を形成している。このダイアフラム部にヒーターとして駆動させる抵抗体を配置することにより発熱抵抗体を形成することができる。流量検出は、この発熱抵抗体をはさんで空気流の上流側と下流側に感温抵抗体を形成し、上流と下流に配置した感温抵抗体の温度差に基づき流量及び方向を検知する温度差方式を採用している。

特開２００２－４８６１６号公報

　特許文献１では、抵抗体にポリシリコンを採用している。ポリシリコンのような半導体材料は、形状の変形により発生するひずみに起因して抵抗値が変化するピエゾ効果を有している。このピエゾ効果の影響量は、その材料が有するゲージ率により決定され、白金等の金属材料においても影響がある。そのため、半導体式流量センサでは、このピエゾ効果に起因する出力異常を発生しやすいという課題がある。

　そこで、本発明の目的は、ヒーター抵抗や感温抵抗体が設置された基板のダイアフラム部に歪が生じても、この歪によって生じる感温抵抗体が接続されたブリッジ回路の信号変動を少なくすることにある。

　上記目的は、請求項に記載の発明により達成される。

　例えば、上記目的は、基板と、前記基板に形成されたダイアフラムと、前記ダイアフラム上に形成された発熱抵抗体および温度検出抵抗体とを有し、前記発熱抵抗体を加熱することによって被測定流体の流量を検出する熱式流量センサに、以下の構造を設けることにより達成することができる。前記ダイアフラム上の前記発熱抵抗体に対して被測定流体の流れの上流側および下流側に歪検出抵抗体を形成する。前記歪検出抵抗体によって前記ダイアフラム上に発生する歪量を検出し、前記検出された歪量に基づいて前記発熱抵抗体と前記温度検出抵抗体が検出する流量信号の歪補償を行う。これにより、歪影響分を取り除くことができ、出力異常を発生させ難くすることができる。

　本発明によれば、ヒーター抵抗や感温抵抗体が設置された基板のダイアフラム部に歪が生じても、この歪によって生じる感温抵抗体が接続されたブリッジ回路の信号変動を少なくすることができる。

本発明の第１の実施形態である流量センサのセンシング素子のパターン図。本発明の第１の実施形態である流量センサの回路構成図。本発明の第１の実施形態である流量センサの内部演算処理を示した図。本発明の第２の実施形態である流量センサのセンシング素子のパターン図。本発明の第２の実施形態である流量センサの回路構成図。本発明の第３の実施形態である流量センサのセンシング素子のパターン図。本発明の第３の実施形態である流量センサの回路構成図。本発明の第４の実施形態である流量センサのセンシング素子のパターン図。本発明の実施形態である流量センサが受ける実装応力影響を示した図。本発明の実施形態である流量センサが、実際に使われる状態の実装断面模式図。

　上述したように、半導体式流量センサでは、このピエゾ効果に起因する出力異常を発生し易いという課題がある。その理由としては、ダイアフラム部の膜厚が約１～２μｍしかないために、（１）センシング素子を支持体に接着する時の応力、（２）支持体をケーシング等に接着実装する時の応力、（３）環境温度の変化により発生する実装部材の線膨張係数差から発生する応力、（４）ヒーターを発熱させることによる熱変形等の様々な変形を受けることが挙げられる。

　特にヒーターを挟んで形成している感温抵抗体は、性能的には高抵抗値である方が望ましい。このため、形状的には抵抗体の幅を細く、長さを長く形成する必要がある。そのため、上述の応力によるピエゾ効果を受け易い。その結果、ヒーターを挟んで形成している感温抵抗体がそれぞれ別の抵抗値となってしまい出力異常を発生させてしまう可能性がある。また、ヒーター温度検出抵抗についてもヒーター抵抗の近傍に配置する必要があり、形状的に前述の感温抵抗体と同様に幅を細く、長さを長く形成する必要がある。その結果、ヒーター温度検出抵抗体の抵抗値が変化し、ヒーター温度を正しく検知できなくなる。結果的に、ヒーター温度を所定の温度に制御できなくなり、出力異常を発生させてしまう可能性がある。

