(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材、
この基材上に設けられているパターンにより構成され、計測流体の温度を検出する第１及び第２の温度補償抵抗、
上記基材上に設けられ、上記第１の温度補償抵抗により検出された計測流体の温度に応じて発熱するように通電される第１の発熱抵抗、及び
上記基材上に設けられ、上記第２の温度補償抵抗により検出された上記計測流体の温度に応じて発熱するように通電される第２の発熱抵抗
を備え、上記基材上には、上記基材の一部を除去することによりダイヤフラム部が形成されており、
上記第１及び第２の発熱抵抗は、上記ダイヤフラム部に配置されており、
上記第１及び第２の温度補償抵抗は、上記計測流体の流れの方向の上流側で上記第１及び第２の発熱抵抗に並べて配置されており、
上記第１及び第２の温度補償抵抗のパターンは、上記基材上の同じ位置に互いにオーバーラップするように形成されており、
上記第１及び第２の温度補償抵抗は、絶縁性の中間膜を介して互いに積層されていることを特徴とする流量検出素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば内燃機関の吸入空気量を計測する流量検出素子に関し、特に発熱体又はこの発熱体によって加熱された部分から流体への熱伝達現象に基づいて流体の流速又は流量を計測する流量検出素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１４は例えば特開平１−１８５４１６号公報に示された従来の感熱式流量検出素子を示す平面図である。図において、セラミックなどの電気絶縁材料で作られた平板状の基材２３の表面上には、感熱抵抗体である白金薄膜からなる第１及び第２の発熱抵抗２４ａ，２４ｂがスパッタリング及びフォトエッチングにより形成されている。第１の発熱抵抗２４ａは気流の上流側に、第２の発熱抵抗２４ｂは気流の下流側にそれぞれ形成されている。また、第１及び第２の発熱抵抗２４ａ，２４ｂの表面には、アルミナ又は酸化シリコンの薄膜がコーティングされている。
【０００３】
また、吸気温度検出用の第１及び第２の温度補償抵抗２５ａ，２５も、感熱抵抗体である白金薄膜からなり、発熱抵抗２４ａ，２４ｂと同様のプロセスで基材２３上に形成されているが、それらの抵抗値は発熱抵抗２４ａ，２４ｂの５０倍以上になるように設計されている。発熱抵抗２４ａ，２４ｂと温度補償抵抗２５ａ，２５ｂには、外部接続端子２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２７ｄが設けられている。また、基材２３の発熱抵抗２４ａ，２４ｂと温度補償抵抗２５ａ，２５ｂとの間には、孔２７が設けられている。
【０００４】
次に、動作について説明する。発熱抵抗２４ａ，２４ｂは、温度補償抵抗２５ａ，２５ｂで計測された吸気温度よりも１００℃高い温度となるように、制御回路（図示せず）によって制御されている。図の矢印方向への気流が生じている場合、上流側に位置する第１の発熱抵抗２４ａから気流に伝達する熱は、気流の流速が速いほど増加する。
【０００５】
一方、下流側に位置する発熱抵抗２４ｂ上を通過する吸気は、上流側の発熱抵抗２４ａによって昇温されているため、第２の発熱抵抗２４ｂから吸気への熱の伝達量は、第１の発熱抵抗２４ａから吸気への熱の伝達量よりも少ない。即ち、第１の発熱抵抗２４ａは、第２の発熱抵抗２４ｂよりも良く冷却され、冷却の度合の差は、気流の流速が増すほど大きくなる。従って、第１の温度補償抵抗２５ａとの温度差が一定（１００℃）となるように第１の発熱抵抗２４ａに与えられる電流は、第２の温度補償抵抗２５ｂとの温度差が一定（１００℃）となるように第２の発熱抵抗２４ｂに与えられる電流よりも大きく、その差は気流の流速が速いほど大きくなる。
【０００６】
このように、発熱抵抗２４ａ，２４ｂに与えられる電流の差は、計測される気流の流速の関数となるため、気流の流速、又は所定の通路内を通過する気流の流量を計測することができる。また、第１及び第２の発熱抵抗２４ａ，２４ｂの冷却の度合いの差を検出することにより、流速だけではなく、流れの方向も検出することができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように構成された従来の流量検出素子においては、発熱抵抗２４ａ，２４ｂの抵抗値を、気流の流速に拘わらず、気流の温度に対して所定値に保つ必要があるため、気流の温度を測定する温度補償抵抗２５ａ，２５ｂが設けられている。温度補償抵抗２５ａ，２５ｂは機能的には１つでもよいが、制御回路の構成を簡単にするため、２個の発熱抵抗２４ａ，２４ｂに対して２個の温度補償抵抗２５ａ，２５ｂが設けられている。
