(57)【要約】【課題】高速な応答、高精度な低流量検出および汚損物に対する高信頼性を有する温度差方式の熱式流量センサを実現する。【解決手段】流体中に配置した基板2と、基板2に形成した空洞部19を覆う電気的絶縁膜のメンブレン3、メンブレン3に配置した発熱素子6、発熱素子6の一方側に流体流方向に間隔をおき配置した第1の温度検出素子8及び発熱素子6の他方側に流体流方向に間隔をおき配置した第2の温度検出素子9を備える。メンブレン3の流体流方向長さをW、メンブレン3の流体流方向垂直な長さをL、メンブレン3の中心から第１の温度検出素子8の中心位置及び第2の温度検出素子9の中心位置までの距離をR、流体流方向のメンブレン3の端部から温度検出素子8及び温度検出素子9の端部までの距離をDとしたとき、0.21W≦R≦0.37W、D≧100μｍ、L≦0.75Wである。【選択図】図３
2020187009.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の流れの中に配置される基板と、
前記基板に形成された空洞部を覆う電気的絶縁膜からなるメンブレンと、
前記メンブレンに配置される発熱素子と、
前記発熱素子の一方側に前記流体の流れ方向に間隔をおいて配置された第１の温度検出素子および前記発熱素子の他方側に前記流体の流れ方向に間隔をおいて配置された第２の温度検出素子と、
を備え、
前記メンブレンの前記流体流れ方向の長さをＷ、前記メンブレンの前記流体流れ方向に垂直な長さをＬ、前記メンブレンの中心から前記第１の温度検出素子の中心位置までの距離をＲ、前記メンブレンの中心から前記第２の温度検出素子の中心位置までの距離をＲ、前記流体の流れ方向における前記メンブレンの一方の端部から前記第１の温度検出素子の端部までの距離をＤ、前記流体の流れ方向における前記メンブレンの他方の端部から前記第２の温度検出素子の端部までの距離をＤとしたとき、０．２１Ｗ≦Ｒ≦０．３７Ｗ、Ｄ≧１００μｍ、Ｌ≦０．７５Ｗであることを特徴とする温度差方式の熱式流量センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の温度差方式の熱式流量センサにおいて、
前記メンブレンの前記流体流れ方向の長さＷと、前記メンブレンの中心から前記第１の温度検出素子中心位置及び前記第２の温度検出素子中心位置までの距離Ｒは、０．２５Ｗ≦Ｒ≦０．３４Ｗであることを特徴とする温度差方式の熱式流量センサ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の温度差方式の熱式流量センサにおいて、
前記熱式流量センサは、自動車の内燃機関の吸入空気流量または排ガス流量の測定に用いられることを特徴とする温度差方式の熱式流量センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関などの流体の流量を発熱素子からの温度分布変化に基づいて計測する温度差方式の熱式流量センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年では、半導体技術を応用したマイクロマシン技術を用いて、シリコン基板の一部に空洞部を形成し、空洞部に形成した数ミクロンの電気絶縁膜上に発熱素子を形成したＭＥＭＳタイプの熱式流量センサが提案されている。
【０００３】
半導体技術により、微細構造を形成することができ、薄膜構造（メンブレン）を形成することで熱容量を小さくし、高速応答・低消費電力化が可能である。
【０００４】
流量検出には発熱素子の上流側及び下流側に温度検出素子を配置し、上流側と下流側の温度差に基づき、空気流量を計測するものが提案されている。
【０００５】
温度差方式の熱式流量センサは空気流量の流れ方向により、上流側と下流側の温度差が反転するため、流れ方向も検出することが可能である。
【０００６】
