JP3433124B2 - 熱式空気流量センサ - Google Patents
熱式空気流量センサInfo
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- G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
- G01F1/684—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
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- G01F1/688—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow using a particular type of heating, cooling or sensing element
- G01F1/69—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow using a particular type of heating, cooling or sensing element of resistive type
- G01F1/692—Thin-film arrangements
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- Measuring Volume Flow (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、発熱抵抗体を用い
て空気流量を計測する熱式空気流量センサに係り、例え
ば、内燃機関の吸入空気流量等を測定するのに好適な熱
式空気流量センサに関する。
て空気流量を計測する熱式空気流量センサに係り、例え
ば、内燃機関の吸入空気流量等を測定するのに好適な熱
式空気流量センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、熱式空気流量センサは、自動
車などの内燃機関の吸入空気通路に流れる吸入空気量を
測定するセンサとして用いられ、特に、質量流量を直接
検知できるものとして評価されている。
車などの内燃機関の吸入空気通路に流れる吸入空気量を
測定するセンサとして用いられ、特に、質量流量を直接
検知できるものとして評価されている。
【０００３】近年、このような熱式空気流量センサにお
いて、シリコン（Ｓｉ）等の半導体基板上に半導体微細
加工技術を用いて製造された熱式空気流量センサが、比
較的容易にしかも大量生産方式で生産できることから経
済性があり、また、低電力で駆動できることから注目さ
れてきている。
いて、シリコン（Ｓｉ）等の半導体基板上に半導体微細
加工技術を用いて製造された熱式空気流量センサが、比
較的容易にしかも大量生産方式で生産できることから経
済性があり、また、低電力で駆動できることから注目さ
れてきている。
【０００４】このような従来の半導体技術を用いた熱式
空気流量センサの基本的な原理方式としては、例えば、
図１２に示すものがある。
空気流量センサの基本的な原理方式としては、例えば、
図１２に示すものがある。
【０００５】図１２の（ａ）は熱式空気流量センサの回
路図、（ｂ）はこの空気流量センサに用いる空気流量測
定用の発熱抵抗体Ｒｈ及び空気温度測温抵抗体Ｒｃの半
導体基板３００上のレイアウトを示す平面図である。
路図、（ｂ）はこの空気流量センサに用いる空気流量測
定用の発熱抵抗体Ｒｈ及び空気温度測温抵抗体Ｒｃの半
導体基板３００上のレイアウトを示す平面図である。
【０００６】本例の発熱抵抗体Ｒｈは空気流量測定素子
とヒータの双方を兼ねるものであり、一方、空気温度測
温抵抗体Ｒｃは吸入空気の温度が変化しても、上記発熱
抵抗体と空気温度の温度差を一定に保つための制御に用
いられる。これらの抵抗体Ｒｈ及びＲｃは、温度に対す
る抵抗値の変化の方向性に共通性を有する感温抵抗体よ
り成る。発熱抵抗体Ｒｈには発熱を生じさせる大きな電
流が流れ、空気温度測温抵抗体Ｒｃには、発熱がほとん
ど生じない微小電流が流れるように、それぞれの抵抗値
が設定されて、これらの発熱抵抗体Ｒｈと空気温度測温
抵抗体Ｒｃとが固定抵抗Ｒ１，Ｒ２とともにブリッジ回
路を構成する。抵抗Ｒｈ・Ｒ１間の電圧及び抵抗Ｒｃ・
Ｒ２間の電圧がオペアンプＯｐに入力され、空気流量に
応じて発熱抵抗体Ｒｈで奪われる熱量が変化しても、オ
ペアンプＯｐ及びトランジスタＴｒを介して発熱抵抗体
Ｒｈに空気温度（空気温度測温抵抗体Ｒｃ）との温度差
が所定温度ΔＴｈになるように発熱抵抗体Ｒｈに流れる
加熱電流を制御する。この加熱電流の値が空気流量に対
応した値となり、この電流を抵抗Ｒ１で電圧に置き換え
て、空気流量が検出される。
とヒータの双方を兼ねるものであり、一方、空気温度測
温抵抗体Ｒｃは吸入空気の温度が変化しても、上記発熱
抵抗体と空気温度の温度差を一定に保つための制御に用
いられる。これらの抵抗体Ｒｈ及びＲｃは、温度に対す
る抵抗値の変化の方向性に共通性を有する感温抵抗体よ
り成る。発熱抵抗体Ｒｈには発熱を生じさせる大きな電
流が流れ、空気温度測温抵抗体Ｒｃには、発熱がほとん
ど生じない微小電流が流れるように、それぞれの抵抗値
が設定されて、これらの発熱抵抗体Ｒｈと空気温度測温
抵抗体Ｒｃとが固定抵抗Ｒ１，Ｒ２とともにブリッジ回
路を構成する。抵抗Ｒｈ・Ｒ１間の電圧及び抵抗Ｒｃ・
Ｒ２間の電圧がオペアンプＯｐに入力され、空気流量に
応じて発熱抵抗体Ｒｈで奪われる熱量が変化しても、オ
ペアンプＯｐ及びトランジスタＴｒを介して発熱抵抗体
Ｒｈに空気温度（空気温度測温抵抗体Ｒｃ）との温度差
が所定温度ΔＴｈになるように発熱抵抗体Ｒｈに流れる
加熱電流を制御する。この加熱電流の値が空気流量に対
応した値となり、この電流を抵抗Ｒ１で電圧に置き換え
て、空気流量が検出される。
【０００７】図１２（ｂ）に示すように、半導体基板３
００上に半導体微細加工により発熱抵抗体Ｒｈ及び空気
温度測温抵抗体Ｒｃを形成する場合には、シリコン（Ｓ
ｉ）等の半導体基板３００上に電気絶縁膜（電気絶縁
層）を介して発熱抵抗体Ｒｈ及びＲｃを形成するが、発
熱抵抗体Ｒｈについては、半導体基板３００の一部を除
去して空間（空洞部）３０１を確保し、この除去空間３
０１上に発熱抵抗体Ｒｈ全体を電気絶縁膜を介して配置
している。このようにして、発熱抵抗体Ｒｈの熱が半導
体基板３００を伝わって逃げるのを防止する（空気流量
以外による放熱をできるだけ防ぐ）。一方、空気温度測
温抵抗体Ｒｃは、空気温度の測温精度を高めるため、発
熱性を極力抑える必要があり、そのため、上記の除去空
間３０１から外れて半導体基板３００上に配置されてい
る。
００上に半導体微細加工により発熱抵抗体Ｒｈ及び空気
温度測温抵抗体Ｒｃを形成する場合には、シリコン（Ｓ
ｉ）等の半導体基板３００上に電気絶縁膜（電気絶縁
層）を介して発熱抵抗体Ｒｈ及びＲｃを形成するが、発
熱抵抗体Ｒｈについては、半導体基板３００の一部を除
去して空間（空洞部）３０１を確保し、この除去空間３
０１上に発熱抵抗体Ｒｈ全体を電気絶縁膜を介して配置
している。このようにして、発熱抵抗体Ｒｈの熱が半導
体基板３００を伝わって逃げるのを防止する（空気流量
以外による放熱をできるだけ防ぐ）。一方、空気温度測
温抵抗体Ｒｃは、空気温度の測温精度を高めるため、発
熱性を極力抑える必要があり、そのため、上記の除去空
間３０１から外れて半導体基板３００上に配置されてい
る。
【０００８】図１３は、熱式空気流量センサの他の公知
例の原理図である。
例の原理図である。
【０００９】本例は、発熱抵抗体Ｒｈによって加熱され
る測温抵抗体Ｒｓ（測温抵抗体Ｒｓはいわば発熱抵抗体
Ｒｈの熱を検出する感温抵抗体である）と空気温度測温
抵抗体Ｒｃ，及び固定抵抗Ｒ１，Ｒ２でブリッジ回路を
構成する。抵抗Ｒｓ・Ｒ１間の電圧及び抵抗Ｒｃ・Ｒ２
間の電圧がオペアンプＯｐ１に入力され、空気流量に応
じて発熱抵抗体Ｒｈで奪われる熱量が変化しても、上記
ブリッジ回路及びオペアンプＯｐ１及びトランジスタＴ
ｒを介して、測温抵抗体Ｒｓひいては発熱抵抗体Ｒｈに
空気温度（空気温度測温抵抗体Ｒｃ）との温度差が所定
温度になるように発熱抵抗体Ｒｈに流れる加熱電流を制
御する。このようにして温度管理される発熱抵抗体Ｒｈ
は、Ｒｈよりも上流側に配置される測温抵抗体Ｒｕ及び
