JP3461469B2

JP3461469B2 - 熱式空気流量センサ及び内燃機関制御装置

Info

Publication number: JP3461469B2
Application number: JP21244799A
Authority: JP
Inventors: 雅通山田; 渡辺　　泉; 圭一中田
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Car Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Automotive Systems Engineering Co Ltd
Priority date: 1999-07-27
Filing date: 1999-07-27
Publication date: 2003-10-27
Anticipated expiration: 2019-07-27
Also published as: JP2001041790A; DE10035665B4; DE10035665A1; US6557411B1

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱式空気流量セン
サと内燃機関制御装置に係り、特に内燃機関の吸入空気
量の測定に好適な熱式空気流量センサと、この熱式空気
流量センサを用いた内燃機関制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】熱式の空気流量センサは、質量空気量が
直接計測できるという特長があり、このため自動車用内
燃機関制御装置の吸入空気流量センサとして、従来から
主流を占めてきているが、その中で、特に半導体マイク
ロマシニング技術により作成した、薄膜形状の検出素子
を用いた空気流量センサが、コスト低減と低電力駆動が
可能である点から、近年、つとに注目されており、その
例として、例えば特開平１０ー２５３４１４号公報の開
示を挙げることができる。

【０００３】この公報は、薄膜からなる発熱抵抗体の上
流と下流に離間して、一対の同じく薄膜からなる測温抵
抗体を配置し、これら一対の測温抵抗体の温度差から空
気流量を計測するようにした、いわゆる温度差方式の熱
式空気流量センサについて開示しているもので、以下、
この従来技術について、図１１と図１２により説明す
る。

【０００４】ここで、図１１はセンサ素子の平面図で、
図１２は、図１１のｘ軸により切断して示した断面図で
あり、これらの図において、２は半導体基板、３はダイ
ヤフラム部、４は発熱抵抗体、６ａ、６ｃは測温抵抗
体、９は空洞部、１２ｂ、１２ｃ、１２ｆは各抵抗体の
接続部、そして２４はダミーパターンである。なお、ｘ
軸は、計測すべき空気が流れる方向を表わし、発熱抵抗
体４の長手方向がｙ軸方向になる。

【０００５】半導体基板２の一方の面には空洞部９が形
成してあり、その他方の面に、空洞部９を塞ぐようにし
て電気絶縁膜のダイヤフラム３が設けられ、その表面
に、発熱抵抗体４と、これを挟んで、上流側に測温抵抗
体６ａが、そして下流側には測温抵抗体６ｂが、相互に
対をなして設けられている。

【０００６】ここで、端子電極１２ｂ、１２ｃ、１２ｆ
は各抵抗体に対するリードの接続部となるものであり、
ダミーパターン２４は発熱抵抗体４の長さ方向の温度分
布を改善するためのもので、熱伝導性の材料の薄膜で作
られているものである。

【０００７】空気流量の計測時には、発熱抵抗体４に通
電され加熱されるが、このとき、被測定対象である空気
の温度よりも所定の温度だけ高い、一定の温度を保つよ
うにフィードバック制御される。

【０００８】そして、この状態で、発熱抵抗体４の上流
と下流に配置された一対の測温抵抗体６ａ、６ｃの抵抗
値を比較して、空気流量を計測するのであり、これが温
度差方式という名称の由来である。

【０００９】これらの測温抵抗体６ａ、６ｃは抵抗値に
温度依存性があるので、空洞部９上にあるダイヤフラム
３の温度により各抵抗値が決まるが、このときのダイヤ
フラム３の温度分布は、発熱抵抗体４の発熱と空気流に
より支配される。

【００１０】まず、空気が流れていないときには、発熱
抵抗体４の発熱による温度分布は、空気の流れる方向と
直交するｙ軸に対して、上流と下流で対称になるから、
測温抵抗体６ａと測温抵抗体６ｃの温度には差が生じな
い。

【００１１】一方、空気がｘ軸方向に流れたとすると、
上流側の測温抵抗体６ａの冷却効果が、下流側の測温抵
抗体６ｃに比して大きくなるので、これらの抵抗体の温
度に空気流量に応じた差が生じる。そこで、この温度差
を測温抵抗体６ａ、６ｃの抵抗値の差により検出し、温
度差が無いときの流量をゼロ値として空気流量を計測す
るのである。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、計測
すべき空気の通流方向と直交方向での発熱抵抗体の温度
分布について配慮が充分にされておらず、計測精度の保
持に問題があった。

【００１３】温度差方式のセンサでは、空気の流れ方向
の温度分布の変化(温度差)から空気流量を計測するので
あるが、このとき、空気の流れに直交する方向(発熱抵
抗体の長さ方向)での温度分布も測定精度に大きな影響
を与える。しかるに従来技術では、この点に配慮が充分
にされているとはいえないので、上記の問題が生じてし
まうのである。

【００１４】ここで上記従来技術では、測温抵抗体の両
端に熱伝導性のダミーパターン２４が設けてあり、これ
により温度分布の均一化が図られているが、発熱抵抗体
４と測温抵抗体６ａ、６ｃ自体の形状には特に考慮がな
されていない。

【００１５】従来技術における発熱抵抗体４は、図１１
に示すように、ｙ軸には対称になっているが、各抵抗体
の接続部１２ｂ、１２ｃ、１２ｆは片側にだけ配置され
ていて、ｘ軸には非対称になっている。

