(57)【要約】【課題】  単結晶シリコン基板上に薄膜部を形成し、その薄膜部上に多結晶シリコンのセンシング抵抗体を形成する流量センサにおいては、薄膜部が変形すると抵抗値が変化してしまう。この抵抗値変化に起因して、流量センサの出力異常が発生するという課題がある。特に出力異常は低流量域で生じ易いため、低燃費を目的として、エンジンの低アイドリング化を行う場合に上記出力異常が問題となる。【解決手段】  上述した課題を解決するために、本発明は薄膜部に形成した感温抵抗体のパターンの長手方向と短手方向の関係を最適な構成とすることにより、薄膜部が変形して感温抵抗体の抵抗値が変化しても、流量センサの出力が変化し難い構成としている。【選択図】図１
2006098057.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の薄膜部上に形成されたヒーター抵抗と、
前記基板の薄膜部上の前記ヒーター抵抗の両側に設けられ、ブリッジ回路を構成する複数の感温抵抗体とを備え、
前記複数の感温抵抗体のパターンが、前記薄膜部に発生する歪に対して、前記複数の感温抵抗体がほぼ等しい抵抗変化を呈するように構成された流量センサ。
【請求項２】
請求項１において、
前記複数の感温抵抗体のパターンが、前記薄膜部に発生する歪に対して、ある方向の抵抗変化と前記ある方向にほぼ垂直な方向の抵抗変化とがほぼ等しくなるように構成された流量センサ。
【請求項３】
請求項１において、
前記感温抵抗体は、スパイラル形状のパターンを接続して形成されたことを特徴とする流量センサ。
【請求項４】
請求項１において、
前記複数の感温抵抗体は、前記ヒーター抵抗の片側に２個、前記ヒーター抵抗の反対側に２個設けられ、
これらの感温抵抗体が、不純物をドーピングした多結晶シリコンにより形成されたことを特徴とする流量センサ。
【請求項５】
請求項１において、
前記ヒーター抵抗が第２のブリッジ回路に接続されることを特徴とする流量センサ。
【請求項６】
請求項４において、
前記基板にはほぼ長方形の前記薄肉部が形成され、
前記ヒーターは前記薄肉部上に絶縁層を介して形成され、
前記ある方向とは前記薄肉部の長手方向であり、
前記垂直な方向とは前記薄肉部の短手方向であることを特徴とする流量センサ。
【請求項７】
曲がりを有する副通路と、
前記副通路中に設置された請求項１に記載の流量センサと、
前記流量センサ素子からの信号を処理する処理回路とを備えた流量測定装置。
【請求項８】
基板の薄膜部上に形成されたヒーター抵抗と、
前記基板の薄膜部上の前記ヒーター抵抗の両側に設けられ、ブリッジ回路を構成する複数の感温抵抗体とを備え、
前記複数の感温抵抗体のパターンが、ある方向に延在するパターンの長さの和と前記ある方向とは垂直な方向に延在するパターンの長さの和とがほぼ等しく、ほぼ同幅に形成されたことを特徴とする流量センサ。
【請求項９】
請求項８において、
前記感温抵抗体は、スパイラル形状のパターンを接続して形成されたことを特徴とする流量センサ。
【請求項１０】
請求項８において、
前記複数の感温抵抗体は、前記ヒーター抵抗の片側に２個、前記ヒーター抵抗の反対側に２個設けられ、
これらの感温抵抗体が、不純物をドーピングした多結晶シリコンにより形成されたことを特徴とする流量センサ。
【請求項１１】
請求項８において、
前記ヒーター抵抗が第２のブリッジ回路に接続されることを特徴とする流量センサ。
【請求項１２】
請求項１０において、
前記基板にはほぼ長方形の薄肉部が形成され、
前記ヒーターは前記薄肉部上に絶縁層を介して形成され、
前記ある方向とは前記薄肉部の長手方向であり、
前記垂直な方向とは前記薄肉部の短手方向であることを特徴とする流量センサ。
【請求項１３】
曲がりを有する副通路と、
前記副通路中に設置された請求項８に記載の流量センサと、
前記流量センサ素子からの信号を処理する処理回路とを備えた流量測定装置。
【請求項１４】
基板の薄膜部上に、途中で向きを変えて延在するパターンを有して形成されたヒーター抵抗と、