下流側に配置される測温抵抗体Ｒｄも加熱し、この測温
抵抗体Ｒｕ，Ｒｄが固定抵抗Ｒ１′，Ｒ２′とともにブ
リッジ回路を構成する。空気流が発生すると、その空気
流量に応じて上流，下流側の測温抵抗体Ｒｕ，Ｒｄで奪
われる熱量にその抵抗体の配置関係から差が生じ、その
差をオペアンプＯｐ２で検出することで、空気流量を検
出することができる。
る測温抵抗体Ｒｓ（測温抵抗体Ｒｓはいわば発熱抵抗体
Ｒｈの熱を検出する感温抵抗体である）と空気温度測温
抵抗体Ｒｃ，及び固定抵抗Ｒ１，Ｒ２でブリッジ回路を
構成する。抵抗Ｒｓ・Ｒ１間の電圧及び抵抗Ｒｃ・Ｒ２
間の電圧がオペアンプＯｐ１に入力され、空気流量に応
じて発熱抵抗体Ｒｈで奪われる熱量が変化しても、上記
ブリッジ回路及びオペアンプＯｐ１及びトランジスタＴ
ｒを介して、測温抵抗体Ｒｓひいては発熱抵抗体Ｒｈに
空気温度（空気温度測温抵抗体Ｒｃ）との温度差が所定
温度になるように発熱抵抗体Ｒｈに流れる加熱電流を制
御する。このようにして温度管理される発熱抵抗体Ｒｈ
は、Ｒｈよりも上流側に配置される測温抵抗体Ｒｕ及び
下流側に配置される測温抵抗体Ｒｄも加熱し、この測温
抵抗体Ｒｕ，Ｒｄが固定抵抗Ｒ１′，Ｒ２′とともにブ
リッジ回路を構成する。空気流が発生すると、その空気
流量に応じて上流，下流側の測温抵抗体Ｒｕ，Ｒｄで奪
われる熱量にその抵抗体の配置関係から差が生じ、その
差をオペアンプＯｐ２で検出することで、空気流量を検
出することができる。
【００１０】このようなタイプの場合であっても、発熱
抵抗体Ｒｈと空気温度との温度差を所定温度差に保持す
るために用いる空気温度測温抵抗体Ｒｃは、図１３
（ｂ）に示すように、半導体基板３００上に除去空間部
３０１を外して配置され、一方、発熱抵抗体Ｒｈやそれ
により加熱されることを意図する測温抵抗体Ｒｓ，Ｒ
ｕ，Ｒｄは、それらの抵抗全体が除去空間部３０１上に
電気絶縁層（電気絶縁膜）を介して配置される。
抵抗体Ｒｈと空気温度との温度差を所定温度差に保持す
るために用いる空気温度測温抵抗体Ｒｃは、図１３
（ｂ）に示すように、半導体基板３００上に除去空間部
３０１を外して配置され、一方、発熱抵抗体Ｒｈやそれ
により加熱されることを意図する測温抵抗体Ｒｓ，Ｒ
ｕ，Ｒｄは、それらの抵抗全体が除去空間部３０１上に
電気絶縁層（電気絶縁膜）を介して配置される。
【００１１】これらの原理を利用した熱式空気流量セン
サとしては、例えば、特開平２−２５９５２７号公報、
特開平４−３２０９２７号公報、特開平６−２７３２０
８号公報、特開平６−５０７８３号公報、特開平８−１
４９７６号公報、特開平１０−１６０５３８号公報、特
表平１０−５００４９０号公報等に記載されたものがあ
る。
サとしては、例えば、特開平２−２５９５２７号公報、
特開平４−３２０９２７号公報、特開平６−２７３２０
８号公報、特開平６−５０７８３号公報、特開平８−１
４９７６号公報、特開平１０−１６０５３８号公報、特
表平１０−５００４９０号公報等に記載されたものがあ
る。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】上記した従来技術に
は、吸入空気流に含まれる塵埃などの汚損物質が熱式空
気流量センサ素子表面へ付着、堆積した場合による空気
流量検出誤差に関して十分な配慮がされておらず、使用
を続けていくと、以下に述べる理由により初期精度を維
持できない結果を招くことが予想される。
は、吸入空気流に含まれる塵埃などの汚損物質が熱式空
気流量センサ素子表面へ付着、堆積した場合による空気
流量検出誤差に関して十分な配慮がされておらず、使用
を続けていくと、以下に述べる理由により初期精度を維
持できない結果を招くことが予想される。
【００１３】内燃機関の吸入空気に含まれる、前記熱式
空気流量センサに対する汚損物質としては、例えば、砂
に代表される固体粒子に含まれるＳｉ、Ｆｅ、Ｃａ、Ｍ
ｇ、Ｎａ、および融雪剤に含まれるＮａＣｌ、ＭｇＣｌ
2、ＣａＣｌ2、および排気ガス、ブローバイガスに含ま
れるエンジンオイル、Ｈ2Ｏ、Ｃ、および湿式エアクリ
ーナのエアフィルターの含浸オイルなどが挙げられ、上
記の物質は、例えば、分子間引力、液架橋力、静電気
力、およびそれらの複合力などにより、熱式空気流量セ
ンサ素子表面に付着する。
空気流量センサに対する汚損物質としては、例えば、砂
に代表される固体粒子に含まれるＳｉ、Ｆｅ、Ｃａ、Ｍ
ｇ、Ｎａ、および融雪剤に含まれるＮａＣｌ、ＭｇＣｌ
2、ＣａＣｌ2、および排気ガス、ブローバイガスに含ま
れるエンジンオイル、Ｈ2Ｏ、Ｃ、および湿式エアクリ
ーナのエアフィルターの含浸オイルなどが挙げられ、上
記の物質は、例えば、分子間引力、液架橋力、静電気
力、およびそれらの複合力などにより、熱式空気流量セ
ンサ素子表面に付着する。
【００１４】汚損物質が熱式空気流量センサ素子表面に
付着すると、付着物により発熱抵抗体から空気中への熱
伝導及び熱伝達の様相が変化するため、吸入空気流量の
計測精度が不十分となる。このような問題は、図１２，
図１３で示したタイプの異なる熱式空気流量センサであ
っても生じる可能性を有している。
付着すると、付着物により発熱抵抗体から空気中への熱
伝導及び熱伝達の様相が変化するため、吸入空気流量の
計測精度が不十分となる。このような問題は、図１２，
図１３で示したタイプの異なる熱式空気流量センサであ
っても生じる可能性を有している。
【００１５】本発明は以上の点に鑑みてなされ、その目
的は、吸入空気に含まれる汚損物質の付着，堆積による
熱式空気流量センサの特性変化を補正し、初期精度を維
持できる熱式空気流量センサを提供することにある。
的は、吸入空気に含まれる汚損物質の付着，堆積による
熱式空気流量センサの特性変化を補正し、初期精度を維
持できる熱式空気流量センサを提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】本発明の基本的な構成は
次の通りである。
次の通りである。
【００１７】半導体微細加工により形成される発熱抵抗
体及び空気温度測温抵抗体を用いて空気流量を測定する
熱式空気流量センサにおいて、半導体基板の一部が除去
されて、この除去空間上に電気絶縁層を介して前記発熱
抵抗体と前記空気温度測温抵抗体の一部とが形成されて
おり、前記空気温度測温抵抗体の残りの部分が前記除去
空間から外れて前記半導体基板上に電気絶縁層を介して
形成され、前記空気温度測温抵抗体のうち前記除去空間
上に位置する部分の電圧を検出する手段と、この検出電
圧を用いて空気流量計測誤差を補正する手段と、を備え
ていることを特徴とする。
体及び空気温度測温抵抗体を用いて空気流量を測定する
熱式空気流量センサにおいて、半導体基板の一部が除去
されて、この除去空間上に電気絶縁層を介して前記発熱
抵抗体と前記空気温度測温抵抗体の一部とが形成されて
おり、前記空気温度測温抵抗体の残りの部分が前記除去
空間から外れて前記半導体基板上に電気絶縁層を介して
形成され、前記空気温度測温抵抗体のうち前記除去空間
上に位置する部分の電圧を検出する手段と、この検出電
圧を用いて空気流量計測誤差を補正する手段と、を備え
ていることを特徴とする。
【００１８】空気温度測温抵抗体の抵抗値は、発熱抵抗
体よりも十分に大きくして、発熱を抑えるために微少の
電流が流れる。この電流により空気温度測温抵抗体は僅
かながら発熱しようとするが、空気温度測温抵抗体の大
部分は前記半導体基板の除去空間部から外れた位置に設
けてあるので、電気絶縁層を介して半導体基板の方に熱
伝導するため、空気温度測温抵抗体はほとんど発熱しな
い。
体よりも十分に大きくして、発熱を抑えるために微少の
電流が流れる。この電流により空気温度測温抵抗体は僅
かながら発熱しようとするが、空気温度測温抵抗体の大
部分は前記半導体基板の除去空間部から外れた位置に設
けてあるので、電気絶縁層を介して半導体基板の方に熱
伝導するため、空気温度測温抵抗体はほとんど発熱しな
い。
【００１９】ただし、本発明では、前記除去空間部上に
空気温度測温抵抗体の一部を配置したので、この空気温
度測温抵抗体の一部については、前記除去空間部により
熱絶縁されるので、半導体基板への熱伝導がほとんど無
くなるため、僅かながら自己発熱する。この自己発熱
は、流れる電流値以外は発熱抵抗体と全く同じ発熱の仕
方である。また、空気温度測温抵抗体は、発熱抵抗体と
全く同様に吸入空気に触れているため、発熱抵抗体と同