【００１６】このため、特に発熱抵抗体４に対して加熱
電流が供給されたとき、接続部１２ｃでも発熱が起って
しまうため、発熱抵抗体４の温度分布は、図１３の実線
２５に示したように、ｙ軸方向の接続部１２ｃ側に頂点
がずれた非対称な温度分布となる。

【００１７】このように、従来技術では、発熱抵抗体４
の長さ(Ｌ１)の中心と温度分布の頂点の位置にずれ(Δ
Ｌ)が生じてしまうので、発熱抵抗体４と平行配置され
た測温抵抗体６ａ、６ｃの長さ(Ｌ２)方向でも温度分布
のずれが生じ、この結果、空気流量(温度差)の計測に誤
差が生じてしまうのである。

【００１８】この計測誤差は、空気流量センサ素子の取
付位置のバラツキなどにより、空気の流れ方向がｘ軸に
対して傾いた場合、特に顕著になり、上記した温度分布
の頂点の位置ずれ(ΔＬ)が大きくなって、測温抵抗体６
ａ、６ｃの有効領域から外れてしまう可能性もある。

【００１９】また、この従来技術では、測温抵抗体６
ａ、６ｃの接続部１２ｂ、１２ｆは、測温抵抗体と同一
の材料(抵抗値を持つ)で構成されているので、抵抗値に
温度依存性を持ち、しかも、これらの接続部１２ｂ、１
２ｆが片側にだけ配置されているので、発熱抵抗体４と
同様に、これらの測温抵抗体６ａ、６ｃもｘ軸に対して
非対称になり、温度を検知する側でも誤差を増大させて
しまうこととなる。

【００２０】本発明の目的は、温度分布の適正化による
計測精度の向上が充分に得られるようにした熱式空気流
量センサを提供することにある。

【００２１】

【課題を解決するための手段】上記目的は、半導体基板
の空洞部を覆って形成した電気絶縁膜の一方の面に少な
くとも発熱抵抗体を配置して空気流量を計測する熱式空
気流量センサにおいて、前記発熱抵抗体は、流量を計測
すべき空気の流れに対してほぼ直交する方向に沿ってほ
ぼ一直線上に配置され、且つ、前記発熱抵抗体は、その
一部にスリットが形成され、当該スリットを形成した部
分において発熱抵抗体に流す加熱電流の電流密度が他の
部分に比較して大きくなるようにして達成される。

【００２２】同じく上記目的は、半導体基板の空洞部を
覆って形成した電気絶縁膜の一方の面に少なくとも発熱
抵抗体を配置して空気流量を計測する熱式空気流量セン
サにおいて、前記空洞部は、その形状が略矩形に作ら
れ、前記電気絶縁膜は、前記空洞部を覆う部分におい
て、空気の流れ方向の寸法Ｗと、それに直交する方向の
寸法Ｌについて、Ｌ＞４Ｗの関係が成り立ち、且つ、前
記発熱抵抗体の空気の流れ方向と直交する方向の長さを
Ｌ１としたとき、前記電気絶縁膜の直交方向の寸法Ｌに
ついて、Ｌ＞１．１×Ｌ１の関係式が成り立つようにし
ても達成される。

【００２３】さらに、前記発熱抵抗体と前記測温抵抗体
が、夫々の接続配線部も含めて不純物ドープした多結晶
又は単結晶の半導体膜で構成され、前記測温抵抗体の不
純物濃度が、前記接続配線部の不純物濃度より小さく設
定されているようにしても上記目的を達成することがで
きる。

【００２４】また、さらに、前記発熱抵抗体と前記測温
抵抗体が、夫々の接続配線部も含めて不純物ドープした
多結晶又は単結晶の半導体膜で構成され、前記測温抵抗
体の不純物濃度が、前記接続配線部の不純物濃度より小
さく設定されるようにしても上記目的が達成され、前記
少なくとも一対の測温抵抗体のうち、上流に配置された
測温抵抗体の一端と下流に配置された測温抵抗体の一端
とが接続配線部により上下流交互に直列に接続され、各
接続配線部の接続部に外部に接続するための接続電極部
が設けられるようにしても上記目的を達成することがで
きる。

【００２５】そして、これらの熱式空気流量センサを用
いて、内燃機関の吸入空気量を計測し、燃料噴射量を制
御することにより、低コストで高精度の内燃機関制御装
置を実現することができる。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明による熱式空気流量
センサについて、図示の実施の形態により詳細に説明す
る。図１は、本発明の一実施形態におけるセンサ素子の
平面図で、図２は、図１のＡ−Ａ’線による断面図、そ
して図３は、図１の部分拡大図であり、これらの図にお
いて、１がセンサ素子１で、これは、全体が半導体基板
２をベースとして形成されている。

【００２７】半導体基板２は、空洞部９が形成されてい
る単結晶ケイ素(Ｓi)の板で、その一方の面(図では上側
の面)にダイヤフラム部３が形成されている。ここで、
空洞部９は、平面形状が略矩形の孔として形成されてい
るものである。

【００２８】ダイヤフラム部３は、半導体基板２の一方
の面に設けてある電気絶縁膜８ａの空洞部９を覆う部分
により形成され、その表面に発熱抵抗体４と上流側測温
抵抗体６ａ、６ｂ及び下流側測温抵抗体６ｃ、６ｄが形
成してある。ここで、電気絶縁膜８ａは二酸化ケイ素
(ＳiＯ₂)の薄膜で作られている。