【０００８】
しかし、第１及び第２の温度補償抵抗２５ａ，２５ｂが異なる場所に配置されているため、気流に温度分布が生じた場合、温度補償抵抗２５ａ，２５ｂの計測温度にばらつきが生じ、これに伴って発熱抵抗２４ａ，２４ｂの温度にもばらつきが生じて、流量検出精度が低下してしまう。
【０００９】
また、発熱抵抗２４ａ，２４ｂと基材２３との間の熱絶縁が不十分であると、熱伝導により基材２３が昇温され、基材２３上に温度分布が生じる。このため、温度補償抵抗２５ａ，２５ｂの位置により計測温度にばらつきが生じ、流量検出精度が低下してしまう。さらに、基材２３が昇温されていると、基材２３上の温度補償抵抗２５ａ，２５ｂの温度が計測流体温度よりも高くなり、計測流体温度を正しく計測することができず、流量検出精度が低下してしまう。
【００１０】
この発明は、上記のような問題点を解決することを課題としてなされたものであり、流量検出精度を向上させることができる流量検出素子を得ることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る流量検出素子は、基材、この基材上に設けられているパターンにより構成され、計測流体の温度を検出する第１及び第２の温度補償抵抗、基材上に設けられ、第１の温度補償抵抗により検出された計測流体の温度に応じて発熱するように通電される第１の発熱抵抗、及び基材上に設けられ、第２の温度補償抵抗により検出された計測流体の温度に応じて発熱するように通電される第２の発熱抵抗を備え、基材上には、基材の一部を除去することによりダイヤフラム部が形成されており、第１及び第２の発熱抵抗は、ダイヤフラム部に配置されており、第１及び第２の温度補償抵抗は、計測流体の流れの方向の上流側で第１及び第２の発熱抵抗に並べて配置されており、第１及び第２の温度補償抵抗のパターンは、基材上の同じ位置に互いにオーバーラップするように形成されており、第１及び第２の温度補償抵抗は、絶縁性の中間膜を介して互いに積層されているものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図について説明する。
参考例１．
図１は参考例１による流量検出素子を示す平面図、図２は図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。図において、例えば厚さ０．４ｍｍのシリコンからなる平板状の基材１の第１面１ａ上には、例えば厚さ１μｍの窒化シリコン等からなる絶縁性の支持膜２が、スパッタ、蒸着又はＣＶＤ等の方法で形成されている。
【００１３】
支持膜２上には、第１及び第２の発熱抵抗４，５がスパッタ又は蒸着等の方法で着膜されている。第１及び第２の発熱抵抗４，５は、例えば厚さ０．２μｍの白金等の感熱抵抗膜からなるパターンにより構成されている。また、発熱抵抗４，５のパターンは、写真製版、ウェットエッチング又はドライエッチング等の方法によりパターニングされて形成されている。さらに、発熱抵抗４，５の発熱部の大きさは、例えば１ｍｍ×０．０５ｍｍである。
【００１４】
また、支持膜２上には、第１及び第２の温度補償抵抗６ａ，６ｂが蒸着又はスパッタ等の方法で着膜されている。第１及び第２の温度補償抵抗６ａ，６ｂは、例えば厚さ０．２μｍの白金等の感熱抵抗膜からなるパターンにより構成されている。また、温度補償抵抗６ａ，６ｂのパターンは、写真製版、ウェットエッチング又はドライエッチング等の方法によりパターニングされて形成されており、それらの抵抗値は発熱抵抗４，５の５０倍以上になるように設計されている。
【００１５】
さらに、温度補償抵抗６ａ，６ｂのパターンは、同一面上で互いにオーバーラップするようにパターニングされている。即ち、第１の温度補償抵抗６ａのパターンの間に第２の温度補償抵抗６ｂのパターンが形成され、第２の温度補償抵抗６ｂのパターンの間にも第１の温度補償抵抗６ａのパターンが形成されている。そして、温度補償抵抗６ａ，６ｂを合わせた大きさが、例えば１ｍｍ×０．５ｍｍになっている。
【００１６】
発熱抵抗４，５及び温度補償抵抗６ａ，６ｂの上には、例えば厚さ１μｍの窒化シリコン等からなる絶縁性の保護膜３が、スパッタ、蒸着又はＣＶＤ等の方法で形成されている。発熱抵抗４，５及び温度補償抵抗６ａ，６ｂは、リードパターン８ａ〜８ｈを介して、流量検出素子の外部との電気的接続を行うための電極９ａ〜９ｈに接続されている。電極９ａ〜９ｈ上の保護膜３は、電極９ａ〜９ｈにボンディングワイヤ等を接続するために除去されている。但し、図１（図６、図８、図１０、図１２も同様）では、支持膜２上のパターンを明確にするため、保護膜３全体を取り除いて示している。