様に汚損物質が付着する。従って、汚損物質の付着によ
り、発熱抵抗体と同様に熱伝導及び熱伝達に変化が生じ
る。
空気温度測温抵抗体の一部を配置したので、この空気温
度測温抵抗体の一部については、前記除去空間部により
熱絶縁されるので、半導体基板への熱伝導がほとんど無
くなるため、僅かながら自己発熱する。この自己発熱
は、流れる電流値以外は発熱抵抗体と全く同じ発熱の仕
方である。また、空気温度測温抵抗体は、発熱抵抗体と
全く同様に吸入空気に触れているため、発熱抵抗体と同
様に汚損物質が付着する。従って、汚損物質の付着によ
り、発熱抵抗体と同様に熱伝導及び熱伝達に変化が生じ
る。
【００２０】上記のように空気温度測温抵抗体の一部に
自己発熱性を与えた場合、上記のようにこの空気温度測
温抵抗体に汚損物質が付着して熱伝導及び熱伝達が変化
すると、空気温度測温抵抗体に所定の電圧を印加しても
発熱の様相ひいてはその抵抗特性に変化が生じその特性
変化に付随した電圧の変化が生じる。したがって、空気
温度測温抵抗体の一部（発熱性を与えた箇所）の電圧
（電位差）を検出すると、汚損物質付着による発熱抵抗
体の特性変化を間接的に検知することができ、この検出
電圧の変化を利用して、空気流量検出値を補正すること
が可能になる。
自己発熱性を与えた場合、上記のようにこの空気温度測
温抵抗体に汚損物質が付着して熱伝導及び熱伝達が変化
すると、空気温度測温抵抗体に所定の電圧を印加しても
発熱の様相ひいてはその抵抗特性に変化が生じその特性
変化に付随した電圧の変化が生じる。したがって、空気
温度測温抵抗体の一部（発熱性を与えた箇所）の電圧
（電位差）を検出すると、汚損物質付着による発熱抵抗
体の特性変化を間接的に検知することができ、この検出
電圧の変化を利用して、空気流量検出値を補正すること
が可能になる。
【００２１】なお、発熱抵抗体と空気温度の差を一定に
保つための制御に用いる空気温度測温抵抗体は、本来は
発熱性をできるだけ抑制することが好ましいが、本発明
のように空気温度測温抵抗体の一部だけに発熱性を与え
た場合には、ほとんど空気流量測定精度に支障をきたす
ことがなく、かえって、汚損物質付着による発熱抵抗体
の特性変化に伴う計測誤差を補正することで、空気流量
精度の向上に貢献することになる。
保つための制御に用いる空気温度測温抵抗体は、本来は
発熱性をできるだけ抑制することが好ましいが、本発明
のように空気温度測温抵抗体の一部だけに発熱性を与え
た場合には、ほとんど空気流量測定精度に支障をきたす
ことがなく、かえって、汚損物質付着による発熱抵抗体
の特性変化に伴う計測誤差を補正することで、空気流量
精度の向上に貢献することになる。
【００２２】なお、空気温度測温抵抗体を発熱させると
いう事例として、特開平８−１４９７６号公報に記載の
技術がある。この従来技術は、熱式空気流量センサの応
答速度向上を目的としたものであり、空気温度測温抵抗
体全体を加熱している。本発明では、空気温度測温抵抗
体全体を加熱しておらず、また、空気温度測温抵抗体の
一部電圧（空気温度測温抵抗体のうち半導体基板の除去
空間部上に部分的に配置される抵抗部の電圧）を計測誤
差補正に利用している点で、特開平８−０１４９７６号
公報に記載の技術とは相違する。
いう事例として、特開平８−１４９７６号公報に記載の
技術がある。この従来技術は、熱式空気流量センサの応
答速度向上を目的としたものであり、空気温度測温抵抗
体全体を加熱している。本発明では、空気温度測温抵抗
体全体を加熱しておらず、また、空気温度測温抵抗体の
一部電圧（空気温度測温抵抗体のうち半導体基板の除去
空間部上に部分的に配置される抵抗部の電圧）を計測誤
差補正に利用している点で、特開平８−０１４９７６号
公報に記載の技術とは相違する。
【００２３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面を参照しながら説明する。
図面を参照しながら説明する。
【００２４】図１は本発明に係る熱式空気流量センサの
第１実施例に係り、特に検出部（検出エレメント）１１
０の平面図、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。
第１実施例に係り、特に検出部（検出エレメント）１１
０の平面図、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。
【００２５】本実施例による熱式空気流量センサ素子１
１０（以下、エレメントと称する）に用いる要素のう
ち、符号１４０ａ，１４０ｂで示す抵抗体が図１２，１
３で述べた発熱抵抗体Ｒｈに相当するが、本例では、空
気流の方向性も検出するために、内燃機関の吸気管の本
来の空気流１０ａの方向を基準にして上流側発熱抵抗体
１４０ａと下流側発熱抵抗体１４０ｂとに分けて、これ
らの抵抗体１４０ａ，１４０ｂを直列に接続し、また、
抵抗体１４０ａ・１４０ｂ間の電圧を引出線１５０ｅ，
端子１６０ｅ及び引出線１５０ｆ，端子１６０ｆを介し
て引き出せるようにしてある。上流側発熱抵抗体１４０
ａ，下流側発熱抵抗体１４０ｂを用いての方向性検知原
理は、後述する。
１０（以下、エレメントと称する）に用いる要素のう
ち、符号１４０ａ，１４０ｂで示す抵抗体が図１２，１
３で述べた発熱抵抗体Ｒｈに相当するが、本例では、空
気流の方向性も検出するために、内燃機関の吸気管の本
来の空気流１０ａの方向を基準にして上流側発熱抵抗体
１４０ａと下流側発熱抵抗体１４０ｂとに分けて、これ
らの抵抗体１４０ａ，１４０ｂを直列に接続し、また、
抵抗体１４０ａ・１４０ｂ間の電圧を引出線１５０ｅ，
端子１６０ｅ及び引出線１５０ｆ，端子１６０ｆを介し
て引き出せるようにしてある。上流側発熱抵抗体１４０
ａ，下流側発熱抵抗体１４０ｂを用いての方向性検知原
理は、後述する。
【００２６】符号１４０ｃ，１４０ｄで示す抵抗体が、
図１２，図１３で述べた空気温度測温抵抗体（感温抵抗
体）Ｒｃに相当する。
図１２，図１３で述べた空気温度測温抵抗体（感温抵抗
体）Ｒｃに相当する。
【００２７】図２に示すように、単結晶シリコン基板
（半導体基板）１２０上に電気絶縁層（電気絶縁膜）１
３０を形成し、その上に上流側発熱抵抗体１４０ａ、下
流側発熱抵抗体１４０ｂ，空気温度測温抵抗体１４０ｃ
（１４０ｄを含む）とが形成されている。
（半導体基板）１２０上に電気絶縁層（電気絶縁膜）１
３０を形成し、その上に上流側発熱抵抗体１４０ａ、下
流側発熱抵抗体１４０ｂ，空気温度測温抵抗体１４０ｃ
（１４０ｄを含む）とが形成されている。
【００２８】上流側発熱抵抗体１４０ａは吸入空気流１
０ａの方向に対して上流側に配置されており、下流側発
熱抵抗体１４０ｂは上流側発熱抵抗体１４０ａの下流側
に配置されている。空気温度測温抵抗体１４０ｃは吸入
空気の温度を測定する。
０ａの方向に対して上流側に配置されており、下流側発
熱抵抗体１４０ｂは上流側発熱抵抗体１４０ａの下流側
に配置されている。空気温度測温抵抗体１４０ｃは吸入
空気の温度を測定する。
【００２９】これらの各抵抗体は、多結晶シリコンに不
純物としてリン（Ｐ）をドーピングした材料である。
純物としてリン（Ｐ）をドーピングした材料である。
【００３０】上流側発熱抵抗体１４０ａと下流側発熱抵
抗体１４０ｂとは、図２を用いて後述するように単結晶
シリコン基板１２０に形成された空洞部（基板１２０の
一部を除去した空間）１２１の上に膜状の電気絶縁層１
３０を介して微細加工技術により形成されている。ま
た、空気温度測温抵抗体１４０ｃの一部１４０ｄも電気
絶縁層１３０を介して空洞部１２１上に位置するように
引き出されて形成されている。空気温度測温抵抗体１４
０ｃの残りの部分は、空洞部１２１上から外れた単結晶
シリコン基板１２０上に形成され、発熱抵抗体１４０
ａ，１４０ｂからの熱の影響をほとんど受けないように
してある。
抗体１４０ｂとは、図２を用いて後述するように単結晶
シリコン基板１２０に形成された空洞部（基板１２０の
一部を除去した空間）１２１の上に膜状の電気絶縁層１
３０を介して微細加工技術により形成されている。ま
た、空気温度測温抵抗体１４０ｃの一部１４０ｄも電気
絶縁層１３０を介して空洞部１２１上に位置するように
引き出されて形成されている。空気温度測温抵抗体１４
０ｃの残りの部分は、空洞部１２１上から外れた単結晶
シリコン基板１２０上に形成され、発熱抵抗体１４０
ａ，１４０ｂからの熱の影響をほとんど受けないように
してある。