前記基板の薄膜部上の前記ヒーター抵抗の両側に設けられ、ブリッジ回路を構成する複数の感温抵抗体とを備え、
前記感温抵抗体が、前記ヒーター抵抗に対して、ほぼ対称形のパターンを接続して形成されたことを特徴とする流量センサ。
【請求項１５】
請求項１４において、
前記ほぼ対称形のパターンは、スパイラル形状に形成されたことを特徴とする流量センサ。
【請求項１６】
請求項１４において、
前記複数の感温抵抗体は、前記ヒーター抵抗の片側に２個、前記ヒーター抵抗の反対側に２個設けられ、
これらの感温抵抗体が、不純物をドーピングした多結晶により形成されたことを特徴とする流量センサ。
【請求項１７】
請求項１４において、
前記ヒーター抵抗が第２のブリッジ回路に接続されることを特徴とする流量センサ。
【請求項１８】
請求項１６において、
前記基板にはほぼ長方形の薄肉部が形成され、
前記ヒーターは前記薄肉部上に絶縁層を介して形成され、
前記ある方向とは前記薄肉部の長手方向であり、
前記垂直な方向とは前記薄肉部の短手方向であることを特徴とする流量センサ。
【請求項１９】
曲がりを有する副通路と、
前記副通路中に設置された請求項１４記載の流量センサと、
前記流量センサからの信号を処理する処理回路とを備え、
前記副通路の入口と出口とを内燃機関の吸気通路に挿入，設置してなる内燃機関用の流量測定装置。
【請求項２０】
請求項１９に記載の流量測定装置からの信号に基づいて、前記内燃機関への燃料供給量を制御する内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発熱抵抗体を利用して流量を計測する流量センサに係り、例えば、内燃機関の吸入空気流量を測定するために好適な流量測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車などの内燃機関の吸入空気通路に設置され、吸入空気流量を計測する流量センサとしては、熱式のものが質量流量を直接検知できることから主流となってきている。このような熱式の流量センサにおいて、流量を計測するセンシング素子をシリコン
（Ｓｉ）などの半導体基板上に、半導体微細加工技術を用いて製造するものが比較的容易に、大量生産方式で生産できることから経済性があり、また、小型で低電力駆動できることから近年注目されている。このような流量センサとしては、特許文献１に記載の流量センサが公知である。
【０００３】
特許文献１に記載の流量センサは、センシング素子はシリコン基板上に絶縁層を介してセンシング抵抗体を形成している。ここで、抵抗体を熱絶縁させるためにシリコン基板の一部を除去して薄膜部（ダイヤフラム部）を形成している。この薄膜部上にヒーターとして駆動させる抵抗体を配置することにより発熱抵抗体を形成することができる。流量検出は発熱抵抗体を挟んで空気の流れ方向の上流側と下流側に感温抵抗体を形成し、この上流と下流の感温抵抗体の温度差に基づき流量を計測する温度差方式である。温度差方式は、発熱抵抗体を一定温度に加熱し、前記上流側と下流側の感温抵抗体を熱伝導と熱伝達により加熱する。空気流量がない場合には、理想的には上流側と下流側の感温抵抗体は等しく加熱されて温度差はほぼゼロとなる。空気流量が発生すると上流側の感温抵抗体は冷却されて温度が下がるため、下流側の感温抵抗体との間に温度差が発生する。この温度差は、空気流量に応じているため、温度差量により空気流量を検出できる。この上流側と下流側の感温抵抗体はそれぞれの温度に応じて抵抗値が変化するため、この抵抗値変化を利用して流量に応じた電圧信号を得ることができる。
【０００４】