特許文献１には、高速の応答が可能で、且つ信頼性の高い温度差方式の熱式空気流量センサを実現するために、例えば、半導体基板に空洞部と空洞部を覆う電気絶縁膜よりなるダイヤフラムの空気流れ方向の幅が０．７ｍｍ以下で、発熱抵抗体は、空気流れ方向の幅が０．１ｍｍ以上で、且つ、上流側、下流側の各測温抵抗体は、空気流れ方向の敷設幅が０．１〜０．２ｍｍの範囲で構成することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−４８６１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
近年、内燃機関の高効率化のために、膨張比が圧縮比よりも大きくなるように工夫され、吸気バルブの開閉タイミングが工夫された内燃機関では、大きな脈動流が生じる場合がある。
【０００９】
このような脈動流が発生する環境では、流量検出の応答性が遅い流量センサでは変化に追従することができず、検出誤差が大きくなってしまう。
【００１０】
このため、応答性が速い熱式流量センサが望まれている。
【００１１】
温度差方式の熱式流量センサは、高速応答、低消費電力、流れ方向を検出できる利点があるが、脈動流が発生する環境下における応答性を向上するために、熱容量を小さくしたり、熱伝導性を良くしたりすると、低流量検出精度の低下や、汚損物などによる信頼性の悪化が生じうる。
【００１２】
しかしながら、従来技術においては、熱容量を小さくする場合や、熱伝導性を良くした場合での低流量における検出精度及び汚損物に対する信頼性の向上については検討されていなかった。
【００１３】
本発明の目的は、高速な応答、高精度な低流量検出および汚損物に対する高信頼性を有する温度差方式の熱式流量センサを実現することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記目的を達成するべく、本発明は次のように構成される。
【００１５】
温度差方式の熱式流量センサにおいて、流体の流れの中に配置される基板と、前記基板に形成された空洞部を覆う電気的絶縁膜からなるメンブレンと、前記メンブレンに配置される発熱素子と、前記発熱素子の一方側に前記流体の流れ方向に間隔をおいて配置された第１の温度検出素子および前記発熱素子の他方側に前記流体の流れ方向に間隔をおいて配置された第２の温度検出素子と、を備え、前記メンブレンの前記流体流れ方向の長さをＷ、前記メンブレンの前記流体流れ方向に垂直な長さをＬ、前記メンブレンの中心から前記第１の温度検出素子の中心位置までの距離をＲ、前記メンブレンの中心から前記第２の温度検出素子の中心位置までの距離をＲ、前記流体の流れ方向における前記メンブレンの一方の端部から前記第１の温度検出素子の端部までの距離をＤ、前記流体の流れ方向における前記メンブレンの他方の端部から前記第２の温度検出素子の端部までの距離をＤとしたとき、０．２１Ｗ≦Ｒ≦０．３７Ｗ、Ｄ≧１００μｍ、Ｌ≦０．７５Ｗである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、高速な応答、高精度な低流量検出および汚損物に対する高信頼性を有し、大きな脈動流が発生する場合にも、高精度な流量検出が可能な温度差方式の熱式流量センサを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施例１に係る温度差方式の熱式流量センサの概略平面図である。
【図２】図１のＡ―Ａ’線に沿った断面図である。
【図３】図１に示したメンブレンの拡大図である。
【図４】熱伝達量の変化の比率と温度検出素子の位置依存性を検討した結果を示すグラフである。
【図５】図４に示した解析結果について温度差分の正規化を行った結果を示すグラフである。
【図６】メンブレンの面積と熱応答性の検討結果を示すグラフである。
【図７】メンブレンの縦横比と、熱応答性との関係を示すグラフである。
【図８】汚損耐性について検討した結果を示すグラフである。
【図９】Ｒ／Ｗの値についての、低流量感度の効率を示し、製造ばらつきを考慮したときの温度検出素子の配置位置を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について添付図面に基づいて説明する。
【実施例】
【００１９】