【００３１】エレメント１１０の端部（基板１２０の端
部）には、端子電極１６０ａ〜１６０ｇが形成されてい
る。
部）には、端子電極１６０ａ〜１６０ｇが形成されてい
る。
【００３２】上流側発熱抵抗体１４０ａの一端は、引出
線１５０ｅにより端子電極１６０ｅに接続され、下流側
発熱抵抗体１４０ｂの一端は引出線１５０ｆにより、端
子電極１６０ｆに接続されている。上流側発熱抵抗体１
４０ａと下流側発熱抵抗体１４０ｂの接続点１７０は引
出線１５０ｇにより端子電極１６０ｇに接続されてい
る。
線１５０ｅにより端子電極１６０ｅに接続され、下流側
発熱抵抗体１４０ｂの一端は引出線１５０ｆにより、端
子電極１６０ｆに接続されている。上流側発熱抵抗体１
４０ａと下流側発熱抵抗体１４０ｂの接続点１７０は引
出線１５０ｇにより端子電極１６０ｇに接続されてい
る。
【００３３】空気温度測温抵抗体１４０ｃの両端は、そ
れぞれ引出線１５０ｂ，１５０ｃにより端子電極１６０
ｂ，１６０ｃに接続されている。また、空気温度測温抵
抗体の一部１４０ｄの電圧（電位差）を検出するための
引出線１５０ａ，１５０ｄが端子電極１６０ａ，１６０
ｄに接続されている。
れぞれ引出線１５０ｂ，１５０ｃにより端子電極１６０
ｂ，１６０ｃに接続されている。また、空気温度測温抵
抗体の一部１４０ｄの電圧（電位差）を検出するための
引出線１５０ａ，１５０ｄが端子電極１６０ａ，１６０
ｄに接続されている。
【００３４】上記した抵抗体及び引出線，端子電極を設
けた基板１２０上は、端子電極１６０ａ〜１６０ｇ以外
の部分が保護層１８０により覆われている。
けた基板１２０上は、端子電極１６０ａ〜１６０ｇ以外
の部分が保護層１８０により覆われている。
【００３５】エレメント１１０の実寸の大きさは、例え
ば図示の例では、短辺が２ｍｍ、長辺が６ｍｍ程度であ
る。
ば図示の例では、短辺が２ｍｍ、長辺が６ｍｍ程度であ
る。
【００３６】次に図２を用いて、エレメント１１０の断
面構造について詳述する。
面構造について詳述する。
【００３７】単結晶シリコン基板１２０の上には、電気
絶縁層１３０となる二酸化シリコン（ＳｉＯ2）層１３
０ａ及び窒化シリコン（Ｓｉ3Ｎ4）層１３０ｂが積層さ
れる。二酸化シリコン層１３０ａは単結晶シリコン基板
１２０に比較して熱膨張係数が約１／１０と小さいた
め、その上に、単結晶シリコン基板１２０より熱膨張係
数が若干大きく、しかも機械的強度に優れる窒化シリコ
ン層１３０ｂを形成することにより、単結晶シリコン基
板１２０と電気絶縁層１３０間の熱応力を低減して強度
を向上させている。
絶縁層１３０となる二酸化シリコン（ＳｉＯ2）層１３
０ａ及び窒化シリコン（Ｓｉ3Ｎ4）層１３０ｂが積層さ
れる。二酸化シリコン層１３０ａは単結晶シリコン基板
１２０に比較して熱膨張係数が約１／１０と小さいた
め、その上に、単結晶シリコン基板１２０より熱膨張係
数が若干大きく、しかも機械的強度に優れる窒化シリコ
ン層１３０ｂを形成することにより、単結晶シリコン基
板１２０と電気絶縁層１３０間の熱応力を低減して強度
を向上させている。
【００３８】窒化シリコン層１３０ｂの上に、多結晶シ
リコンに不純物としてＰを高濃度にドーピングした各抵
抗体１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄ及び引出
線１５０ａ〜１５０ｇが形成される。
リコンに不純物としてＰを高濃度にドーピングした各抵
抗体１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄ及び引出
線１５０ａ〜１５０ｇが形成される。
【００３９】各抵抗体１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，
１４０ｄ及び引出線１５０ａ〜１５０ｇの上に、窒化シ
リコン層１８０ｂ及び二酸化シリコン層１８０ａの積層
構造よりなる保護層１８０が形成される。保護層１８０
は吸入空気中に含まれる油，水，汚損物質等から各抵抗
体１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄを保護する
ために形成される。
１４０ｄ及び引出線１５０ａ〜１５０ｇの上に、窒化シ
リコン層１８０ｂ及び二酸化シリコン層１８０ａの積層
構造よりなる保護層１８０が形成される。保護層１８０
は吸入空気中に含まれる油，水，汚損物質等から各抵抗
体１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄを保護する
ために形成される。
【００４０】単結晶シリコン基板１２０のほゞ中央部に
発熱抵抗体１４０ａ，１４０ｂの設置箇所が設定してあ
り、この発熱抵抗体設置箇所の下部の領域に基板除去空
間部である空洞部１２１が形成される。
発熱抵抗体１４０ａ，１４０ｂの設置箇所が設定してあ
り、この発熱抵抗体設置箇所の下部の領域に基板除去空
間部である空洞部１２１が形成される。
【００４１】空洞部１２１は、単結晶シリコン基板１２
０を異方性エッチングにより電気絶縁層１３０との境界
面まで除去することで形成される。空洞部（除去空間
部）１２１を形成することにより、発熱抵抗体１４０
ａ，１４０ｂは、電気絶縁層１３０と保護層１８０によ
り支持される構造となり、空洞部１２１により熱絶縁さ
れた構造となる。したがって、空洞部１２１が存在しな
い場合に比較して発熱抵抗体１４０ａ，１４０ｂの熱絶
縁に優れ、熱式空気流量センサの応答速度を向上するこ
とができる。
０を異方性エッチングにより電気絶縁層１３０との境界
面まで除去することで形成される。空洞部（除去空間
部）１２１を形成することにより、発熱抵抗体１４０
ａ，１４０ｂは、電気絶縁層１３０と保護層１８０によ
り支持される構造となり、空洞部１２１により熱絶縁さ
れた構造となる。したがって、空洞部１２１が存在しな
い場合に比較して発熱抵抗体１４０ａ，１４０ｂの熱絶
縁に優れ、熱式空気流量センサの応答速度を向上するこ
とができる。
【００４２】次に、図１、図２を用いて、本実施例によ
るエレメント１１０の製造プロセスについて説明する。
るエレメント１１０の製造プロセスについて説明する。
【００４３】単結晶シリコン基板１２０上に電気絶縁層
１３０として、厚さ約０．４μｍの二酸化シリコン層１
３０ａを熱酸化あるいはＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖ
ａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等の方法で形成後、
厚さ約０．２μｍの窒化シリコン層１３０ｂをＣＶＤ等
の方法で形成する。
１３０として、厚さ約０．４μｍの二酸化シリコン層１
３０ａを熱酸化あるいはＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖ
ａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等の方法で形成後、
厚さ約０．２μｍの窒化シリコン層１３０ｂをＣＶＤ等
の方法で形成する。
【００４４】次に各抵抗体１４０ａ，１４０ｂ，１４０
ｃ，１４０ｄ及び接続線（引出線）１５０ａ〜１５０ｇ
として厚さ約１μｍの多結晶シリコン層をＣＶＤ等の方
法で形成し、不純物としてリンを熱拡散またはイオン注
入によりドーピングする。その後、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、反応性
イオンエッチング等の方法により半導体薄膜をパターニ
ングすることにより各抵抗体１４０ａ，１４０ｂ，１４
０ｃ，１４０ｄ及び接続線１５０ａ〜１５０ｇを形成す
る。
ｃ，１４０ｄ及び接続線（引出線）１５０ａ〜１５０ｇ
として厚さ約１μｍの多結晶シリコン層をＣＶＤ等の方
法で形成し、不純物としてリンを熱拡散またはイオン注
入によりドーピングする。その後、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、反応性
イオンエッチング等の方法により半導体薄膜をパターニ
ングすることにより各抵抗体１４０ａ，１４０ｂ，１４
０ｃ，１４０ｄ及び接続線１５０ａ〜１５０ｇを形成す
る。
【００４５】次に、保護層１８０として厚さ約０．２μ
ｍの窒化シリコン層１８０ｂをＣＶＤ等の方法で形成
後、厚さ約０．４μｍの二酸化シリコン層１８０ａをＣ
ＶＤ等の方法で形成する。その後、端子電極１６０ａ〜