【００１７】
基材１の第１面１ａの裏側に位置する第２面１ｂ上には、裏面保護膜１０が形成されている。また、流量検出素子にはダイヤフラム部１２が形成されており、このダイヤフラム部１２に発熱抵抗４，５が配置されている。ダイヤフラム部１２は、例えば写真製版等の方法で裏面保護膜１０にエッチングホール１１を形成した後、例えばアルカリエッチング等を施して基材１の一部を除去することにより形成されている。
【００１８】
図３は図１の流量検出素子の制御回路を示す回路図である。発熱抵抗４，５は、図３に示すような制御回路によってそれぞれ所定の平均温度に制御される。制御回路は、温度補償抵抗６ａ及び発熱抵抗４を含む第１ブリッジ回路２２ａと、温度補償抵抗６ｂ及び発熱抵抗５を含む第２ブリッジ回路２２ｂと、発熱抵抗４，５を流れる加熱電流に相当する電圧ＶＭ１，ＶＭ２の差を求める回路２２ｃを有している。発熱抵抗４，５の発熱温度をそれぞれ温度補償抵抗６ａ，６ｂで検出された計測流体温度に基づいて適切に変えていくことにより、計測流体の流速と密度との積に相当する量が、加熱電流から求められる。
【００１９】
次に、動作について説明する。発熱抵抗４，５は、温度補償抵抗６ａ，６ｂで計測された計測流体温度よりも一定の温度、例えば１００℃高い温度となるように、制御回路によって制御されている。計測流体が図１の右方向へ流れている場合、上流側に位置する第１の発熱抵抗４から計測流体に伝達する熱は、計測流体の流速が速いほど増加する。
【００２０】
一方、下流側に位置する第２の発熱抵抗５上を通過する計測流体は、第１の発熱抵抗４によって昇温されているため、第２の発熱抵抗５から計測流体への熱の伝達量は、第１の発熱抵抗４から計測流体への熱の伝達量よりも少ない。従って、第１の温度補償抵抗６ａとの温度差が一定となるように第１の発熱抵抗４に与えられる加熱電流は、第２の温度補償抵抗６ｂとの温度差が一定となるように第２の発熱抵抗５に与えられる電流よりも大きく、その差は計測流体の流速が速いほど大きくなる。
【００２１】
このように、発熱抵抗４，５に与えられる電流の差は、計測流体の流速の関数となるため、計測流体の流速、又は所定の通路内を通過する計測流体の流量を計測することができる。また、第１及び第２の発熱抵抗４，５の冷却の度合いの差を検出することにより、流れの方向も検出することができる。
【００２２】
このような流量検出素子では、温度補償抵抗６ａ，６ｂがパターニングによって同一平面上で互いにオーバーラップするように構成され、同じ場所に配置されているため、計測流体に温度分布が生じた場合でも、温度補償抵抗６ａ，６ｂが検出する計測流体の温度は同じである。従って、発熱抵抗４，５の発熱温度も同じで、ばらつきが生じなくなり、検出精度を向上させることができる。
【００２３】
また、発熱抵抗４，５が基材１上に配置されているため、発熱抵抗４，５により基材１が昇温され、基材１上に温度分布が生じるが、温度補償抵抗６ａ，６ｂが基材１上の同じ場所に配置されているため、温度補償抵抗６ａ，６ｂに影響する基材１の温度は同じであり、発熱抵抗４，５の発熱温度にばらつきが生じなくなり、検出精度を向上させることができる。
【００２４】
ここで、図４は図１の流量検出素子を用いた流量センサの一例を示す正面図、図５は図４の流量センサの断面図である。図において、計測流体の通路を構成する円筒状の主通路管１８内には、主通路管１８と同軸の円筒状の検出管１７が配置されている。この検出管１７内には、図１と同様の流量検出素子１３が固定されている。
【００２５】
主通路管１８の外周部には、ケース１９が設けられている。ケース１９内には、流量検出素子１３を制御するための制御回路を含む回路基板２０が収容されている。ケース１９の外部には、制御回路を電源に接続したり、出力信号を外部に取り出したりするためのコネクタ２１が設けられている。
【００２６】
このような流量センサに流量検出素子１３を組み込むことにより、計測流体の流量を安定して検出することができる。
【００２７】
実施の形態１．
次に、図６はこの発明の実施の形態１による流量検出素子を示す平面図、図７は図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う断面図である。図において、例えば厚さ１μｍの支持膜２上には、例えば厚さ０．２μｍの白金等の感熱抵抗膜からなる第２の温度補償抵抗６ｂがスパッタや蒸着等の方法で着膜されている。支持膜２及び第２の温度補償抵抗６ｂ上には、例えば厚さ０．５μｍの窒化シリコン等からなる絶縁性の中間膜１４が、スパッタ、蒸着又はＣＶＤ等の方法で形成されている。