【００２９】発熱抵抗体４は、不純物ドープ処理された
多結晶又は単結晶のケイ素の薄膜により、所定の導電性
(抵抗値)を持つ細条として作られたもので、これにはス
リット５ａ、５ｂが形成され、これにより、この発熱抵
抗体４は、その両端の近傍において、一部が横方向に分
割された形にされている。また、測温抵抗体６ａ〜６ｄ
も同じく不純物ドープ処理された多結晶又は単結晶のケ
イ素の薄膜層で、同じく所定の導電性を持つ細条として
作られたものである。

【００３０】一方、ダイヤフラム部３の外側の電気絶縁
膜８ａの表面には、空気温度測温抵抗体７と、各抵抗体
の配線接続部１１(１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、
１１ｅ、１１ｆ、１１ｇ、１１ｈ、１１ｉ、１１ｊ、１
１ｋ、１１ｌ)、それに端子電極部１２(１２ａ、１２
ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ、１２ｆ、１２ｇ、１２
ｈ)が形成されている。

【００３１】空気温度測温抵抗体７は、不純物ドープ処
理された多結晶又は単結晶のケイ素の薄膜層で所定の導
電性を持つように作られている。一方、配線接続部１１
も不純物ドープ処理された多結晶又は単結晶のケイ素の
薄膜層で作られているが、ここでは更に不純物濃度を高
め、極力高い導電性が与えられるようになっている。

【００３２】端子電極部１２は、アルミニウム(Ａｌ)、
金(Ａｕ)などの薄膜パッドで形成されている。そして、
電気絶縁膜８ａの表面には、各抵抗体などを保護するた
めの電気絶縁膜８ｂが、図２に示すように設けられてい
る。

【００３３】ここで、発熱抵抗体４は、矢印１０で示し
た空気の流れ方向(ｘ軸方向)に直交する方向(ｙ軸方向)
に沿って、ほぼ一直線上に配置されており、更に上記し
たように、スリット５ａ、５ｂが設けられていて、これ
により両端近傍で一部が幅方向に分割されており、測温
抵抗体６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄは、この発熱抵抗体４に
対して、空気の流れ方向の上流側と下流側、及び直交す
る方向の夫々で離間して、夫々が対になるようにして設
けられている。

【００３４】従って、発熱抵抗体４と測温抵抗体６ａ、
６ｂ、６ｃ、６ｄは、空洞部９上のダイヤフラム部３領
域において、空気の流れ方向(ｘ軸方向)と直交方向(ｙ
軸方向)に対称(２回転対称)に形成されていることにな
る。

【００３５】次に、この実施形態による熱式空気流量セ
ンサによる空気流量計測動作について説明する。まず、
電気絶縁膜８ａにより空洞部９から熱絶縁状態にある発
熱抵抗体４に電流を供給し、その温度が空気流１０の温
度よりも一定の温度だけ高くなるように制御する。この
ときの空気の温度は、空気温度測温抵抗体７の抵抗値か
ら、後述するようにして計測される。

【００３６】そうすると、このときの空気の流量と、空
気が流れる方向は、発熱抵抗体４の上流と下流に設けら
れている上流側測温抵抗体６ａ、６ｂと下流側測温抵抗
体６ｃ、６ｄの温度(抵抗値)を比較することにより計測
される。

【００３７】すなわち、まず、空気流量がゼロのときは
上流側測温抵抗体６ａ、６ｂと下流側測温抵抗体６ｃ、
６ｄは、発熱抵抗体４の発熱による加熱条件が同じなの
で、同じ温度を示すことになり、温度差は生じない。次
に、空気の流れが矢印１０方向(これを順流という)のと
きは、上流側に配置された上流側測温抵抗体６ａ、６ｂ
の方が、下流側に配置された下流側測温抵抗体６ｃ、６
ｄより空気流１０による冷却効果が大きいことから、上
流側測温抵抗体６ａ、６ｂと下流側測温抵抗体６ｃ、６
ｄの温度に差が生じ、この温度差から空気流量が計測さ
れる。

【００３８】一方、空気の流れが矢印１０と反対の方向
(逆流という)のときには、今度は下流側測温抵抗体６
ｃ、６ｄの温度の方が上流側測温抵抗体６ａ、６ｂの温
度より低くなり、上流側測温抵抗体６ａ、６ｂと下流側
測温抵抗体６ｃ、６ｄの温度差を表す符号が逆転する。
従って、このことから、温度差の大きさにより空気流量
が計測でき、温度差の符号から空気の流れ方向が判別で
きる。

【００３９】次に、図４は、図１のセンサ素子１を、例
えば自動車の内燃機関の吸気通路２５に実装し、内燃機
関制御装置とした場合の一実施形態を示す断面図で、こ
の場合、センサ素子１は、支持体２７と外部回路２８を
含んだ形で、吸気通路２５の内部にある副通路２６の中
に配置され、従って、外部回路２８は、支持体２７を介
してセンサ測定素子１の端子電極部１２(図１)に電気的
に接続されることになる。

【００４０】ここで、内燃機関の吸入空気は、通常は矢
印１０で示す方向に流れる(順流)。しかして、内燃機関
の運転条件によっては、矢印１０とは反対の方向に流れ
る場合(逆流)もあるが、この実施形態によれば、順流と
逆流の何れの場合でも空気流量が正しく計測でき、且
つ、それらの判別も可能である。