１６０ｇを形成する部分の保護層１８０をエッチングに
より取り除きアルミニウムにより端子電極１６０ａ〜１
６０ｇを形成する。
ｍの窒化シリコン層１８０ｂをＣＶＤ等の方法で形成
後、厚さ約０．４μｍの二酸化シリコン層１８０ａをＣ
ＶＤ等の方法で形成する。その後、端子電極１６０ａ〜
１６０ｇを形成する部分の保護層１８０をエッチングに
より取り除きアルミニウムにより端子電極１６０ａ〜１
６０ｇを形成する。
【００４６】最後に単結晶シリコン基板１２０の裏面よ
り、窒化シリコンをマスク材として、異方性エッチング
により空洞部１２１を形成し、ダイシングすることによ
り熱式空気流量センサのエレメント１１０が得られる。
り、窒化シリコンをマスク材として、異方性エッチング
により空洞部１２１を形成し、ダイシングすることによ
り熱式空気流量センサのエレメント１１０が得られる。
【００４７】次に、図３〜図５を用いて、上記構成のエ
レメント１１０を備えた熱式空気流量センサの構成につ
いて説明する。
レメント１１０を備えた熱式空気流量センサの構成につ
いて説明する。
【００４８】図３はエレメント１１０を備えた熱式空気
流量センサモジュールの一部を省略した平面図、図４は
図３のＢ−Ｂ断面図、図５は前記センサモジュールを吸
入空気通路２４０へ取り付けた状態を示す。
流量センサモジュールの一部を省略した平面図、図４は
図３のＢ−Ｂ断面図、図５は前記センサモジュールを吸
入空気通路２４０へ取り付けた状態を示す。
【００４９】図３に示すように、支持体２００の上にエ
レメント１１０及び信号処理回路２１０が固定される。
レメント１１０及び信号処理回路２１０が固定される。
【００５０】エレメント１１０の複数の端子電極１６０
（１６０ａ〜１６０ｇの総称）は、それぞれ金線２２０
等によるボンディングにより、信号処理回路２１０の複
数の端子電極２３０に接続される。信号処理回路２１０
はアルミナ等の電気絶縁基板２１１の上に形成されてい
る。
（１６０ａ〜１６０ｇの総称）は、それぞれ金線２２０
等によるボンディングにより、信号処理回路２１０の複
数の端子電極２３０に接続される。信号処理回路２１０
はアルミナ等の電気絶縁基板２１１の上に形成されてい
る。
【００５１】図４に示すように、エレメント１１０は、
その単結晶シリコン基板１２０が支持体２００に取付け
られ、空洞部１２１の開口が支持体２００側に面してい
る。
その単結晶シリコン基板１２０が支持体２００に取付け
られ、空洞部１２１の開口が支持体２００側に面してい
る。
【００５２】図５に示すようにエレメント１１０が固定
された支持体２００は、吸入空気通路２４０の内部にあ
る副通路２５０中にエレメント１１０が配置されるよう
に固定される。
された支持体２００は、吸入空気通路２４０の内部にあ
る副通路２５０中にエレメント１１０が配置されるよう
に固定される。
【００５３】次に、本実施形態による熱式空気流量セン
サ１００による空気流量検知の原理について図６の回路
図を用いて説明する。
サ１００による空気流量検知の原理について図６の回路
図を用いて説明する。
【００５４】上流側発熱抵抗体１４０ａ，下流側発熱抵
抗体１４０ｂ，空気温度測温抵抗体１４０ｃ，空気温度
測温抵抗体の一部１４０ｄは、固定抵抗Ｒ１，Ｒ２と共
にブリッジ回路を構成している。上流側発熱抵抗体１４
０ａ及び下流側発熱抵抗体１４０ｂの熱量は空気流量に
応じて奪われるが、オペアンプＯｐ及びトランジスタＴ
ｒにより、上流側発熱抵抗体１４０ａ及び下流側発熱抵
抗体１４０ｂには、空気温度測温抵抗体１４０ｃにより
検出される吸入空気の温度に対して所定温度ΔＴｈ（例
えば、１５０℃）だけ高くなるように加熱電流が制御さ
れる。吸入空気量は発熱抵抗体１４０ａ、１４０ｂから
奪われる熱量に比例するため、発熱抵抗体１４０ａ、１
４０ｂに流れる電流の値が空気量に対応した値となり、
この電流を抵抗Ｒ１で電圧Ｖ２に置き換えて出力する。
抗体１４０ｂ，空気温度測温抵抗体１４０ｃ，空気温度
測温抵抗体の一部１４０ｄは、固定抵抗Ｒ１，Ｒ２と共
にブリッジ回路を構成している。上流側発熱抵抗体１４
０ａ及び下流側発熱抵抗体１４０ｂの熱量は空気流量に
応じて奪われるが、オペアンプＯｐ及びトランジスタＴ
ｒにより、上流側発熱抵抗体１４０ａ及び下流側発熱抵
抗体１４０ｂには、空気温度測温抵抗体１４０ｃにより
検出される吸入空気の温度に対して所定温度ΔＴｈ（例
えば、１５０℃）だけ高くなるように加熱電流が制御さ
れる。吸入空気量は発熱抵抗体１４０ａ、１４０ｂから
奪われる熱量に比例するため、発熱抵抗体１４０ａ、１
４０ｂに流れる電流の値が空気量に対応した値となり、
この電流を抵抗Ｒ１で電圧Ｖ２に置き換えて出力する。
【００５５】次に、本実施形態による熱式空気流量セン
サ１００による空気流の方向検知の原理について図５、
図６を用いて説明する。
サ１００による空気流の方向検知の原理について図５、
図６を用いて説明する。
【００５６】空気流量が零の場合は上流側発熱抵抗体１
４０ａと下流側発熱抵抗体１４０ｂの間に温度差は生じ
ない。それに対して、吸入空気流１０ａが流れる場合に
は、上流側発熱抵抗体１４０ａの方が下流側発熱抵抗体
１４０ｂより、吸入空気流１０ａによる冷却効果が大き
く、また、このとき上流側発熱抵抗体１４０ａと下流側
発熱抵抗体１４０ｂは直列接続であり同じ加熱電流が流
れているため、発熱量は一定であることから、上流側発
熱抵抗体１４０ａの温度の方が下流側発熱抵抗体１４０
ｂよりも低い値となる。また、吸入空気流の流れ方向が
逆流１０ｂの場合には、先ほどの場合とは反対に、下流
側発熱抵抗体１４０ｂの方が上流側発熱抵抗体１４０ａ
より逆流１０ｂによる冷却効果が大きく、下流側発熱抵
抗体１４０ｂの方が上流側発熱抵抗体１４０ａの温度よ
りも低くなる。従って、上流側発熱抵抗体１４０ａと下
流側発熱抵抗体１４０ｂの両端電圧を比較して、両抵抗
体の温度（抵抗値）をオペアンプＯｐ３で比較すること
により、空気流の方向を検出することができる。
４０ａと下流側発熱抵抗体１４０ｂの間に温度差は生じ
ない。それに対して、吸入空気流１０ａが流れる場合に
は、上流側発熱抵抗体１４０ａの方が下流側発熱抵抗体
１４０ｂより、吸入空気流１０ａによる冷却効果が大き
く、また、このとき上流側発熱抵抗体１４０ａと下流側
発熱抵抗体１４０ｂは直列接続であり同じ加熱電流が流
れているため、発熱量は一定であることから、上流側発
熱抵抗体１４０ａの温度の方が下流側発熱抵抗体１４０
ｂよりも低い値となる。また、吸入空気流の流れ方向が
逆流１０ｂの場合には、先ほどの場合とは反対に、下流
側発熱抵抗体１４０ｂの方が上流側発熱抵抗体１４０ａ
より逆流１０ｂによる冷却効果が大きく、下流側発熱抵
抗体１４０ｂの方が上流側発熱抵抗体１４０ａの温度よ
りも低くなる。従って、上流側発熱抵抗体１４０ａと下
流側発熱抵抗体１４０ｂの両端電圧を比較して、両抵抗
体の温度（抵抗値）をオペアンプＯｐ３で比較すること
により、空気流の方向を検出することができる。
【００５７】自動車等の内燃機関で吸入空気通路中に熱
式空気流量センサを装着する場合、通常、空気はエアク
リーナ側からエンジンの方向１０ａに流れているが、内
燃機関の運転条件によってはエンジンからエアクリーナ
の方向に空気が流れる（逆流１０ｂ）ため、上述した方
向検知機能が重要性を持つことになる。
式空気流量センサを装着する場合、通常、空気はエアク
リーナ側からエンジンの方向１０ａに流れているが、内
燃機関の運転条件によってはエンジンからエアクリーナ
の方向に空気が流れる（逆流１０ｂ）ため、上述した方
向検知機能が重要性を持つことになる。
【００５８】次に、熱式空気流量センサ表面に汚損物質
が付着、堆積した場合の特性変化の補正方法について説
明する。
が付着、堆積した場合の特性変化の補正方法について説
明する。
【００５９】熱式空気流量センサ１００を通過する吸入
空気は大気中の汚損物質を取り除くために、エアクリー
ナを通過しているが、全ての汚損物質は除去されず、砂
に代表される固体粒子に含まれるＳｉ，Ｆｅ，Ｃａ，Ｍ
ｇ，Ｎａ、融雪剤に含まれるＮａＣｌ，ＭｇＣｌ2，Ｃ
ａＣｌ2、排気ガス，ブローバイガスに含まれるエンジ
ンオイル，Ｈ2Ｏ、Ｃ、およびエアクリーナのフィルタ
が湿式の場合はフィルタの含浸オイルを含んでいる。
空気は大気中の汚損物質を取り除くために、エアクリー
ナを通過しているが、全ての汚損物質は除去されず、砂