　以下、本発明の実施形態について図１～図１０を用いて説明する。

　図１は、本発明の第１の実施形態である流量センサにおける流量検出素子の平面構造を示す図である。

　図１において、検出素子１には、シリコンやセラミック等の熱伝導率の良い材料で構成された基板の裏面に空洞部が形成され、当該空洞部に空気流量検出用のダイアフラム１３が形成されている。空洞部は、アルカリ溶剤等による基板の裏面側からのエッチング加工により形成される。ダイアフラム１３上には、流量検出用抵抗体であるヒーター抵抗体２が配置され、ヒーター抵抗体２の周りを囲むようにヒーター温度検出抵抗体３が配置される。また、ヒーター抵抗体２に対して流れの上流側には上流側感温抵抗体７，８が配置され、下流側には下流側感温抵抗体９，１０が配置される。さらに、歪検出抵抗１１，１２が感温抵抗体７～１０と外部端子との接続に使用するボンディング端子１４～３２の間のダイアフラム１３上に配置される。

　ダイアフラム１３の周囲の基板上には、固定抵抗５，６，測温抵抗体４が形成されている。これら検出素子１上に構成される抵抗体は、温度により抵抗値が変化するポリシリコン等の半導体膜，白金等の金属膜によって作られる。また、これらの素子の外部への接続は、ボンディング端子１４～３２によってなされる。これにより、ダイアフラム１３上の抵抗体に生じる歪の影響を排除することができ、あるいは歪により発生する応力を緩和した流量出力を提供できる。

　なお、ヒーター抵抗体２やヒーター温度検出抵抗体３，上流側感温抵抗体７，８，下流側感温抵抗体９，１０，歪量を検出する抵抗体である歪検出抵抗１１，１２，固定抵抗５，６，測温抵抗体４をすべて同一材料で構成する。これにより、コストアップすることもなく、実装時等におけるダイアフラム１３上の抵抗体に生じる歪の影響を排除した流量出力を提供できる流量センサを構成できる。

　図２は、本発明の第１の実施形態である流量センサの回路構成を示した図である。

　図２において、流量センサは空気流量，空気温度及びダイアフラム１３に発生する歪み量を検出する検出素子１と、空気流量及び歪量を電気信号に変換し歪量を排除した空気流量を所定の特性に調整するためのＡＳＩＣ回路３５を備える。

　ヒーター温度検出抵抗体３と、測温抵抗体４と、固定抵抗５，６とによって形成されたブリッジ回路には電源３８が接続されている。ヒーター温度検出抵抗体３と固定抵抗６との接続点の電位を示すボンディング端子２５と、測温抵抗体４と固定抵抗５の接続点の電位を示すボンディング端子３１とが、オペアンプ３７の入力端子に接続される。これらの電位が同一になるように、オペアンプ３７はヒーター抵抗体２へ供給される加熱電流をフィードバック制御する。ここでの加熱電流は、オペアンプ３７により制御されるトランジスタ３６が供給する。

　また、ヒーター抵抗体２に対して空気の流れ方向の上流側に配置されるブリッジ回路に電源３８が接続される。ブリッジ回路は、ヒーター抵抗体２からの熱の影響によって抵抗値が変化する感温抵抗体７，８と、ヒーター抵抗体２に対して空気の流れ方向の下流側に配置される感温抵抗体９，１０とにより形成される。

　さらに、ダイアフラム１３に発生する歪量を検出する歪検出抵抗１１，１２と、固定抵抗３３，３４によって形成されたブリッジ回路に電源３８が接続されている。

　空気流量に応じた差動信号は、感温抵抗体７と１０の接続点の電位を示すボンディング端子１６（又は２８）と、感温抵抗体８と９の接続点の電位を示すボンディング端子３０（又は１７）とがＡＤ変換器３９に接続される。また、ダイアフラム１３に発生する歪量に応じた差動信号は、歪検出抵抗体１１と固定抵抗３３の接続点の電位を示すボンディング端子２０と、歪検出抵抗体１２と固定抵抗３４の接続点の電位を示すボンディング端子２７とがＡＤ変換器４０に接続される。そしてＡＤ変換器３９，４０の出力がＤＳＰ４２に入力される。ＤＳＰ４２では、ＲＯＭ４１に格納された調整情報を使用し、ダイアフラム１３に生じた歪量を補償し、所定の特性に調整して出力する。調整された流量信号は、ＤＡ変換器４３または周波数出力変換回路（ＦＲＣ）４４に入力され、電圧信号あるいは周波数信号に変換される。最終的にＲＯＭ４１に格納された情報に基づき切替スイッチであるマルチプレクサ（ＭＰＸ）４５によって電圧信号あるいは周波数信号が流量出力として出力される。