（実施例１）
図１は、本発明の実施例１に係る温度差方式の熱式流量センサの概略平面図である。また、図２は、図１のＡ―Ａ’線に沿った断面図である。また、図３は、図１に示したメンブレン３の拡大図である。
【００２０】
図１、図２及び図３において、温度差方式の熱式流量センサ１は、全体が半導体基板２をベースとして形成されている。半導体基板２は、単結晶ケイ素（Ｓｉ）の板をウェットエッチングやドライエッチングなどで加工され空洞部１９が形成される。その一方の面（図では上側の面）に電気的絶縁膜１８からなるメンブレン３が形成されている。電気的絶縁膜１８は空洞部１９を覆う形状となっている。
【００２１】
半導体基板２は、流体の流れ５の中に配置される。
【００２２】
電気的絶縁膜１８は、多層構造であり、一例として二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）や窒化ケイ素(ＳｉｘＮｘ)の薄膜を積層して構成される。メンブレン３は流体の流れ５の流れ方向における長さはＷ（メンブレンの幅）であり、流体の流れ５の流れ方向に対して垂直な方向の長さはＬ（メンブレンの長さ）である。
【００２３】
図２に示すように、メンブレン３の電気的絶縁膜１８に発熱素子６および発熱素子６の両側であって、発熱素子６の近傍に温度検出素子８、９が配置されている。
【００２４】
温度検出素子８（第１の温度検出素子）は、発熱素子８と流体の流れ方向５の上流側（一方側）に間隔をおいて配置され、温度検出素子９（第２の温度検出素子）は、発熱素子８と流体の流れ方向５の下流側（他方側）に間隔をおいて配置される。
【００２５】
発熱素子６によりメンブレン３は加熱される。メンブレン端部４は熱伝導性が高い単結晶Ｓｉの半導体基板２に接続されているため、発熱素子６からメンブレン端部４に向かって温度勾配が生じる。
【００２６】
更に、メンブレン３と流体の流れ５の流体が接触する領域では流体への熱伝達による流体への放熱も生じる。流体の流れ５が無い場合には、メンブレン３での熱伝導と流体への自然対流による放熱により、メンブレン３に温度分布が生じる。流体の流れ５がある場合には強制対流による放熱となり、自然対流よりも放熱量が増加する。
【００２７】
放熱量の増加により、発熱素子６の上流側では流体の流れ５が無い場合に比べて、メンブレン３の上流側の温度が低下する。一方で発熱素子６の下流側では、発熱素子６により温められた流体の流れ５の流体が流れてくるため、流体の流れ５が無い場合に比べてメンブレン３の下流側の温度が上昇する。
【００２８】
流体の流れ５による上流側、下流側の温度変化を検出するために、流体の流れ５の流れ方向の発熱素子６の上流側に上流側温度検出素子８を配置し、下流側に下流側温度検出素子９を配置している。
【００２９】
温度検出素子８、９として感温抵抗体を用いる場合には、上流側に配置した上流側感温抵抗体１０と下流側に配置した下流側感温抵抗体１２を電気的に直列に接続し、抵抗分圧による中間電位を測定することで、上流側と下流側の温度差を検出することができる。
【００３０】
上流側感温抵抗体１０と下流側感温抵抗体１２の電気的接続が反対となるようにもう一組の上流側感温抵抗体１１ともう一組の下流側感温抵抗体１３を配置し、二組の抵抗直列回路をブリッジ回路とする。
【００３１】
これにより、流体の流れ５の大きさに応じて、それぞれの抵抗直列回路の中間電位が電気的に反対方向に変化するように接続し、ブリッジ回路の差電圧を検出することで、抵抗直列回路一組に対して流体の流れ５の大きさに対する電圧変化が２倍となる。
【００３２】
温度検出素子８は、引き出し配線１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄに接続され、発熱素子６の発熱素子温度検出素子７は、引き出し配線１５ｅ、１５ｆに接続されている。
【００３３】
また、温度検出素子９は、引き出し配線１５ｇ、１５ｈ、１５ｉ、１５ｊに接続されている。
【００３４】
また、発熱素子６は、配線１４ａ、１４ｂに接続されている。配線１４ａ、１４ｂは、ボンディングパッド１６に接続されている。