に代表される固体粒子に含まれるＳｉ，Ｆｅ，Ｃａ，Ｍ
ｇ，Ｎａ、融雪剤に含まれるＮａＣｌ，ＭｇＣｌ2，Ｃ
ａＣｌ2、排気ガス，ブローバイガスに含まれるエンジ
ンオイル，Ｈ2Ｏ、Ｃ、およびエアクリーナのフィルタ
が湿式の場合はフィルタの含浸オイルを含んでいる。
【００６０】熱式空気流量センサ素子１１０はこの汚損
物質を含んだ吸入空気に直接触れているために、長時間
の使用により、その表面に汚損物質が付着，堆積する。
図７は汚損物質が付着，堆積した場合の計測誤差を示
す。
物質を含んだ吸入空気に直接触れているために、長時間
の使用により、その表面に汚損物質が付着，堆積する。
図７は汚損物質が付着，堆積した場合の計測誤差を示
す。
【００６１】熱式空気流量センサ素子１１０に汚損物質
が付着，堆積した場合には、図７の汚損物質付着誤差の
ように空気流量に対する出力電圧は、マイナス側にシフ
トする。これは、汚損物質付着前は、発熱抵抗体１４０
ａ，１４０ｂの熱量が保護層１８０に熱伝導し、空気に
熱伝達されるが、汚損物質が付着すると発熱抵抗体１４
０ａ，１４０ｂからの熱量は、保護層１８０，汚損物質
層を熱伝導し、空気に熱伝達される。このように汚損物
質層に熱伝導する熱量の分だけ空気に接する最表面の温
度が下がるため、同じ空気流量に対して、発熱抵抗体に
流れる電流が減少するためである。換言すれば、空気流
量と発熱抵抗体との熱交換感度が鈍くなる。
が付着，堆積した場合には、図７の汚損物質付着誤差の
ように空気流量に対する出力電圧は、マイナス側にシフ
トする。これは、汚損物質付着前は、発熱抵抗体１４０
ａ，１４０ｂの熱量が保護層１８０に熱伝導し、空気に
熱伝達されるが、汚損物質が付着すると発熱抵抗体１４
０ａ，１４０ｂからの熱量は、保護層１８０，汚損物質
層を熱伝導し、空気に熱伝達される。このように汚損物
質層に熱伝導する熱量の分だけ空気に接する最表面の温
度が下がるため、同じ空気流量に対して、発熱抵抗体に
流れる電流が減少するためである。換言すれば、空気流
量と発熱抵抗体との熱交換感度が鈍くなる。
【００６２】そこで本発明では、空気温度測温抵抗体１
４０ｃの一部１４０ｄを、空洞部（基板除去空間部）１
２１上の絶縁層１３０（いわゆる図２の符号１３０´で
示すダイヤフラム）上に配置し、その空気温度測温抵抗
体１４０ｄ両端の電位（電圧）の変化を検出することに
より特性変化の補正を行う。以下、その詳細を説明す
る。
４０ｃの一部１４０ｄを、空洞部（基板除去空間部）１
２１上の絶縁層１３０（いわゆる図２の符号１３０´で
示すダイヤフラム）上に配置し、その空気温度測温抵抗
体１４０ｄ両端の電位（電圧）の変化を検出することに
より特性変化の補正を行う。以下、その詳細を説明す
る。
【００６３】空気温度測温抵抗体１４０ｃは、図１に示
すようにダイヤフラム１３０´外部に配置されており、
その空気温度測温抵抗体の一部１４０ｄが、発熱抵抗体
１４０ａ，１４０ｂと共に図６に示すようにブリッジ回
路を形成している。
すようにダイヤフラム１３０´外部に配置されており、
その空気温度測温抵抗体の一部１４０ｄが、発熱抵抗体
１４０ａ，１４０ｂと共に図６に示すようにブリッジ回
路を形成している。
【００６４】空気温度測温抵抗体１４０ｃの抵抗値は発
熱抵抗体１４０ａ，１４０ｂの抵抗値の２０倍程度であ
るため、空気温度測温抵抗体１４０ｃには発熱抵抗体１
４０ａ，１４０ｂに流れる電流の１／２０程度の電流が
流れる。この電流により空気温度測温抵抗体１４０ｃは
僅かながら発熱しようとするが、電気絶縁層１３０を介
して単結晶シリコン基板１２０の方に熱伝導するため、
空気温度測温抵抗体１４０ｃはほとんど発熱しない。し
かし、空洞部１２１上に電気絶縁層（電気絶縁膜）１３
０´を介して配置された空気温度測温抵抗体の一部１４
０ｄは、空洞部１２１により熱絶縁されるので、単結晶
シリコン基板１２０への熱伝導が無くなるため、僅かな
がら自己発熱する。この自己発熱は、流れる電流値以外
は発熱抵抗体１４０ａ，１４０ｂと全く同じ発熱の仕方
である。また、発熱抵抗体１４０ａ，１４０ｂと全く同
様に吸入空気に触れているため、発熱抵抗体１４０ａ，
１４０ｂと同様に汚損物質が付着する。従って、汚損物
質の付着により、発熱抵抗体１４０ａ，１４０ｂと同様
の熱伝導及び熱伝達の変化をする。ここで、図１に示す
ように空気温度測温抵抗体の一部１４０ｄの両端を、引
出線１５０ａ，１５０ｄにより電極１６０ａ，１６０ｄ
に接続し、その電位差Ｖｒを検出すると、既述したよう
に汚損物質付着による特性変化に付随した電圧の変化が
生じる。
熱抵抗体１４０ａ，１４０ｂの抵抗値の２０倍程度であ
るため、空気温度測温抵抗体１４０ｃには発熱抵抗体１
４０ａ，１４０ｂに流れる電流の１／２０程度の電流が
流れる。この電流により空気温度測温抵抗体１４０ｃは
僅かながら発熱しようとするが、電気絶縁層１３０を介
して単結晶シリコン基板１２０の方に熱伝導するため、
空気温度測温抵抗体１４０ｃはほとんど発熱しない。し
かし、空洞部１２１上に電気絶縁層（電気絶縁膜）１３
０´を介して配置された空気温度測温抵抗体の一部１４
０ｄは、空洞部１２１により熱絶縁されるので、単結晶
シリコン基板１２０への熱伝導が無くなるため、僅かな
がら自己発熱する。この自己発熱は、流れる電流値以外
は発熱抵抗体１４０ａ，１４０ｂと全く同じ発熱の仕方
である。また、発熱抵抗体１４０ａ，１４０ｂと全く同
様に吸入空気に触れているため、発熱抵抗体１４０ａ，
１４０ｂと同様に汚損物質が付着する。従って、汚損物
質の付着により、発熱抵抗体１４０ａ，１４０ｂと同様
の熱伝導及び熱伝達の変化をする。ここで、図１に示す
ように空気温度測温抵抗体の一部１４０ｄの両端を、引
出線１５０ａ，１５０ｄにより電極１６０ａ，１６０ｄ
に接続し、その電位差Ｖｒを検出すると、既述したよう
に汚損物質付着による特性変化に付随した電圧の変化が
生じる。
【００６５】この電圧（電位差）Ｖｒを用いてのマイコ
ン制御による第一の補正法を示す演算アルゴリズムのブ
ロック図を図８に示す。
ン制御による第一の補正法を示す演算アルゴリズムのブ
ロック図を図８に示す。
【００６６】電極１６０ａ，１６０ｄ間（空気温度測温
抵抗体１４０ｄ）に生じる電位Ｖｒと、電極１６０ｃ，
１６０ｄ間の電位Ｖｓ及び電流Ｉｒを算出する。ここ
で、電流Ｉｒは抵抗Ｒ２とその電位Ｖ３により算出され
る。Ｖｒ、Ｖｓ、Ｉｒより、
抵抗体１４０ｄ）に生じる電位Ｖｒと、電極１６０ｃ，
１６０ｄ間の電位Ｖｓ及び電流Ｉｒを算出する。ここ
で、電流Ｉｒは抵抗Ｒ２とその電位Ｖ３により算出され
る。Ｖｒ、Ｖｓ、Ｉｒより、
【００６７】
【数１】Ｒａ＝（Ｖｒ−Ｖｓ）／Ｉｒ
を算出する。空気温度測温抵抗体のうち空洞部（ダイア
フラム）１２１上にある一部抵抗体１４０ｄの電位Ｖｒ
から空洞部１２１外部の空気温度測温抵抗体の一部の電
位Ｖｓを減算することにより、吸気温度の変化による抵
抗変化成分を取り除き、汚損物質付着による発熱の様相
の変化（抵抗体１４０ｄから生じた熱の熱伝導及び熱伝
達変化に伴う発熱様相の変化）に伴う抵抗変化成分のみ
を取り出すことができる。このＲａを係数化したα１に
よりＶ２を演算することによって、図７に示すように汚
損物質付着による熱伝導、熱伝達の変化を補正した数２
式の出力が得られる。
フラム）１２１上にある一部抵抗体１４０ｄの電位Ｖｒ
から空洞部１２１外部の空気温度測温抵抗体の一部の電
位Ｖｓを減算することにより、吸気温度の変化による抵
抗変化成分を取り除き、汚損物質付着による発熱の様相
の変化（抵抗体１４０ｄから生じた熱の熱伝導及び熱伝
達変化に伴う発熱様相の変化）に伴う抵抗変化成分のみ
を取り出すことができる。このＲａを係数化したα１に
よりＶ２を演算することによって、図７に示すように汚
損物質付着による熱伝導、熱伝達の変化を補正した数２
式の出力が得られる。
【００６８】
【数２】Ｖｏ＝α１×Ａ×Ｖ２＋Ｂ
Ａ、Ｂは係数である。
【００６９】次に、電位差Ｖｒを用いてのマイコン制御
による第二の補正法を示す演算アルゴリズムのブロック
図を図９に示す。本補正法は、前述した汚損物質付着に
よる特性変化と吸気温度の変化による特性変化をまとめ
て補正する方法である。
による第二の補正法を示す演算アルゴリズムのブロック
図を図９に示す。本補正法は、前述した汚損物質付着に
よる特性変化と吸気温度の変化による特性変化をまとめ
て補正する方法である。
【００７０】電極１６０ａ、１６０ｄ間の電位Ｖｒと電