【００４１】次に、図５は、センサ素子１と支持体２７
を拡大して示した図で、図示のように、センサ素子１
は、絶縁体からなる支持体２７に取付けられ、アルミナ
等の電気絶縁基板上に端子電極部２９と信号処理回路が
形成してある外部回路２８が、同じく支持体２７上に取
付けられている。

【００４２】センサ素子１と外部回路２８は、端子電極
部１２と端子電極部２９の間を金線３０などでワイヤボ
ンディングして電気的に接続した後、金線３０、電極端
子１２、２９と外部回路２８を保護するため、上側から
図示してない支持体を設けることにより保護される。

【００４３】次に、図６により、この実施形態の回路構
成について説明する。この図６の回路は、センサ素子１
の各抵抗体４、６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、７と、それら
を駆動し制御する回路を示したもので、この図において
１３は電源、１４はトランジスタ、１５ａ、１５ｂは抵
抗、１６は制御回路、そして１７はメモリ回路であり、
この制御回路１６は、Ａ／Ｄ変換器など含む入力回路
と、Ｄ／Ａ変換器などを含む出力回路、それに演算処理
などを行うＣＰＵで構成されている。

【００４４】そして、まず発熱抵抗体４と空気温度測温
抵抗体７は、抵抗１５ａ、１５ｂと共にブリッジ回路を
形成し、その端子１２ａ、１２ｃの電圧が制御回路１６
に入力され、加熱抵抗体４の温度(Ｔｈ)が空気温度に対
応する空気温度測温抵抗体７の温度(Ｔａ)より、或る一
定値(ΔＴｈ＝Ｔｈ−Ｔａ＝１５０℃)だけ高くなるよう
に各抵抗値１５ａ、１５ｂの抵抗値が設定され、制御回
路１６により制御される。

【００４５】すなわち、発熱抵抗体４の温度が設定値よ
り低い場合には、制御回路１６の出力によりトランジス
タ１４がオンし、発熱抵抗体４に加熱電流が流れ、設定
温度より高くなるとトランジスタ１４がオフし、発熱抵
抗体４の加熱電流がゼロにされるようにし、これにより
温度が設定値が保たれるように制御するのである。

【００４６】上流側測温抵抗体６ａ、６ｂと下流側測温
抵抗体６ｃ、６ｄの温度差は、上流側測温抵抗体６ａ、
６ｂと、下流側測温抵抗体６ｃ、６ｄから形成されたブ
リッジ回路の端子１２ｇ、１２ｅの電位差により検出す
る。

【００４７】まず、空気流量がゼロの時には、ブリッジ
回路の端子１２ｇ、１２ｅの電位が一致するように、調
整抵抗(図示せず)の抵抗値を調整するか、メモリ１７に
予め空気流量がゼロの時の端子１２ｇ、１２ｅの電位差
を記憶しておく。

【００４８】空気流量の計測は、予め空気流量(Ｑ)とブ
リッジ回路の端子１２ｇ、１２ｅの電位差との関係をメ
モリ１７にマップとして記憶しておき、端子１２ｇ、１
２ｅの電位差及び大小関係から、空気流量(Ｑ)の計測値
と流れの方向を判定して出力することができる。

【００４９】ここで、この実施形態では、図示のブリッ
ジ回路構成を前提として、発熱抵抗体４と空気温度測温
抵抗体７の抵抗温度係数(α)が等しくなるように、これ
らを同じ不純物濃度にした多結晶或いは単結晶のケイ素
半導体薄膜で形成してあり、これにより、加熱抵抗体４
の温度(Ｔｈ)を設定(例えばΔＴｈ＝１５０℃)する際に
必要な各抵抗１５ａ、１５ｂの抵抗値が単純な比例関係
になるので、これらの設定が容易で簡便にできる。

【００５０】また、この実施形態では、４個の測温抵抗
体６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄを用い、温度差検出のための
ブリッジ回路を上流側測温抵抗体６ａ、６ｂと下流側測
温抵抗体６ｃ、６ｄが交差する形で構成してあり、これ
により、端子１２ｇ、１２ｅ間に現れる電位差が、一対
の測温抵抗体からなるブリッジ回路に比して、約２倍に
なるので、感度が上り、精度が向上する。

【００５１】更にまた、測温抵抗体６ａ、６ｂ、６ｃ、
６ｄの不純物濃度を、発熱抵抗体４及び空気温度測温抵
抗体７の不純物濃度より少なめに設定することにより、
測温抵抗体６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄを構成する多結晶或
いは単結晶のケイ素半導体薄膜の抵抗温度係数を大きく
することができ、この場合は更に端子１２ｇ、１２ｅ間
に現れる電位差が大きくなり、感度と精度が向上する。

【００５２】次に、図７、図８及び図９により、本発明
の実施形態による熱式空気流量センサ素子１のダイヤフ
ラム部３での温度分布について説明する。まず図７は、
図３のダイヤフラム部３のｘ軸方向の温度分布を示した
もので、この図において、ｘ＝０が発熱抵抗体４の位置
で、Ｗは、図３に示すように、ダイヤフラム部３の幅で
あり、従って、ｘ＝±Ｗ／２がダイヤフラム部３の終端
位置で、ｘ＝０の位置とｘ＝±Ｗ／２の位置の間に測温
抵抗体６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄが位置していることにな
る。