【００３５】
また、引き出し配線１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ、１５ｆ、１５ｇ、１５ｈ、１５ｉ、１５ｊはボンディングパッド１７に接続されている。
【００３６】
温度検出素子８、９として、熱電対を用いる場合には、熱電対の温接点を発熱素子６の上流側と下流側にそれぞれ設ける。熱電対の冷接点はメンブレン３では無く、半導体基板２にオーバーラップした電気的絶縁膜１８に配置する。
【００３７】
熱電対は温接点と冷接点の温度差に依存した起電圧が出力されるので、冷接点の温度を基準にした温度差に基づいた電圧が出力される。上流側の上流側起電力と下流側の下流側起電力の差分を計算することで流体の流れ５の大きさに依存した電圧信号となる。
【００３８】
また、発熱素子６によるメンブレン３の加熱温度は強制対流の場合には自然対流に比べて、放熱量が大きくなり、加熱温度が低下してしまう。発熱素子６の加熱温度を検出するための発熱素子温度検出素子７を発熱素子６の近傍に設けることで、加熱温度の変化に応じた後処理や、加熱温度を所定の温度に制御する発熱素子６の温度制御が行われる。
【００３９】
図３に示すように、流体の流れ５の流れ方向における、温度検出素子８、９の温度検出領域（破線で示す）の中心位置とメンブレン３の中心位置との流体の流れ５の流れ方向における距離（メンブレン３の長手方向に沿った、温度検出素子８、９の温度検出領域のそれぞれの中心線と、メンブレン３の長手方向中心線との距離）をＲとし、流体の流れ５の流れ方向における、メンブレン３の一方のメンブレン端部４から温度検出素子８の温度検出領域の周縁部と距離をＤ、メンブレン３の他方のメンブレン端部４から温度検出素子９の温度検出領域の周縁部との距離をＤとする。
【００４０】
距離Ｒにおける温度検出素子８、９の温度検出領域の中心位置（中心線）は温度検出における特性中心である。温度検出素子８、９の温度検出領域内で温度の検出感度が一定であれば、上述した特性中心は幾何学中心と同一であり、温度検出領域内で温度の検出感度が不均一であれば、上記特性中心は温度検出素子８、９の温度検出領域内で温度検出感度を算術平均した位置である。
【００４１】
温度検出素子８、９を発熱素子６のより近傍に配置すると、発熱素子６からの熱伝導量は大きく、また流体の流れ５による熱伝達量も大きくなるが、発熱素子６からの熱伝導量が流体の流れ５による熱伝達量変化よりも大きな比率を占めるため、流体の流れ５の大きさが変化しても、発熱素子６近傍の温度は変化しにくいことが分かる。
【００４２】
一方、メンブレン端部４のより近傍に温度検出素子８、９を配置すると、発熱素子６からの熱伝導量は小さく、流体の流れ５による熱伝達量変化も小さくなるため、メンブレン端部４近傍での温度は変化しにくいことが分かる。
【００４３】
発熱素子６からの熱伝導量と流体の流れ５による熱伝達量の変化の比率と温度検出素子８、９の位置依存性を熱流体解析手法により検討した。
【００４４】
図４は熱伝達量の変化の比率と温度検出素子８、９の位置依存性を検討した結果を示すグラフである。
【００４５】
図４において、温度検出素子８、９の位置Ｒを横軸に示し、上流側温度検出素子８の温度と下流側温度検出素子９の温度との差分ΔＴを縦軸に示した。流体の流れ５の大きさは０．１ｍ/ｓとし、メンブレン幅Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４の依存性についても検討を行った。メンブレン幅の大小関係は、Ｗ１＜Ｗ２＜Ｗ３＜Ｗ４である。
【００４６】
検討の結果より、各メンブレン幅Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４に対して温度差分ΔＴの極大点が存在することが分かった。更に、メンブレン幅Ｗが大きくなると温度差分ΔＴの極大点も大きくなることが分かった。
【００４７】
図５は、図４に示した解析結果について、温度差分ΔＴの正規化を行った結果を示し、Ｒ／Ｗの値についての、低流量感度の効率を示すグラフである。