流Ｉｒを算出する。ここで、電流Ｉｒは抵抗Ｒ２とその
電位Ｖ３により算出される。Ｖｒ、Ｉｒにより空気温度
測温抵抗体の一部１４０ｄの抵抗は、
流Ｉｒを算出する。ここで、電流Ｉｒは抵抗Ｒ２とその
電位Ｖ３により算出される。Ｖｒ、Ｉｒにより空気温度
測温抵抗体の一部１４０ｄの抵抗は、
【００７１】
【数３】Ｒ＝Ｖｒ／Ｉｒ
と算出される。ここで、Ｒは、数４式で表される。
【００７２】
【数４】Ｒ＝Ｒａ＋Ｒｔ
Ｒａは汚損物質付着による発熱抵抗変化成分、Ｒｔは吸
気温度変化による抵抗変化成分である。このＲを係数化
したα２によりＶ２を演算することによって、汚損物質
付着による熱伝導、熱伝達の変化を補正した数５式の出
力が得られる。
気温度変化による抵抗変化成分である。このＲを係数化
したα２によりＶ２を演算することによって、汚損物質
付着による熱伝導、熱伝達の変化を補正した数５式の出
力が得られる。
【００７３】
【数５】Ｖｏ＝α２×Ａ×Ｖ２＋Ｂ
Ａ、Ｂは係数である。
【００７４】なお、上記実施例では、基板の除去空間
（空洞部）１２１上にダイアフラム状の絶縁層１３０´
を形成して、この絶縁層１３０´上に発熱抵抗体１４０
ａ，１４０ｂ及び空気温度測温抵抗体の一部１４ｄを形
成しているが、ダイアフラムにかえてブリッジ状に空洞
部１２１上にかけわたした絶縁層を形成して、この絶縁
層上に発熱抵抗体及び空気温度測温抵抗体の一部を形成
してもよい。
（空洞部）１２１上にダイアフラム状の絶縁層１３０´
を形成して、この絶縁層１３０´上に発熱抵抗体１４０
ａ，１４０ｂ及び空気温度測温抵抗体の一部１４ｄを形
成しているが、ダイアフラムにかえてブリッジ状に空洞
部１２１上にかけわたした絶縁層を形成して、この絶縁
層上に発熱抵抗体及び空気温度測温抵抗体の一部を形成
してもよい。
【００７５】次に、本発明の第２実施例に係る熱式空気
流量センサ１００の構造について、図１０及び図１１を
参照して説明する。図１０は本実施例に用いる熱式空気
流量センサエレメント１１０の平面図、図１１は図１０
のＣ−Ｃ断面図である。
流量センサ１００の構造について、図１０及び図１１を
参照して説明する。図１０は本実施例に用いる熱式空気
流量センサエレメント１１０の平面図、図１１は図１０
のＣ−Ｃ断面図である。
【００７６】本実施例によるエレメント１１０は、図１
で説明した第１実施例のエレメント同様に、単結晶シリ
コン基板上１２０に電気絶縁層１３０を形成し、その上
に上流側発熱抵抗体１４０ａ，下流側発熱抵抗体１４０
ｂ，空気温度測温抵抗体１４０ｃ，１４０ｄが形成され
ている。第１実施例と相違する点は、空気温度測温抵抗
体１４０ｃ，１４０ｄを複数（ここでは二つ）に分け、
これらの抵抗体１４０ｃ，１４０ｄを直列に接続して成
り、このうちの一つの抵抗体１４０ｄを空洞部（基板一
部を除去した除去空間部）１２１上に配置した点にあ
る。
で説明した第１実施例のエレメント同様に、単結晶シリ
コン基板上１２０に電気絶縁層１３０を形成し、その上
に上流側発熱抵抗体１４０ａ，下流側発熱抵抗体１４０
ｂ，空気温度測温抵抗体１４０ｃ，１４０ｄが形成され
ている。第１実施例と相違する点は、空気温度測温抵抗
体１４０ｃ，１４０ｄを複数（ここでは二つ）に分け、
これらの抵抗体１４０ｃ，１４０ｄを直列に接続して成
り、このうちの一つの抵抗体１４０ｄを空洞部（基板一
部を除去した除去空間部）１２１上に配置した点にあ
る。
【００７７】なお、各抵抗体は第１実施例の場合と同様
に、多結晶シリコンに不純物としてリン（Ｐ）をドーピ
ングした材料であり、上流側発熱抵抗体１４０ａと下流
側発熱抵抗体１４０ｂは、単結晶シリコン基板１２０に
形成された空洞部１２１の上に形成されている。また、
空気温度測温抵抗体の一部１４０ｄはこの空洞部上であ
り、発熱抵抗体１４０ａ、１４０ｂからの熱の影響を受
ける位置に配置されている。
に、多結晶シリコンに不純物としてリン（Ｐ）をドーピ
ングした材料であり、上流側発熱抵抗体１４０ａと下流
側発熱抵抗体１４０ｂは、単結晶シリコン基板１２０に
形成された空洞部１２１の上に形成されている。また、
空気温度測温抵抗体の一部１４０ｄはこの空洞部上であ
り、発熱抵抗体１４０ａ、１４０ｂからの熱の影響を受
ける位置に配置されている。
【００７８】エレメント１１０の端部には、端子電極１
６０ａ〜１６０ｇが形成されている。上流側発熱抵抗体
１４０ａの一端は、引出線１５０ｅにより端子電極１６
０ｅに接続され、下流側発熱抵抗体１４０ｂの一端は引
出線１５０ｆにより、端子電極１６０ｆに接続されてい
る。上流側発熱抵抗体１４０ａと下流側発熱抵抗体１４
０ｂの接続点１７０は引出線１５０ｇにより端子電極１
６０ｇに接続されている。また、空気温度測温抵抗体１
４０ｃの両端はそれぞれ引出線１５０ｂ、１５０ｃによ
り端子電極１６０ｂ、１６０ｃに接続されている。ま
た、一方の空気温度測温抵抗体１４０ｄの一端は引出線
１５０ａ、１５０ｄにより端子電極１６０ａ、１６０ｄ
に接続されている。また、端子電極１６０以外の部分は
保護層１８０により覆われている。
６０ａ〜１６０ｇが形成されている。上流側発熱抵抗体
１４０ａの一端は、引出線１５０ｅにより端子電極１６
０ｅに接続され、下流側発熱抵抗体１４０ｂの一端は引
出線１５０ｆにより、端子電極１６０ｆに接続されてい
る。上流側発熱抵抗体１４０ａと下流側発熱抵抗体１４
０ｂの接続点１７０は引出線１５０ｇにより端子電極１
６０ｇに接続されている。また、空気温度測温抵抗体１
４０ｃの両端はそれぞれ引出線１５０ｂ、１５０ｃによ
り端子電極１６０ｂ、１６０ｃに接続されている。ま
た、一方の空気温度測温抵抗体１４０ｄの一端は引出線
１５０ａ、１５０ｄにより端子電極１６０ａ、１６０ｄ
に接続されている。また、端子電極１６０以外の部分は
保護層１８０により覆われている。
【００７９】エレメント１１０の断面構造、製造プロセ
ス及び熱式空気流量センサ１００の構成は第１実施例の
場合と同様であるので説明は省略する。
ス及び熱式空気流量センサ１００の構成は第１実施例の
場合と同様であるので説明は省略する。
【００８０】また、空気流量検知の原理及び吸入空気流
の方向検知の原理も、第１実施例の場合と同様であるの
で説明は省略する。
の方向検知の原理も、第１実施例の場合と同様であるの
で説明は省略する。
【００８１】次に、本発明の第二の実施例による、熱式
空気流量センサ表面に汚損物質が付着、堆積した場合の
特性変化の補正方法について説明する。空気温度測温抵
抗体１４０ｃは、第一の実施例の場合と同様に、図８に
示すようにダイヤフラム外部に配置されており、発熱抵
抗体と共にブリッジ回路を形成している。
空気流量センサ表面に汚損物質が付着、堆積した場合の
特性変化の補正方法について説明する。空気温度測温抵
抗体１４０ｃは、第一の実施例の場合と同様に、図８に
示すようにダイヤフラム外部に配置されており、発熱抵
抗体と共にブリッジ回路を形成している。
【００８２】第２実施例では、図１０に示すように、空
気温度測温抵抗体の一部１４０ｄは発熱抵抗体１４０
ａ、１４０ｂの熱の影響を受ける位置に配置されている
ため、発熱抵抗体１４０ａ、１４０ｂの所定温度ΔＴｈ
付近（例えば、１５０℃付近）にまで加熱される。この
とき、第１実施例の場合と同様に、自己発熱も起こる
が、発熱抵抗体１４０ａ、１４０ｂによる加熱に比較す
ると、ほとんど無視できる程度である。
気温度測温抵抗体の一部１４０ｄは発熱抵抗体１４０
ａ、１４０ｂの熱の影響を受ける位置に配置されている
ため、発熱抵抗体１４０ａ、１４０ｂの所定温度ΔＴｈ
付近（例えば、１５０℃付近）にまで加熱される。この
とき、第１実施例の場合と同様に、自己発熱も起こる
が、発熱抵抗体１４０ａ、１４０ｂによる加熱に比較す
ると、ほとんど無視できる程度である。
【００８３】発熱抵抗体１４０ａ、１４０ｂによる空気
温度測温抵抗体の一部１４０ｄの加熱は、発熱抵抗体１
４０ａ、１４０ｂの熱量に比例する。従って、汚損物質
の付着、堆積により、発熱抵抗体１４０ａ、１４０ｂの
熱伝導及び熱伝達が変化すると、空気温度測温抵抗体の
一部１４０ｄが発熱抵抗体１４０ａ、１４０ｂから受け
る熱量も同様に変化する。
温度測温抵抗体の一部１４０ｄの加熱は、発熱抵抗体１
４０ａ、１４０ｂの熱量に比例する。従って、汚損物質
の付着、堆積により、発熱抵抗体１４０ａ、１４０ｂの
熱伝導及び熱伝達が変化すると、空気温度測温抵抗体の
一部１４０ｄが発熱抵抗体１４０ａ、１４０ｂから受け