　図２で示されるように、オペアンプ３７と、電源３８と、トランジスタ３６と、ＡＤ変換器３９，４０と、ＲＯＭ４１と、ＤＳＰ４２と、ＤＡ変換器４３とマルチプレクサ（ＭＰＸ）４５により、ＡＳＩＣ回路３５が構成されている。

　これにより、ヒーター抵抗体２に対して空気の流れ方向の上流側に配置され、ヒーター抵抗体２からの熱影響によって抵抗値が変化する上流側感温抵抗体７，８と、ヒーター抵抗体２に対して空気の流れ方向の下流側に配置される下流側感温抵抗体９，１０によって形成されたブリッジ回路の出力に対して歪影響を補償した出力が得られる。このように、ブリッジ回路の出力から歪影響分を取り除くことにより、出力異常を発生させ難くすることができる。

　図３は、本発明の第１の実施形態である流量センサのＡＳＩＣ回路３５内部のＤＳＰ４２の内部で実施される演算処理を示した図である。

　図３において、歪検出部４７で検出された信号は非常に小さいため、演算器４８で所定のゲインを与える。その後、増幅後の歪検出信号と、予めＲＯＭ４１に書き込んでおいた初期状態の歪量とを演算器４９に入力し、それらの差分を計算する。これにより、正味の歪量が計算される。さらに、流量検出部４６からの出力と、演算器４９により演算された歪検出信号とを演算器５０に入力し、所定の演算を実施し、真の流量検出信号を出力する。

　図４は、本発明の第２の実施形態である流量センサにおける流量検出素子の平面構造を示す図である。また、図５は、本発明の第２の実施形態である流量センサの回路構成を示した図である。この第２の実施形態は、ヒーター温度検出抵抗体３と、測温抵抗体４と、固定抵抗５，６と、歪検出抵抗１１，１２とによって形成されたブリッジ回路に電源３８が接続されている。また、ヒーター温度検出抵抗体３と固定抵抗６との接続点の電位を示すボンディング端子２５と、測温抵抗体４と固定抵抗５の接続点の電位を示すボンディング端子３１とが、オペアンプ３７の入力端子に接続される。これらの電位が同一になるように、オペアンプ３７はヒーター抵抗体２へ供給される加熱電流をフィードバック制御する。ここでの加熱電流は、オペアンプ３７により制御されるトランジスタ３６が供給する。

　ここで、ダイアフラム１３に歪が発生した時の流量出力から歪の影響を排除する方法を説明する。前述したオペアンプ３７は、入力端子の電位が同一になるようにフィードバック制御している。このことから、以下の関係式を導き出すことができる。ヒーター温度検出抵抗体３：Ｒｈｔ，測温抵抗体４：Ｒｃ，固定抵抗５：Ｒ７，固定抵抗６：Ｒ１，歪検出抵抗１１：Ｒｐ１，歪検出抵抗１２：Ｒｐ２とすると、
　　Ｒ１・｛Ｒｃ＋（Ｒｐ１＋Ｒｐ２）｝＝Ｒｈｔ・Ｒ７
　Ｒｐ＝Ｒｐ１＋Ｒｐ２としてＲｈｔについて展開すると、
　　Ｒｈｔ＝Ｒ１／Ｒ７・（Ｒｃ＋Ｒｐ）
　ここで、実装応力等によりダイアフラム上の抵抗体が抵抗変化を起こしたとすると
　　Ｒｈｔ＋ΔＲｈｔ＝Ｒ１／Ｒ７・（Ｒｃ＋Ｒｐ＋ΔＲｐ）
　　　　　　　　　　＝Ｒ１／Ｒ７・（Ｒｃ＋Ｒｐ）＋Ｒ１／Ｒ７・ΔＲｐ
と導き出せる。ここで一般的に歪による抵抗変化は以下の式で表される。