【００５３】ここで、加熱抵抗体４の温度(Ｔｈ)は、空
気温度測温抵抗体７の温度(Ｔａ)、すなわち空気の温度
よりも或る一定値だけ高くなるように制御されている。
そうすると、ｘ＝０の位置にある加熱抵抗体４から発生
された熱は、電気絶縁膜のダイヤフラム部３を介して、
ｘ＝±Ｗ／２の終端位置で、空気温度(Ｔａ)と同じ温度
になっている半導体基板２に伝達する。

【００５４】この結果、ダイヤフラム部３の温度分布
は、図７に実線１８で示したように、位置ｘ＝０での温
度(Ｔｈ)から、ｘ＝±Ｗ／２の終端位置での空気温度
(Ｔａ)まで連続的に減少している形になる。

【００５５】ここで、まず空気の流量がゼロのときは、
温度分布は実線１８で示すようになり、従って上流側測
温抵抗体６ａ、６ｂと下流側測温抵抗体６ｃ、６ｄは同
じ温度を示し、温度差は生じない。

【００５６】次に、空気がｘ軸方向に流れたとすると、
今度は、温度分布が、破線１９で示すように変化し、上
流側測温抵抗体６ａ、６ｂの方が、下流側測温抵抗体６
ｃ、６ｄより空気流による冷却効果が大ききくなり、こ
の結果、上流側測温抵抗体６ａ、６ｂと下流側測温抵抗
体６ｃ、６ｄの温度に差が生じるので、このときの温度
差(ΔＴ)の値から流量が計測され、その正負の符号によ
り空気の流れ方向が判別される。

【００５７】次に図８は、図３のダイヤフラム部３のｙ
軸方向の温度分布を示したもので、この図において、ま
ずｙ＝０がダイヤフラム部３と発熱抵抗体４の中心位置
で、ｙ＝±Ｌ／２がダイヤフラム部３の終端位置であ
り、次にＬ１は発熱抵抗体４の長さで、Ｌ２は測温抵抗
体６ａ、６ｂの対と測温抵抗体６ｃ、６ｄの対のｙ軸方
向の長さである。

【００５８】そして、この図８において、実線２０が、
図３に示したように、発熱抵抗体４にスリット５ａ、５
ｂを形成した場合、つまり本発明の実施形態の場合での
ダイヤフラム部３のｙ軸方向の温度分布を表わし、破線
２１は、比較のため、スリット５ａ、５ｂが無い場合の
ダイヤフラム部３のｙ軸方向の温度分布を示したもので
ある。

【００５９】そして、まず、この図８の実線２０で示さ
れている温度分布と、破線２１で示されている温度分布
の形状を見れば明らかなように、この場合は、ダイヤフ
ラム部３におけるｙ軸方向の温度分布が、ｙ＝０の中心
位置に対して何れも対称になっており、従って、この実
施形態によれば、図１３により説明した従来技術におけ
る温度分布の非対称性が解消されていることが判る。

【００６０】これは、この実施形態では、発熱抵抗体４
と測温抵抗体６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄが、ダイヤフラム
部３の領域内において、空気の流れ方向(ｘ軸方向)と、
これに直交する方向(ｙ軸方向)に対称(２回転対称)に形
成されていることによる。

【００６１】次に、実線２０の特性と破線２１の特性を
比較してみると、発熱抵抗体４の長さＬ１内での温度の
差が、実線２０の特性ではΔＴ１であるのに対して、破
線２１の特性ではΔＴ２で、ΔＴ１＜ΔＴ２なってお
り、従って、実線２０に示されている温度分布の方が、
破線２１に示されている温度分布よりも平均化されてい
ることが判る。

【００６２】これは、発熱抵抗体４の両端近傍にスリッ
ト５ａ、５ｂが設けられていることにより、発熱抵抗体
４のスリット５ａ、５ｂの近傍の抵抗値(発熱量)が大き
くされていることによる。

【００６３】更に、このとき、発熱抵抗体４の長さＬ１
と、測温抵抗体６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄの各対のｙ軸方
向の長さＬ２について、Ｌ１＞(１.０５×Ｌ２)の関係
が満たされるように設定してやれば、温度分布が充分に
平坦になっている領域に測温抵抗体６ａ、６ｂ、６ｃ、
６ｄが位置することになり、温度分布のより一層の安定
化が得られ、計測精度の更なる向上が図れる。

【００６４】次に、図９は、ダイヤフラム部３のｙ軸方
向の長さをＤとして、これをＤ１とＤ２(Ｄ１＞Ｄ２)に
変えたときのダイヤフラム部３のｙ軸方向の温度分布を
示したもので、ここでダイヤフラム部３のｙ方向の長さ
がＤ１(長い)ときの温度分布が実線２２で、ダイヤフラ
ム部３のｙ方向の長さがＤ２(短い)ときの温度分布が破
線２３である。

【００６５】この図９から明らかなように、ダイヤフラ
ム部３の長さＤが長い(Ｄ１)ときの温度差ΔＴ１が、短
い(Ｄ２)ときの温度差ΔＴ３に比して小さくなってお
り、ダイヤフラム部３の長さＤが長い方が温度分布が平
均化され、一様に近くなるが判る。

【００６６】これは、ダイヤフラム部３のｙ軸方向の長
さが短い場合には、発熱抵抗体４とダイヤフラム部３の
終端が近接し、間隔が狭まるので、熱抵抗が下がって発
熱抵抗体４の熱が容易に半導体基板２に伝導されてしま
うためであり、この結果、ダイヤフラム部３の温度分布
が急峻になって、一様な分布から外れてしまうからであ
る。