る熱量も同様に変化する。
【００８４】図１０に示すように空気温度測温抵抗体の
一部１４０ｄの両端を引出線１５０ａ、１５０ｄにより
電極１６０ａ、１６０ｄに接続し、その電位差Ｖｒを検
出すると、汚損物質付着による特性変化に付随した電圧
の変化が生じる。
一部１４０ｄの両端を引出線１５０ａ、１５０ｄにより
電極１６０ａ、１６０ｄに接続し、その電位差Ｖｒを検
出すると、汚損物質付着による特性変化に付随した電圧
の変化が生じる。
【００８５】この電位差Ｖｒを用いて、第一の実施例の
場合と同様に図８、図９に示す方法により汚損物質付着
による熱伝導、熱伝達の変化を補正した出力を得ること
ができる。
場合と同様に図８、図９に示す方法により汚損物質付着
による熱伝導、熱伝達の変化を補正した出力を得ること
ができる。
【００８６】
【発明の効果】本発明によれば、吸入空気に含まれる汚
損物質の熱式空気流量センサ素子表面への付着、堆積に
よる熱式空気流量センサの出力特性の変化を防止するこ
とが可能であり、熱式空気流量センサの初期精度を維持
することが可能となる。また、補正法によっては、吸気
温度の変化による特性誤差を含めて補正することが可能
である。
損物質の熱式空気流量センサ素子表面への付着、堆積に
よる熱式空気流量センサの出力特性の変化を防止するこ
とが可能であり、熱式空気流量センサの初期精度を維持
することが可能となる。また、補正法によっては、吸気
温度の変化による特性誤差を含めて補正することが可能
である。
【図１】本発明の第１実施例の熱式空気流量センサに係
るエレメントを示す平面図。
るエレメントを示す平面図。
【図２】図１の熱式空気流量センサエレメントのＡ−Ａ
断面図。
断面図。
【図３】第１実施例の熱式空気流量センサモジュール示
す部分平面図。
す部分平面図。
【図４】図３の熱式空気流量センサモジュールのＢ−Ｂ
断面図。
断面図。
【図５】上記熱式空気流量センサモジュールを吸入空気
通路に取り付けた断面図。
通路に取り付けた断面図。
【図６】本発明の熱式空気流量センサ駆動回路図。
【図７】汚損物質付着による計測誤差を示すグラフ。
【図８】本発明の計測誤差補正方法を示すブロック図。
【図９】本発明の補正方法を示すブロック図。
【図１０】本発明の第２実施例の熱式空気流量センサに
用いるエレメントを示す平面図。
用いるエレメントを示す平面図。
【図１１】図１０のＡ−Ａ断面図。
【図１２】熱式空気流量センサの基本原理を示す説明
図。
図。
【図１３】熱式空気流量センサの基本原理を示す説明
図。
図。
【符号の説明】
１０ａ，１０ｂ…吸入空気、１００…熱式空気流量セン
サ、１１０…熱式空気流量センサのエレメント、１２０
…単結晶シリコン基板（半導体基板）、１２１…空洞部
（基板の一部を除去した除去空間部）、１３０…電気絶
縁層、１４０ａ…上流側発熱抵抗体、１４０ｂ…下流側
発熱抵抗体、１４０ｃ…空気温度測温抵抗体、１４０ｄ
…空気温度測温抵抗体の一部。
サ、１１０…熱式空気流量センサのエレメント、１２０
…単結晶シリコン基板（半導体基板）、１２１…空洞部
（基板の一部を除去した除去空間部）、１３０…電気絶
縁層、１４０ａ…上流側発熱抵抗体、１４０ｂ…下流側
発熱抵抗体、１４０ｃ…空気温度測温抵抗体、１４０ｄ
…空気温度測温抵抗体の一部。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 米田 浩志
茨城県ひたちなか市高場2477番地 株式
会社日立カーエンジニアリング内
(56)参考文献 特開 平10−19626（ＪＰ，Ａ)
特開 平９−53968（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G01F 1/00 - 9/02
Claims (5)
- 【請求項１】 半導体微細加工により形成される発熱抵
抗体及び空気温度の測温抵抗体（以下、空気温度測温抵
抗体と称する）を用いて空気流量を測定する熱式空気流
量センサにおいて、 半導体基板の一部が除去されて、この除去空間上に電気
絶縁層を介して前記発熱抵抗体と前記空気温度測温抵抗
体の一部とが形成されており、前記空気温度測温抵抗体
の残りの部分が前記除去空間から外れて前記半導体基板
上に電気絶縁層を介して形成され、 前記空気温度測温抵抗体のうち前記除去空間上に位置す
る部分の電圧を検出する手段と、この検出電圧を用いて
空気流量計測誤差を補正する手段と、を備えていること
を特徴とする熱式空気流量センサ。 - 【請求項２】 前記空気温度測温抵抗体のうち前記除去
空間上に位置する部分は、前記発熱抵抗体により加熱さ
れる位置に配置されている請求項１記載の熱式空気流量
センサ。 - 【請求項３】 前記電気絶縁層は、膜状に形成されてい
る請求項１又は２記載の熱式空気流量センサ。 - 【請求項４】 前記空気温度測温抵抗体は、その一部が
前記半導体基板上から前記除去空間上に引き出されてい
る請求項１ないし３のいずれか１項記載の熱式空気流量
センサ。 - 【請求項５】 前記空気温度測温抵抗体は、複数の抵抗
体を直列に接続して成り、このうちの一つの抵抗体を前
記除去空間上に位置するようにしてある請求項１ないし
３のいずれか１項記載の熱式空気流量センサ。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP35597898A JP3433124B2 (ja) | 1998-12-15 | 1998-12-15 | 熱式空気流量センサ |
| US09/461,190 US6349596B1 (en) | 1998-12-15 | 1999-12-15 | Thermal type air flow sensor |
| DE19960538A DE19960538B4 (de) | 1998-12-15 | 1999-12-15 | Thermischer Luftdurchflußmengensensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP35597898A JP3433124B2 (ja) | 1998-12-15 | 1998-12-15 | 熱式空気流量センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000180232A JP2000180232A (ja) | 2000-06-30 |
| JP3433124B2 true JP3433124B2 (ja) | 2003-08-04 |
Family
ID=18446707
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP35597898A Expired - Lifetime JP3433124B2 (ja) | 1998-12-15 | 1998-12-15 | 熱式空気流量センサ |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6349596B1 (ja) |
| JP (1) | JP3433124B2 (ja) |
| DE (1) | DE19960538B4 (ja) |
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| JP2014185868A (ja) * | 2013-03-21 | 2014-10-02 | Hitachi Automotive Systems Ltd | 熱式流量計 |
| WO2015004936A1 (ja) * | 2013-07-11 | 2015-01-15 | 日立オートモティブシステムズ株式会社 | 熱式流量計 |
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| US6527835B1 (en) * | 2001-12-21 | 2003-03-04 | Sandia Corporation | Chemical preconcentrator with integral thermal flow sensor |
| JP3935013B2 (ja) * | 2002-07-19 | 2007-06-20 | 株式会社日立製作所 | 熱式エアフローセンサの出力補正手段を備えた内燃機関の制御装置 |
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