　　ΔＲ／Ｒ＝Ｋ・ε（Ｋ：ゲージ率，ε：ひずみ）
　　ΔＲ＝Ｋ・ε・Ｒ
　以上のことから歪検出抵抗Ｒｐを以下のように設定すればよい。

　　ΔＲｈｔ＝Ｒ１／Ｒ７・ΔＲｐ
　　Ｋ・ε・Ｒｈｔ＝Ｒ１／Ｒ７・Ｋ・ε・Ｒｐ
　　Ｒｈｔ＝Ｒ１／Ｒ７・Ｒｐ
　　Ｒｐ＝Ｒ７／Ｒ１・Ｒｈｔ
　　Ｒｐ１＋Ｒｐ２＝Ｒ７／Ｒ１・Ｒｈｔ
　以上のように歪検出抵抗を設定することで、ダイアフラム１３に歪が発生した時にヒーター温度制御ブリッジの歪による影響を排除できる。

　空気流量に応じた差動信号は、感温抵抗体７と１０の接続点の電位を示すボンディング端子１６（又は２８）と、感温抵抗体８と９の接続点の電位を示すボンディング端子３０（又は１７）とがＡＤ変換器３９に接続される。そしてＡＤ変換器３９の出力がＤＳＰ４２に入力される。ＤＳＰ４２では、ＲＯＭ４１に格納された調整情報を使用し、所定の特性に調整し出力する。調整された流量信号は、ＤＡ変換器４３または周波数出力変換回路（ＦＲＣ）４４に入力され、電圧信号あるいは周波数信号に変換される。最終的にＲＯＭ４１に格納された情報に基づき切替スイッチであるマルチプレクサ（ＭＰＸ）４５によって電圧信号あるいは周波数信号が流量出力として出力される。

　このように、ヒーター温度検出抵抗体３と、測温抵抗体４と、固定抵抗５，６と、歪検出抵抗１１，１２とがブリッジ回路を構成することにより、ヒーター温度検出抵抗体３を一定温度に制御するブリッジ回路に応力影響の補償を備えることができる。

　図６は、本発明の第３の実施形態である流量センサにおける流量検出素子の平面構造を示す図である。また図７は、本発明の第３の実施形態である流量センサの回路構成を示した図である。この第３の実施形態は、第１の実施形態における歪検出抵抗１１，１２の配置を変更したものである。第１の実施形態では、歪検出抵抗１１，１２を感温抵抗体７～１０と外部端子との接続に使用するボンディング端子１４～３２の間に配置していたが、第３の実施形態では、感温抵抗７～１０を基準にボンディング端子１４～１８，２０～２５，２７～３２との反対側のダイアフラム１３上に配置したものである。回路動作においては、第１の実施形態と同様である。本実施形態は、検出素子１を支持体６０（図９）に搭載する際にボンディング端子側と反対側も接着実装する場合に効果を発揮するものである。

　図８は、本発明の第４の実施形態である流量センサにおける流量検出素子の平面構造を示す図である。この第４の実施形態は、第２の実施形態における歪検出抵抗１１，１２の配置を変更したものである。第２の実施形態では、歪検出抵抗１１，１２を感温抵抗体７～１０と外部端子との接続に使用するボンディング端子１４～３２の間に配置していたが、第４の実施形態では、感温抵抗７～１０を基準にボンディング端子１４～１８，２０～２５，２７～３２との反対側のダイアフラム１３上に配置したものである。本実施形態も第３の実施形態と同様な状況において効果を発揮するものである。

　図９は、本発明の実施形態である流量センサの検出素子１が支持体６０に実装した時の応力影響を示した図である。検出素子１は、支持体６０に形成した窪み部６１（キャビティ）に接着剤６２に接着されている。ここで、環境温度等の変化により検出素子１が支持体６０と接着剤６２から応力を受けた場合、検出素子１上のダイアフラム１３は、凹或いは凸型に変形し、その変形を歪検出抵抗１１，１２が検出することを示している。

　図１０は、本発明の流量センサが実際に使われる状態の実装断面模式図である。

　図１０において、流量センサ５１は吸気管５９内に挿入される形で実装され、吸気管５
９への固定はフランジ５７によって行われる。またハウジング５２には、検出素子１やＡ
ＳＩＣ回路３５が実装された支持体６０が取り付けられる。