【００２８】
中間膜１４上には、例えば厚さ０．２μｍの白金等の感熱抵抗膜からなる発熱抵抗４，５及び第１の温度補償抵抗６ａが、スパッタ又は蒸着等の方法で着膜されている。第１の温度補償抵抗６ａは、中間膜１４を挟んで第２の温度補償抵抗６ｂ上に同じ大きさでパターニングされている。即ち、第１及び第２の温度補償抵抗６ａ，６ｂは、立体的に互いにオーバーラップされている。また、発熱抵抗４，５、温度補償抵抗６ａ及び中間膜１４上には、例えば０．５μｍの保護膜３が着膜されている。第２の温度補償抵抗６ｂに接続されているリードパターン９ａ，９ｇは、支持膜２上に形成され、他のリードパターン９ｂ〜９ｆ，９ｈは、中間膜１４上に形成されている。他の構成は、参考例１と同様である。
【００２９】
このような流量検出素子では、温度補償抵抗６ａ，６ｂが立体的に互いにオーバーラップされているため、計測流体に温度分布が生じた場合でも、温度補償抵抗６ａ，６ｂが検出する計測流体の温度は同じであり、発熱抵抗４，５の発熱温度にばらつきが生じなくなり、検出精度を向上させることができる。なお、基材1の厚さ方向（図７の上下方向）の温度分布は、中間膜１４が十分に薄いため、平面的な温度分布に比べて無視できる程度である。
【００３０】
また、発熱抵抗４，５が基材１上に配置されているため、発熱抵抗４，５により基材１が昇温され、基材１上に温度分布が生じるが、温度補償抵抗６ａ，６ｂが基材１上の同じ場所に配置されているため、温度補償抵抗６ａ，６ｂに影響する基材１の温度は同じであり、発熱抵抗４，５の発熱温度にばらつきが生じなくなり、検出精度を向上させることができる。
【００３１】
さらに、温度補償抵抗６ａ，６ｂは立体的にオーバーラップされているため、基材１の面積を小さくしたり、熱の影響を小さくするために温度補償抵抗６ａ，６ｂを発熱抵抗４，５から離したりすることができる。
【００３２】
参考例２．
次に、図８は参考例２による流量検出素子を示す平面図、図９は図８のＩＸ−ＩＸ線に沿う断面図である。この参考例２では、第１の発熱抵抗４及び第１の温度補償抵抗６ａと、第２の発熱抵抗５及び第２の温度補償抵抗６ｂとが、基材１の短辺方向（図８の左右方向）の中心線を中心として互いに対称に配置されている。また、温度補償抵抗６ａ，６ｂは、発熱抵抗４，５で昇温された気流によって検出誤差が生じないように、流れの方向について発熱抵抗４，５から十分に離して配置されることが望ましい。他の構成は、参考例１と同様である。
【００３３】
このような流量検出素子では、発熱抵抗４，５と基材１との間の熱絶縁が不十分で、熱伝導により基材１が昇温し、基材１上に温度分布が生じた場合でも、温度補償抵抗６ａ，６ｂが発熱抵抗４，５から熱伝導的に対称な位置に配置されているため、温度補償抵抗６ａ，６ｂに影響する基材１の温度はほぼ同じであり、発熱抵抗４，５の発熱温度にばらつきが生じなくなり、検出精度を向上させることができる。
【００３４】
参考例３．
次に、図１０は参考例３による流量検出素子を示す平面図、図１１は図１０のＸＩ−ＸＩ線に沿う断面図である。この参考例３では、第１の発熱抵抗４及び第１の温度補償抵抗６ａと、第２の発熱抵抗５及び第２の温度補償抵抗６ｂとが、基材１の短辺方向の中心線を中心として互いに対称に配置されている。また、基材１の長辺方向（図１０の上下方向）について、温度補償抵抗６ａ，６ｂは、発熱抵抗４，５よりも電極９ａ〜９ｈに近い位置に配置されている。さらに、温度補償抵抗６ａ，６ｂは、計測流体の流れの方向及び流れに直角な方向に発熱抵抗４，５を投影した領域の外に配置されている。他の構成は、参考例１と同様である。
【００３５】
このような流量検出素子では、計測流体の流れの方向及び流れに直角な方向について、温度補償抵抗６ａ，６ｂが発熱抵抗４，５からずらして配置されているため、発熱抵抗４，５により昇温されている計測流体の熱伝達による影響を受けず、計測流体温度の計測精度を高めることができる。
【００３６】
また、温度補償抵抗６ａ，６ｂが発熱抵抗から離れた位置に配置されているため、基材１の昇温の影響を低減することができる。さらに、温度補償抵抗６ａ，６ｂが互いに対称に配置されているため、発熱抵抗４，５からの熱伝導により基材１上に温度分布が生じた場合でも、温度補償抵抗６ａ，６ｂに影響する基材１の温度はほぼ同じであり、発熱抵抗４，５の発熱温度にばらつきが生じなくなり、検出精度を向上させることができる。
