(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板に形成した測温抵抗体と該半導体基板の薄肉部に形成した発熱抵抗体とを含む測定部位を有する半導体センサ素子を、積層基板の窪み部に前記半導体センサ素子の測定部位と該積層基板の表面がほぼ同一平面になるように実装すると共に、該積層基板とは分離された別の基板にセンサを制御するための回路を実装し、前記積層基板と前記別の基板とを電気的に接続し、前記積層基板が予め穴を設けたベリリアと炭化珪素を除くセラミック材の基板と穴を設けないベリリアと炭化珪素を除くセラミック材の基板とを積層し焼成し前記窪み部を構成した熱式空気流量センサ。
【請求項２】
請求項１において、前記セラミック材は、アルミナ，アルミナ−ガラス複合材，ジルコニア，窒化珪素または窒化アルミニウムで構成され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または２において、
前記積層基板と前記半導体センサ素子と前記別の基板にはそれぞれ電極が設けられ、これらがワイヤを介して電気的に接続されたことを特徴とする熱式空気流量センサ。
【請求項４】
半導体基板に形成した測温抵抗体と該半導体基板の薄肉部に形成した発熱抵抗体とを含む測定部位を有する半導体センサ素子を、樹脂製基板の窪み部に前記半導体センサ素子の測定部位と該樹脂製基板の表面がほぼ同一平面になるように実装すると共に、該樹脂製基板とは分離された別の基板にセンサを制御するための回路を実装し、前記樹脂製基板と前記別の基板とを電気的に接続した構成であり、前記樹脂製基板が液晶ポリマーまたはポリフェニレンサルファイド樹脂を射出成形により成形されたことを特徴とする熱式空気流量センサ。
【請求項５】
請求項４において、
前記樹脂製基板と前記半導体センサ素子と前記別の基板にはそれぞれ電極が設けられ、これらがワイヤを介して電気的に接続されたことを特徴とする熱式空気流量センサ。
【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に係わり、特に内燃機関の空気を測定する熱式空気流量センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、自動車などの内燃機関の吸入空気通路に設けられ、吸入空気量を測定する空気流量センサとして、熱式のものが質量空気量を直接検知できることから主流となってきている。最近では特に半導体マイクロマシニング技術により製造された空気流量センサが高速応答性を有することや、その応答性の速さを利用して逆流検出も可能であることから注目されてきた。
【０００３】
このような従来の半導体基板を用いた熱式空気流量センサの技術は、例えば特表平９−５０３３１２号に開示されている。従来実施例ではセンサ素子が金属製のケーシングに支持され、かつ回路基板がケーシング内に配置され、半導体センサ素子と回路基板を金属ワイヤで電気的に接続した構造である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術は、以下のような課題がある。ケーシングの材料は金属製でありこれに半導体センサ素子と制御回路基板を実装することにより対電波障害性を改善しているが、反面金属製のケーシング材は熱伝導率が大きく、通路等がエンジンの熱の影響で加熱されるとその熱が半導体センサ素子に伝わりやすく特性誤差を生じる要因になっていた。また、金属は熱容量が大きく、低温状態に置かれた熱式空気流量計が急に高温高湿の空気を吸入した場合には、水蒸気が結露して水滴となり半導体センサ素子に付着する場合があった。この場合、急激な温度変化に発熱抵抗体を形成した薄肉部が耐えられず破損するものもあった。さらに、金属製ケーシングでは特表平９−５０３３１２号の図５に示すように構造が複雑であり、製造ばらつきが生じやすく、価格的にも高価である。
【０００５】
従って、本発明の目的は、信頼性の高い、特性誤差を生じにくい構造とし、さらにはコスト低減が図られる熱式空気流量センサを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、半導体基板に形成した測温抵抗体と該半導体基板の薄肉部に形成した発熱抵抗体とを含む測定部位を有する半導体センサ素子を、積層基板の窪み部に前記半導体センサ素子の測定部位と該積層基板の表面がほぼ同一平面になるように実装すると共に、該積層基板とは分離された別の基板にセンサを制御するための回路を実装し、前記積層基板と前記別の基板とを電気的に接続し、前記積層基板が予め穴を設けたセラミック材（但しベリリアと炭化珪素を除く）の基板と穴を設けないセラミック材（但しベリリアと炭化珪素を除く）の基板とを積層し焼成し前記窪み部を構成した熱式空気流量センサによって達成される。
【０００７】