　吸気管５９内に流れる空気流５６は、空気取り入れ口５３によって流量センサ５１内に
分流され、バイパス通路５５を通って検出素子１上を迂回し、通路出口５４からメイン吸
気管５９内に戻される。

１　検出素子
２　ヒーター抵抗体
３　ヒーター温度検出抵抗体
４　測温抵抗体
５，６，３３，３４　固定抵抗
７，８　上流側感温抵抗体
９，１０　下流側感温抵抗体
１１，１２　歪検出抵抗
１３　ダイアフラム
１４～３２　ボンディング端子
３５　ＡＳＩＣ回路
３６　トランジスタ
３７　オペアンプ
３８　電源
３９，４０　ＡＤ変換器
４１　ＲＯＭ
４２　ＤＳＰ
４３　ＤＡ変換器
４４　周波数出力変換回路（ＦＲＣ）
４５　マルチプレクサ（ＭＰＸ）
４６　流量検出部
４７　歪検出部
４８～５０　演算器
５１　流量センサ
５２　ハウジング
５３　空気取り入れ口
５４　通路出口
５５　バイパス通路
５６　空気流
５７　フランジ
５８　ベース
５９　吸気管
６０　支持体
６１　キャビティ
６２　接着剤

Claims

　基板と、前記基板に形成されたダイアフラムと、前記ダイアフラム上に形成された発熱抵抗体および温度検出抵抗体とを有し、前記発熱抵抗体を加熱することによって被測定流体の流量を検出する熱式流量センサにおいて、
　前記ダイアフラム上の前記発熱抵抗体に対して被測定流体の流れの上流側および下流側に歪検出抵抗体が形成されており、
　前記歪検出抵抗体によって前記ダイアフラム上に発生する歪量を検出し、
　前記検出された歪量に基づいて前記発熱抵抗体と前記温度検出抵抗体が検出する流量信号の歪補償を行うことを特徴とする熱式流量センサ。
　請求項１記載の熱式流量センサにおいて、
　前記歪検出抵抗体は、前記発熱抵抗体と前記温度検出抵抗体とに電気的に接続され、
　前記発熱抵抗体を一定温度に制御するブリッジ回路に応力影響の補償を備えたことを特徴とする熱式流量センサ。
　請求項１記載の熱式流量センサにおいて、
　前記歪検出抵抗体は、外部端子と電気的に接続するためのボンディングパッドと前記温度検出抵抗体との間に配置されることを特徴とする熱式流量センサ。
　請求項１記載の熱式流量センサにおいて、
　前記歪検出抵抗体は、ポリシリコンあるいは拡散抵抗で形成されることを特徴とする熱式流量センサ。
　請求項１記載の熱式流量センサにおいて、
　前記歪検出抵抗体及び固定抵抗から構成されるブリッジ回路の出力を取り込む第一のＡＤ変換器と、
　前記温度検出抵抗体から構成されるブリッジ回路からの出力を取り込む第二のＡＤ変換器と、
　予め調整情報が格納されたメモリとを有し、
　前記メモリの調整情報に基づき、前記温度検出抵抗体から構成されるブリッジ回路の出力から前記歪検出抵抗体が検出する前記ダイアフラム上に発生する歪分を補償することを特徴とする熱式流量センサ。
　請求項１記載の熱式流量センサにおいて、
　前記発熱抵抗体と前記温度検出抵抗体と前記歪検出抵抗体とからブリッジ回路を構成し、前記発熱抵抗体を一定温度に制御するように制御することを特徴とした熱式流量センサ。
　請求項１記載の熱式流量センサにおいて、
　前記歪検出抵抗体をダイアフラムの長手方向及び短手方向それぞれに配置したことを特徴とする熱式流量センサ。
　請求項１記載の熱式流量センサにおいて、
　前記温度検出抵抗体と外部端子とを接続するボンディングパッドの反対側に前記歪検出抵抗体を配置することを特徴とする熱式流量センサ。
　請求項１記載の熱式流量センサにおいて、
　前記発熱抵抗体と前記温度検出抵抗体と前記歪検出抵抗体とが同一材料で構成されることを特徴とする熱式流量センサ。