【００３７】
参考例４．
次に、図１２は参考例４による流量検出素子を示す平面図、図１３は図１２のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線に沿う断面図である。この参考例４では、温度補償抵抗６ａ，６ｂが基材１の短辺方向の中心に配置されている。また、温度補償抵抗６ａ，６ｂは、電極９ａ〜９ｈとは反対側の基材１の端部に設けられている。他の構成は、参考例１と同様である。
【００３８】
このような流量検出素子では、参考例１と同様に、温度補償抵抗６ａ，６ｂが平面的に互いにオーバーラップされているため、計測流体に温度分布が生じた場合でも、温度補償抵抗６ａ，６ｂが検出する計測流体の温度は同じであり、発熱抵抗４，５の発熱温度にばらつきが生じなくなり、検出精度を向上させることができる。
【００３９】
また、基材１上に温度分布が生じても、温度補償抵抗６ａ，６ｂに影響する基材１の温度は同じであり、発熱抵抗４，５の発熱温度にばらつきが生じなくなり、検出精度を向上させることができる。
【００４０】
さらに、電極９ａ〜９ｈを上、温度補償抵抗６ａ，６ｂを下として、図１２に示す流量検出素子を図４及び図５に示すような流量センサに組み込むことにより、温度補償抵抗６ａ，６ｂが発熱抵抗４，５よりも下方に配置されるため、発熱抵抗４，５から計測流体を介しての自然対流熱伝達の影響を温度補償抵抗６ａ，６ｂが受けにくくなり、計測流体温度の計測精度を向上させることができる。
【００４１】
なお、流れの方向を検出する必要がない場合には、発熱抵抗及び温度補償抵抗はそれぞれ１つずつ設ければよい。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明の流量検出素子は、第１及び第２の温度補償抵抗のパターンを、基材上の同じ位置に互いにオーバーラップするように形成したので、計測流体に温度分布が生じた場合でも、温度補償抵抗が検出する計測流体の温度を同じにすることができ、発熱抵抗の発熱温度にばらつきが生じるのを防止して、検出精度を向上させることができる。また、基材の温度のばらつきによる影響も防止することができ、検出精度を向上させることができる。さらに、第１及び第２の温度補償抵抗を、計測流体の流れの方向の上流側で第１及び第２の発熱抵抗に並べて配置したので、計測流体の流れの方向に直角な方向への温度分布の影響を低減して、検出精度を向上させることができる。また、第１及び第２の温度補償抵抗を、絶縁性の中間膜を介して互いに積層したので、基材の面積を小さくしたり、熱の影響を小さくするために温度補償抵抗を発熱抵抗から離したりすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  参考例１による流量検出素子を示す平面図である。
【図２】  図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。
【図３】  図１の流量検出素子の制御回路を示す回路図である。
【図４】  図１の流量検出素子を用いた流量センサの一例を示す正面図である。
【図５】  図４の流量センサの断面図である。
【図６】  この発明の実施の形態１による流量検出素子を示す平面図である。
【図７】  図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う断面図である。
【図８】  参考例２による流量検出素子を示す平面図である。
【図９】  図８のＩＸ−ＩＸ線に沿う断面図である。
【図１０】  参考例３による流量検出素子を示す平面図である。
【図１１】  図１０のＸＩ−ＸＩ線に沿う断面図である。
【図１２】  参考例４による流量検出素子を示す平面図である。
【図１３】  図１２のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線に沿う断面図である。
【図１４】  従来の感熱式流量センサの一例を示す平面図である。
【符号の説明】
１  基材、４  第１の発熱抵抗、５  第２の発熱抵抗、６ａ  第１の温度補償抵抗、６ｂ  第２の温度補償抵抗、１３  流量検出素子、１４  中間膜、１５  ダイヤフラム部、１６  スリット、１７  検出管。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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