また、上記目的は、半導体基板に形成した測温抵抗体と該半導体基板の薄肉部に形成した発熱抵抗体とを含む測定部位を有する半導体センサ素子を、樹脂製基板の窪み部に前記半導体センサ素子の測定部位と該樹脂製基板の表面がほぼ同一平面になるように実装すると共に、該樹脂製基板とは分離された別の基板にセンサを制御するための回路を実装し、前記樹脂製基板と前記別の基板とを電気的に接続した構成であり、前記樹脂製基板が液晶ポリマーまたはポリフェニレンサルファイド樹脂を射出成形により成形されたことを特徴とする熱式空気流量センサによって達成される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について、図面により説明する。
【０００９】
図１は本発明の第一の実施例である熱式空気流量センサ１を示す断面図である。
【００１０】
図２は図１に示す熱式空気流量センサ１のセンサ部と回路基板の断面図である。
【００１１】
図１、図２において、熱式空気流量センサ１は半導体センサ素子２とそれを支持する積層基板８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄと回路を実装する基板９、副通路１０、外部への入出力を行う金属端子２１等を含み構成され、そして半導体センサ素子２はシリコン等の半導体基板を下面より異方性エッチングして形成されたダイヤフラム６とダイヤフラム６上（薄肉部）に形成された発熱抵抗体３と、半導体基板上に形成されて空気温度を計測するための測温抵抗体４と各抵抗体と制御回路を結ぶ電極２０ａ、２０ｂ、２０ｃを含み構成される。
【００１２】
本発明の熱式空気流量センサ１は図１、または図２に示すように半導体センサ素子２を数層のセラミックからなる積層基板８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄに半導体センサ素子２が収まる程度の窪みを設け、そこにセンサ接着剤７により積層基板８ｃと接着する。この時、半導体センサ素子２のダイヤフラム６表面と積層基板８ａの表面がほぼ同じ面に配置されるように積層基板８ａ、８ｂの窪み深さを設定してやる必要がある。これは、積層基板８ａと半導体センサ素子２の表面高さが異なっていると空気の流れが乱れて不安定になり、出力特性が安定しなくなるためである。
【００１３】
積層基板８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄを用いることにより、この窪み深さを安定して成形できることが特徴である。以下に積層基板８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ製作の製造工程の概要を、セラミック製積層基板８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄを例に述べる。まず、厚さ０．１〜０．３ｍｍ程度のグリーンシート状態のセラミック製積層基板８ｄに、同様のグリーンシート状態の積層基板８ａ、８ｂ、８ｃを密着させて加圧し積層させる。この時、上層の積層基板８ａ、８ｂの半導体センサ素子２が配置される部分は抜き打ち型等により所定の形状に穴を空けておく。これを焼成して部分的に窪みを有する積層基板８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄを製作する。セラミック製のグリーンシートは焼成条件によって１０〜３０％の収縮があるのでグリーンシートの高さはこれを勘案してやや厚めに設定しておく。この様な積層手段により得られる窪みは、窪みの底の平面度が確保できるという特徴があり、プレス成形で得られるような窪みのコーナー部に丸みがつくものとは異なっている。そのため、半導体センサ素子２を窪みに配置した時に積層基板８ａの表面と半導体センサ素子２の表面を安定して一致させることができるようになり、出力特性ばらつきの低減を図ることが可能となる。また、特表平９−５０３３１２号の図５に示すような複雑で折り曲げ部を持つ構造とは異なり、積層後焼成するだけで積層基板８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄを製造できるため安価である。
【００１４】
また、金属基板上に半導体センサ素子２を配置すると、金属では熱伝導率が良すぎるため、エンジンで発生した熱を受けて通路１１が暖められると通路１１を介してハウジング１４や金属基板に熱が伝わりそれが半導体センサ素子２に伝わってしまう。すると半導体センサ素子２上に形成された測温抵抗体４が実際に流れている空気の温度よりも高くなるため、これが出力特性の誤差要因となる。従って積層基板８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄに用いるセラミック材料としてはベリリア、炭化珪素のような熱伝導性の良い材料は適さない。
【００１５】
材料としてはアルミナ、またはアルミナとガラスの複合材、ジルコニア、窒化珪素、窒化アルミニウム等の材料にすべきである。特に、価格的な有利性を考慮すれば、アルミナ、あるいはアルミナとガラスの複合材が優れている。また、強度的にはアルミナが優れているがアルミナ−ガラスの複合材はガラスが配合されているため、熱伝導率が非常に小さい分、熱的性能面で有利である。
【００１６】