【００４８】
図５において、横軸は各メンブレン幅Ｗで温度検出素子８、９の位置Ｒを正規化した値(Ｒ/Ｗ)を示し、縦軸は各メンブレン幅Ｗでの温度差分ΔＴの極大値を用いて温度差分ΔＴを正規化した値（ΔＴ/ΔＴｍax（低流量感度の効率））を示した。
【００４９】
図５に示す検討結果から、温度検出素子８、９の位置で正規化した値(Ｒ/Ｗ)と温度差分ΔＴを正規化した値（ΔＴ/ΔＴｍax）は極大値を持つことが分かる。また、近似曲線を破線で示した。更にＲ/Ｗが小さい領域と大きい領域を直線で近似したときの近似直線を実線で示した。
【００５０】
上記近似曲線と上記近似直線が乖離するポイントが温度差分ΔＴを効率的に得られる温度検出素子８、９の位置であると考えられ、温度検出素子８、９の位置Ｒは０．２１Ｗ≦Ｒ≦０．３７Ｗの範囲であることが分かる。
【００５１】
図６は、メンブレン３の面積Ｗ×Ｌと熱応答性の検討結果を示すグラフである。図６の横軸がメンブレン３の面積Ｗ×Ｌを示し、縦軸が熱応答を示す。
【００５２】
図６に示したプロット点は、メンブレン３の縦横比が１に近い形状の特性である。
【００５３】
図６に示すように、メンブレン３の面積が大きくなると熱応答性は遅くなり、面積が小さくなると熱容量が小さくなるため、熱応答性が早くなることが分かる。一方でメンブレン幅Ｗ、長さＬの比に着目すると、図７のような特性が確認された。
【００５４】
図７は、メンブレン３の縦横比と、熱応答性との関係を示すグラフである。図７の横軸はメンブレン３の縦横比（Ｌ／Ｗ）を示し、縦軸は同一面積の正方形形状での熱応答性を基準にし、メンブレン３の縦横比を変えた形状での熱応答性の比率を示す。熱応答性は応答時間であり、応答時間が小さい方ほど熱応答性が早いことを示している。
【００５５】
図７に示した特性から、メンブレン３の面積が同一となる形状での熱応答性を比較すると、縦長形状（Ｌ／Ｗ＞１）と横長形状（Ｌ／Ｗ＜１）で熱応答性の比率が小さくなっていることが分かる。
【００５６】
これは、メンブレン３の短辺側の熱容量が応答性に大きく寄与していることを示している。
【００５７】
温度差方式の熱式流量センサ１では、温度差を検出するために、流体の流れ５の流れ方向に熱伝導性の高い配線が配置されるため、メンブレン３の流体の流れ５の流れ方向に垂直な方向よりも流体の流れ５の流れ方向の熱伝導性が高くなっている。
【００５８】
メンブレン３を横長形状（流体の流れ５の流れ方向が横方向）とすることで、熱伝導性の低い流体の流れ５の流れ方向に垂直な方向の熱容量、熱伝導性を改善でき、メンブレン３の形状が縦長形状よりも横長形状の方が応答性の改善効果が大きくなっている。
【００５９】
また、その比率は、図７に示すように、Ｌ／Ｗ≦０．７５の範囲で改善効果が顕著となる。Ｌ/Ｗの比率が小さくなると、空洞部１９（図３においてメンブレン３の下方に広がる空間部）の加工寸法ばらつきにより熱応答性が大きく変化してしまう。
【００６０】
空洞部１９の加工精度より精度が高く、電気的絶縁膜１８よりも熱伝導性の大きい材料をメンブレン３の流体の流れ５の流れ方向に垂直な方向に配置した伝熱形状とすることで、同様の応答性改善効果を得ることが可能である。
【００６１】
さらに、汚損耐性について検討した結果を図８に示した。図８の横軸にメンブレン端部４から温度検出素子８、９の温度検出領域の端部までの距離Ｄを示し、縦軸に汚損による特性誤差（汚損誤差）を示した。図８の破線は近似曲線であり、実線を近似直線である。
【００６２】
汚損物の堆積は熱泳動現象により、温度勾配の大きいメンブレン端部４で堆積が顕著となる。汚損による特性誤差は汚損物の堆積により、熱伝導性や放熱性が変化することで生じると考えられる。距離Ｄが小さいと温度検出素子８、９からメンブレン端部４までの距離が小さく、汚損による熱伝導性や放熱性の変化影響が大きくなってしまう。
【００６３】
図８に示すように、距離ＤをＤ≧１００μｍとすることで、その影響度を低減し汚損耐性のある温度差方式の熱式流量センサ１を提供することができる。
【００６４】