【００６７】ここで、特にダイヤフラム部３のｙ軸方向
の長さＤとｘ軸方向の幅Ｗの間に、Ｄ＞４Ｗの関係が満
たされ、更に発熱抵抗体４の長さＬ１とダイヤフラム部
３のｙ軸方向の長さＤとの間にＤ＞(１.１×Ｌ１)の関
係が成り立つように構成するのが望ましい。

【００６８】何故なら、この関係が成り立つように構成
することにより、ダイヤフラム部３の機械強度を左右す
る幅Ｗを大きくすることなく、つまり機械強度を下げる
ことなく、ダイヤフラム部３のｙ軸方向の長さＤが充分
に確保できるので、機械強度の保持と温度分布の安定化
の両立が図れることになるからである。

【００６９】次に、図１０は、本発明の他の一実施形態
による熱式空気流量センサ素子を示したもので、この実
施形態によるるセンサ素子１の拡大図で、図３に示した
実施形態と異なる点は、発熱抵抗体４の平面形状と、こ
れの両端部近傍に形成してあるスリット５ａ、５ｂの平
面形状にある。

【００７０】図１０に示されているように、この実施形
態では、スリット５ａ、５ｂの形状を楔形にし、発熱抵
抗体４の形状も、スリット５ａ、５ｂが設けられる部分
で、両端に近づくに従って幅が広がってゆく形状になる
ようにしてある。

【００７１】上記の図３の実施形態では、発熱抵抗体４
の抵抗値が、スリット５ａ、５ｂの近傍で増大して、発
熱量が増大するような構成になっていたが、この図１０
の実施形態では、発熱抵抗体４の抵抗値は変えないで、
つまり発熱量は変えないで、発熱抵抗体４の発熱位置
が、スリット５ａ、５ｂの近傍から端部に向かって連続
的に測温抵抗体６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄに接近してゆく
ゆくようにしたものである。

【００７２】従って、この実施形態によっても、ダイヤ
フラム部３の特に測温抵抗体６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄの
ｙ軸方向の温度分布が一様化されるので、計測精度の向
上が図れるなど、図３の実施形態と同様な効果を得るこ
とができる。

【００７３】ところで、以上の実施形態では、発熱抵抗
体４と各測温抵抗体６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、それに空
気温度測温抵抗体７が、不純物ドープ処理された多結晶
又は単結晶ケイ素の半導体薄膜２で構成してあり、従っ
て、白金などの貴金属を用い場合に比して材料コストが
低減できる。

【００７４】ここで、各抵抗体の抵抗値としては、電源
電圧及び発熱量の関係から任意に選択してやればよい。
例えば、発熱抵抗体４の抵抗値としては、５０〜１００
０Ωの範囲で、測温抵抗体６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄと空
気温度測温抵抗体７の抵抗値としては、１〜３０ｋΩの
範囲で、夫々選択してやればよい。

【００７５】次に、上記実施形態による熱式空気流量セ
ンサ素子１の製造工程について説明する。なお、ここで
は、ＳＯＩ基板を用いた場合について説明するが、本発
明の実施形態がこれに限定される訳ではない。ここで、
ＳＯＩとは、シリコンオンインシュレータ(Silicon o
n Insulator)のことである。

【００７６】ＳＯＩ基板は、ベースとなる単結晶ケイ素
基板の表面を熱酸化し、所定の厚さ、例えば約０．４μ
ｍの厚さの二酸化ケイ素層を形成する。これは電気絶縁
膜８ａとなる。

【００７７】次に、この単結晶ケイ素基板の二酸化ケイ
素層の表面に、別の単結晶ケイ素基板を貼り合わせ、酸
化雰囲気中に１１００℃の温度で２時間、結合アニール
を行い、結合強度を確実にする。

【００７８】次いで抵抗体となる単結晶ケイ素基板側か
ら研削及び研磨により薄肉加工し、抵抗体形成用の約１
μｍの所定の厚さの単結晶ケイ素半導体薄膜と、電気絶
縁膜用の約０．４μｍの厚さの二酸化ケイ素膜、及び半
導体基板用の単結晶ケイ素基板からなるＳＯＩ基板を得
るのである。

【００７９】次に、このＳＯＩ基板の抵抗体形成用の半
導体薄膜に不純物拡散を行う。まず最初、熱拡散又はイ
オン打ち込みなどの方法により、半導体薄膜全面に低濃
度の不純物拡散を行い、ついで、二酸化ケイ素などのマ
スク材を用い、熱拡散又はイオン打ち込みなどの方法に
より、ダイヤフラム部３内の測温抵抗体６ａ、６ｂ、６
ｃ、６ｄを除いた半導体薄膜領域に高濃度の不純物拡散
を行う。

【００８０】次にマスク材を除去した後、公知のホトリ
ソグラフィ技術により所定の形状にレジストを形成した
後、反応性イオンエッチングなどの方法により、半導体
薄膜をパターニングし、各抵抗体４、６ａ、６ｂ、６
ｃ、６ｄ、７と配線接続部１１(１１ａ、１１ｂ、１１
ｃ、１１ｄ、１１ｅ、１１ｆ、１１ｇ、１１ｈ、１１
ｉ、１１ｊ、１１ｋ、１１ｌ)を得る。