更に本発明の構造では、半導体センサ素子２を支持するための窪みを有する積層基板８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄと制御回路基板９が分離している。そのため、エンジンで発生した熱の影響で熱源に近い制御回路基板９が温度上昇しても、その熱が半導体センサ素子２を実装した積層基板８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄに直接伝わらない。従ってエンジンからの熱影響を受け難いため、高精度化が可能である。
【００１７】
また、積層基板８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄの窪み部に半導体センサ素子２を配置する構造も熱影響を小さくしている。
【００１８】
周囲から半導体センサ素子２を実装する積層基板８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄに伝わった熱はセンサ接着剤７を介して半導体センサ素子２に伝わる。しかし、半導体センサ素子２が配置されている窪み部では積層枚数が薄くなっているので、窪み部には熱が伝わりにくい。そのため、半導体センサ素子２にも熱が伝わりにくくなっている。
【００１９】
セラミック材を用いることによるその他の効果として、金属材料を用いた場合に比べて水分が結露しにくい点がある。
【００２０】
すなわちセラミックス材は同じ大きさの金属材料に比べると熱容量が小さいため、外気温度の変化に対し温度追従性が高い。例えば吸気管内の半導体センサ素子２近傍が冷えた状態で高温高湿の外気が流入した場合、温度追従性が悪いと水蒸気が結露し半導体センサ素子２に付着する可能性がある。動作中の半導体センサ素子２に水滴が付着すると誤動作の原因となり、最悪の場合はヒートショックにより半導体センサ素子２のダイヤフラム６を破損してしまう。
【００２１】
この問題を回避するためにも、セラミック製の積層基板８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄの採用が有利である。
【００２２】
また耐電波障害性の改善のためには、半導体センサ素子２を実装する積層基板８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄのいずれかの表面に図３に提案する構造を実装することが可能である。図３の実施例は積層基板８ｄの表面に銀−白金、あるいは銀−パラジウム等の金属を含む金属膜１９を網目状に形成したものであり、これを回路基板のグランド電極に接地させる。図示した金属膜１９は網目状であるが、もちろん積層された基板の最下層表面等に全面に印刷しても効果は同じである。この構成であれば電波障害から守るための金属シールド等を設ける必要が無くなり、その分のコスト低減も可能となる。
【００２３】
前述の説明ではセラミック製の積層基板８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄを用いて実施例を示したが、更なる熱的性能の向上には、半導体センサ素子２を支持するための積層基板８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄの代わりに耐熱温度の高い液晶ポリマーまたはポリフェニレンサルファイド樹脂等の樹脂製基板２２を用いることが有効である。この場合基板は射出成形で、高精度な形状を大量生産できる。そして、液晶ポリマーまたはポリフェニレンサルファイド樹脂等の樹脂材は同じ大きさのセラミックよりも熱容量が小さくかつ熱伝導率が小さいので、いっそう半導体センサ素子２上に水蒸気が結露し難くなり、エンジンからの熱影響も一層受け難くなる。これにより更に信頼性を向上させることが可能となる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、信頼性の高い、特性誤差を生じにくい構造とし、さらにはコスト低減が図られる熱式空気流量センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による半導体センサ素子を積層基板に実装した熱式空気流量センサを示す断面図。
【図２】本発明による積層基板の窪みに半導体センサ素子を実装し回路と電気的に接続した熱式空気流量センサを示す部分断面図。
【図３】本発明による半導体センサ素子を実装する積層基板の内部に形成した金属膜の配線パターンを示す図。
【図４】本発明による半導体センサ素子を実装する樹脂製基板を示す図。
【符号の説明】
１…熱式空気流量センサ、２…半導体センサ素子、３…発熱抵抗体、４…測温抵抗体、５…空洞、６…ダイヤフラム、７…センサ接着剤、８ａ・８ｂ・８ｃ・８ｄ…半導体センサ素子を実装する積層基板、９…制御回路を実装する積層基板、１０…副通路、１１…通路、１２…カバー、１３…絶縁性樹脂、１４…ハウジング、１５ａ・１５ｂ・１５ｃ…接続ワイヤ、１６ａ・１６ｂ…電気部品、１８…スルーホール、１９…金属膜、２０ａ・２０ｂ・２０ｃ・２０ｄ・２０ｅ…電極、２１…金属端子、２２…半導体センサ素子を実装する樹脂製基板。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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