以上の検討結果から、実施例１では、メンブレン３の形状、温度検出素子８、９の配置を、０．２１Ｗ≦Ｒ≦０．３７Ｗ、Ｄ≧１００μｍ、Ｌ≦０．７５Ｗとすることで、温度差方式の熱式流量センサ１の応答性、低流量感度、汚損耐性を両立する形状としている。
【００６５】
つまり、実施例１によれば、高速な応答、高精度な低流量検出および汚損物に対する高信頼性を有する温度差方式の熱式流量センサを実現することができ、大きな脈動流が発生する場合にも、高精度な流量検出が可能である。
【００６６】
なお、距離Ｄの上限寸法、長さＬの下限寸法は、製造上の制限から決定することが可能である。
【００６７】
（実施例２）
次に、本発明の実施例２について説明する。
【００６８】
実施例２は、温度検出素子８、９の配置について製造時のばらつきを考慮した例である。
【００６９】
図９は、図５と同様に、Ｒ／Ｗの値についての、低流量感度の効率を示すグラフであり、製造ばらつきを考慮したときの温度検出素子８、９の配置位置を示す。
【００７０】
図５に示した例では、近似曲線と近似直線とが乖離するポイントを効率的な配置としたが、Ｒ／Ｗの値が０．２１０及び０．３７では、近似直線の傾きが大きく、製造時のばらつきによりＲ/Ｗが変化すると特性が増減してしまい特性ばらつきが大きくなってしまう。
【００７１】
そこで、近似直線を低流量感度の効率が１となる点まで延長したときの効率１との交点を効率的かつ製造性を考慮した温度検出素子８、９の配置とすることで、近似直線よりも、Ｒ/Ｗに対する傾きが絶対値的に小さく、製造ばらつきによる特性ばらつきが小さくなる。
【００７２】
このため、特性ばらつきを抑制することができ、製造性を考慮することができることが分かる。
【００７３】
以上より、本発明の実施例２においては、製造性を考慮したより好適な温度検出素子８、９の配置は ０．２５Ｗ≦Ｒ≦０．３４Ｗである。
【００７４】
その他の構成は、実施例１と実施例２とは同様である。
【００７５】
よって、本発明の実施例２によれば、実施例１と同様な効果が得られる他、特性ばらつきを抑制することができ製造効率を向上することができる。
【００７６】
上述した例において、製品上、好ましい例は、Ｗ＝６００μｍ、Ｌ＝４００μｍである。
【００７７】
本発明は、自動車の内燃機関の吸入空気流量や排ガス流量の測定に用いられる温度差方式の熱式流量センサに適用することができるが、その他のものにも適用可能である。
【００７８】
例えば、空調機の空気流量測定用センサ、医療用の呼吸監視のための流量測定センサにも本発明は適用可能である。
【００７９】
また、上述した半導体基板２は、半導体基板以外の基板であっても本発明は適用可能である。
【００８０】
また、本発明は、気体の流量を検出する熱式流量センサのみならず、液体の流量を検出する温度差方式の熱式流量センサにも適用可能である。
【符号の説明】
【００８１】
１・・・温度差方式の熱式流量センサ、  ２・・・半導体基板、  ３・・・メンブレン、  ４・・・メンブレン端部、  ５・・・流体の流れ、  ６・・・発熱素子、  ７・・・発熱素子温度検出素子、  ８・・・上流側温度検出素子、  ９・・・下流側温度検出素子、  １０、１１・・・上流側感温抵抗体、  １２、１３・・・下流側感温抵抗体、  １４ａ、１４ｂ・・・発熱素子の配線、  １５ａ〜１５ｊ・・・温度検出素子の引き出し配線、  １６・・・発熱素子のボンディングパット、  １７・・・温度検出素子のボンディングパット、  １８・・・電気的絶縁膜、  １９・・・空洞部
【図１】
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【図２】
2020187009.tif 000004
【図３】
2020187009.tif 000005
【図４】
2020187009.tif 000006
【図５】
2020187009.tif 000007
【図６】
2020187009.tif 000008
【図７】
2020187009.tif 000009
【図８】
2020187009.tif 000010
【図９】
2020187009.tif 000011