【００８１】この結果、測温抵抗体６ａ、６ｂ、６ｃ、
６ｄの不純物濃度は、発熱抵抗体４及び空気温度測温抵
抗体７の不純物濃度より少なめに設定されるので、測温
抵抗体６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄを形成している単結晶ケ
イ素半導体薄膜の抵抗温度係数が大きくなり、感度が向
上が図られる。

【００８２】また、同じくダイヤフラム部３内の測温抵
抗体６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄの不純物濃度に比較して、
配線接続部１１(１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１
１ｅ、１１ｆ、１１ｇ、１１ｈ、１１ｉ、１１ｊ、１１
ｋ、１１ｌ)の不純物濃度が高く設定されたことによ
り、配線接続部１１が高い導電性を持ち、抵抗値が下げ
られるので、不要な発熱と配線抵抗が抑えられ、計測精
度の安定化が図れる。

【００８３】次いで、後工程として、ＣＶＤ法などの方
法により、二酸化ケイ素を約０．５μｍの厚さに形成
し、保護膜８ｂとする。ここで、この保護膜８ｂの材質
としては、上記した二酸化ケイ素に限らず、例えば、機
械強度が高く熱膨張係数が単結晶ケイ素(Ｓｉ)半導体基
板２より若干大きい窒化ケイ素(Ｓｉ₃ Ｎ₄)を用いても
よい。

【００８４】或いは、熱膨張係数が単結晶ケイ素の半導
体基板２の１／１０である二酸化ケイ素の層と、熱膨張
係数が半導体基板２より若干大きい窒化ケイ素の層によ
る多層構成とし、熱膨張係数のマッチングを図った構成
とすることもでき、これによれば、温度変化による半導
体基板２と保護膜８ｂ間の熱応力が低減できるので、強
度の向上を更に図ることができる。

【００８５】次に、外部回路と接続のための端子電極部
１２(１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ、１２
ｆ、１２ｇ、１２ｈ)となる部分の保護膜８ｂを除去
し、アルミニウム、金などにより端子電極１２を形成さ
せる。ここで、配線接続部１１も、単結晶ケイ素半導体
薄膜とアルミニウム、金などの金属膜による多層膜構成
にしてもよい。

【００８６】最終工程では、半導体基板２の裏面にエッ
チング用のマスク材を所定の形状にパターニングし、水
酸化カリウム(ＫＯＨ)などのエッチング液を用いて異方
性エッチングして空洞部９を形成してやれば、この実施
形態による熱式空気流量センサ素子１が完成することに
なる。

【００８７】ところで、この実施形態では、図６に示さ
れているように、発熱抵抗体４と空気温度測温抵抗体７
は、一方の端子が直接接続される。また、測温抵抗体６
ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄも、ブリッジ回路を形成している
ので、相互に直接接続されている端子がある。

【００８８】そこで、この実施形態では、図１に示され
ているように、各抵抗体が直接接続される部分の配線接
続部１１については、センサ素子１内で共通にして端子
電極１２を設けるようにしている。具体的には、図１の
通りで、まず発熱抵抗体４の一方の配線接続部１１ｌ
と、空気温度測温抵抗体７の一方の配線接続部１１ｂを
直列に接続し、この接続部に端子電極１２ｈを設けてい
る。

【００８９】次に、上流に配置された測温抵抗体６ａの
一方の配線接続部１１ｄと下流に配置された測温抵抗体
６ｃの一方の配線接続部１１ｋを直列に接続し、この接
続部に端子電極１２ｇを設け、同測温抵抗体６ｃの他方
の配線接続部１１ｊと上流に配置された測温抵抗体６ｂ
の一方の配線接続部１１ｅを直列に接続し、この接続部
に端子電極１２ｆを設け、更にこの測温抵抗体６ｂの他
方の配線接続部１１ｆと下流に配置された測温抵抗体６
ｄの一方の配線接続部１１ｉを直列に接続し、この接続
部に端子電極１２ｅを設けるのである。

【００９０】従って、この実施形態によれば、端子電極
の共通化が図られ、端子電極の数が減少することから、
センサ素子１のチップ面積が小さくでき、基板当たりの
チップ取り数が多くなることと、外部回路との接続のた
めのワイヤボンディングなどの工数が低減できることに
より、充分な低コスト化が図れる。

【００９１】ところで、以上は、各抵抗体を単結晶ケイ
素半導体薄膜で形成した場合の実施形態について説明し
たが、本発明は、各抵抗体を多結晶ケイ素半導体薄膜で
形成しても、或いは白金などのの金属材料で各抵抗体を
形成してもよく、何れの実施形態によっても同様の効果
を得ることができる。

【００９２】また、上記実施形態では、発熱抵抗体４の
上下流に二対の測温抵抗体６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄを配
した場合について説明したが、一対の測温抵抗体を配し
た実施形態によってもよく、この場合も同様の効果を得
ることができる。

【００９３】更に上記実施形態では、発熱抵抗体４の上
下流に配した測温抵抗体の温度差から流量と流れの方向
を計測する温度差検知方式のセンサについてを説明した
が、本発明は、発熱抵抗体４の加熱電流から流量を計測
する直熱方式としても実施することができ、この場合で
も、同じく発熱抵抗体を２回転対称構成にすることによ
り温度分布の改善が図られ、応答性と精度の向上を得る
ことができる。

【００９４】

【発明の効果】本発明によれば、センサ素子を配置した
電気絶縁膜の温度分布が、発熱抵抗体に形成したスリッ
トにより適正化されるようにしたので、計測精度の高い
熱式空気流量センサを低コストで容易に提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による熱式空気流量センサの一実施形態
におけるセンサ素子の平面図である。

【図２】本発明による熱式空気流量センサの一実施形態
におけるセンサ素子の断面図である。

【図３】本発明による熱式空気流量センサの一実施形態
におけるセンサ素子の要部拡大図である。

【図４】本発明による熱式空気流量センサの一実施形態
におけるセンサ素子の実装状態の一例を示す説明図であ
る。

【図５】本発明による熱式空気流量センサの一実施形態
におけるセンサ素子の実装状態の一例を示す要部拡大図
である。

【図６】本発明のによる熱式空気流量センサの一実施形
態における回路図である。

【図７】従来技術におけるダイヤフラム部の温度分布を
説明するための特性図である。

【図８】本発明の一実施形態におけるダイヤフラム部の
温度分布を説明するための特性図である。

【図９】本発明の一実施形態におけるダイヤフラム部の
温度分布を説明するための特性図である。

【図１０】本発明による熱式空気流量センサの他の一実
施形態におけるセンサ素子の要部拡大図である。

【図１１】従来技術による熱式空気流量センサにおける
センサ素子の平面図である。

【図１２】従来技術による熱式空気流量センサにおける
センサ素子の断面図である。

【図１３】従来技術におけるダイヤフラム部の温度分布
を説明するための特性図である。

【符号の説明】

１センサ素子２半導体基板３ダイヤフラム部４発熱抵抗体５ａ、５ｂスリット６ａ、６ｂ上流側測温抵抗体６ｃ、６ｄ下流側測温抵抗体７空気温度測温抵抗体８ａ電気絶縁膜８ｂ保護膜９空洞部１０空気流１１、１１ａ〜１１ｌ配線接続部１２、１２ａ〜１２ｈ端子電極１３電源１４トランジスタ１５ａ、１５ｂ抵抗１６制御回路１７メモリ１８〜２５温度分布を表わす実線又は破線２４ダミーパターン２５吸気通路２６副通路２７支持体２８外部回路２９端子電極３０金線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中田圭一茨城県ひたちなか市高場2520番地株式会社日立製作所自動車機器事業部内 (56)参考文献特開昭61−194316（ＪＰ，Ａ) 特開平８−159834（ＪＰ，Ａ) 特開平４−145372（ＪＰ，Ａ) 特開平10−260069（ＪＰ，Ａ) 特開昭51−129191（ＪＰ，Ａ) 特開平６−11374（ＪＰ，Ａ) 特開平11−125550（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01F 1/00 - 9/02

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板の空洞部を覆って形成した電
気絶縁膜の一方の面に少なくとも発熱抵抗体を配置して
空気流量を計測する熱式空気流量センサにおいて、前記発熱抵抗体は、流量を計測すべき空気の流れに対し
てほぼ直交する方向に沿ってほぼ一直線上に配置され、且つ、前記発熱抵抗体は、その一部にスリットが形成さ
れ、当該スリットを形成した部分において発熱抵抗体に
流す加熱電流の電流密度が他の部分に比較して大きくな
るように形成されていることを特徴とする熱式空気流量
センサ。
【請求項２】半導体基板の空洞部を覆って形成した電
気絶縁膜の一方の面に少なくとも発熱抵抗体を配置して
空気流量を計測する熱式空気流量センサにおいて、前記空洞部は、その形状が略矩形に作られ、前記電気絶縁膜は、前記空洞部を覆う部分において、空
気の流れ方向の寸法Ｗと、それに直交する方向の寸法Ｌ
について、Ｌ＞４Ｗの関係が成り立ち、且つ、前記発熱抵抗体の空気の流れ方向と直交する方向
の長さをＬ１としたとき、前記電気絶縁膜の直交方向の
寸法Ｌについて、Ｌ＞１．１×Ｌ１の関係式が成り立つ
ように構成されていることを特徴とする熱式空気流量セ
ンサ。
【請求項３】請求項１又は請求項２に記載の発明にお
いて、前記半導体基板の空洞部を覆って形成した電気絶縁膜の
一方の面に、前記発熱抵抗体の上流方向と下流方向に離
間して少なくとも一対の測温抵抗体を設け、前記測温抵抗体の長さをＬ２としたとき、前記発熱抵抗
体の長さＬ１との間にＬ１＞１．０５×Ｌ２の関係式が
成り立つように構成したことを特徴とする熱式空気流量
センサ。
【請求項４】請求項３に記載の発明において、前記発熱抵抗体と前記測温抵抗体が、夫々の接続配線部
も含めて不純物ドープした多結晶又は単結晶の半導体膜
で構成され、前記測温抵抗体の不純物濃度が、前記接続配線部の不純
物濃度より小さく設定されていることを特徴とする熱式
空気流量センサ。
【請求項５】請求項３又は請求項４に記載の発明にお
いて、前記少なくとも一対の測温抵抗体のうち、上流に配置さ
れた測温抵抗体の一端と下流に配置された測温抵抗体の
一端とが接続配線部により上下流交互に直列に接続さ
れ、各接続配線部の接続部に外部に接続するための接続
電極部が設けられていることを特徴とする熱式空気流量
センサ。
【請求項６】請求項１〜請求項５の何れかに記載の熱
式空気流量センサを用いて内燃機関の吸入空気量を計測
し、燃料噴射量を制御するように構成したことを特徴と
する内燃機関制御装置。