特許文献１の第１図および第６図に示されるように、上流側と下流側に感温抵抗体を２対ずつ形成し、ブリッジ回路を形成することにより、検出感度を２倍にすることができる。また、温度差方式は空気の流れ方向を検出することが可能である。前述とは逆方向の空気流量が発生する場合には前記下流側の感温抵抗体が冷却される。従って、特許文献１の第６図に示される回路構成によりゼロ流量点に対して逆方向に出力を発生する。方向検知手段を有することにより、エンジンからエアクリーナの方向に向かう空気流（逆流）が発生する運転状態において、方向検知手段を有していない流量センサよりも正確に空気流量を計測することが可能となる。従来は、４気筒エンジンの低回転数において吸気脈動が大きくなり、スロットル全開付近において逆流を発生する場合が多かったが、近年の排出ガス規制，低燃費化等に対応したバルブの開閉時間を変化させるなどの複雑な制御を行うエンジンでは、高い回転数において、脈動，逆流が発生し、逆流量も拡大する傾向にある。また、４気筒以上の多気筒エンジンにおいても逆流を含む脈動流が発生する。従って、方向検知機能は非常に有効な手段である。
【０００５】
また、このように流量を検出する抵抗体を薄膜上に形成することにより流量変化に対して高速な熱応答が得られる。このように、高速に応答する流量センサを自動車制御に適用すると流量が急激に変化する場合、または吸気管内に脈動が発生した場合でも、その流量変化に応答することが可能であり、従って上記の運転状態においても、熱容量が大きく応答速度の遅い流量センサよりも正確に空気流量を計測することが可能となる。
【０００６】
これらの流量センサは主に流量計測素子、前記流量計測素子を実装するための支持体、該流量計測素子を駆動する回路、及びこれらの部品を実装し、吸入空気が流通する管路に取付けられたケーシングから構成され、前記流量計測素子は副通路内に配置される。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−４８６１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１では抵抗体として多結晶シリコンを採用している。多結晶シリコンのような半導体材料は形状の変形により発生するひずみに起因して抵抗値が変化するピエゾ効果を有している。このピエゾ効果の影響量は、その材料が有するゲージ率により決定され白金等の金属材料においても影響はある。
【０００９】
従来技術では、このピエゾ効果に起因する出力異常を発生し易いという課題がある。センシング素子の前述の薄膜部は膜厚が約１〜２μｍしかないため、
（１）センシング素子を支持体に接着するときに発生する応力
（２）支持体をケーシング等に接着実装するときに発生する応力
（３）環境温度の変化により発生する実装材料の線膨張係数の違いにより発生する応力
（４）発熱抵抗体の発熱による熱変形等、様々な変形を受ける。
【００１０】
特に、発熱抵抗体の両脇に形成している感温抵抗体は、性能的には高抵抗値とする方が望ましいため、形状的には抵抗体の幅を細く、長さを長く形成する必要がある。従って、上述の応力によるピエゾ効果の影響を受け易い。例えば、特許文献１の第６図では、感温抵抗体は上流側と下流側に２対形成し、４個の感温抵抗体でブリッジを形成しているが、薄膜部の変形により４個の抵抗体がそれぞれ異なる抵抗値変化を示すため出力異常を発生し易い。
【００１１】
特に近年は低燃費を目的としての低アイドリング化などから、非常に低流量までの計測が必要となるが、上述の出力異常はこの低流量域で特に大きい。
【００１２】
本発明の目的は、ヒーター抵抗や感温抵抗体が設置された基板の薄膜部に歪が生じても、この歪によって生じる感温抵抗体が接続されたブリッジ回路の信号の変動を少なくすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的は、請求項に記載の発明により達成される。
【００１４】
例えば、上記目的は、基板の薄膜部上に形成されたヒーター抵抗と、前記基板の薄膜部上の前記ヒーター抵抗の両側に設けられ、ブリッジ回路を構成する複数の感温抵抗体とを備え、前記複数の感温抵抗体のパターンが、前記薄膜部に発生する歪に対して、前記複数の感温抵抗体がほぼ等しい抵抗変化を呈するように構成された流量センサなどによって達成される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ヒーター抵抗や感温抵抗体が設置された基板の薄膜部に歪が生じても、この歪によって生じる感温抵抗体が接続されたブリッジ回路の信号の変動を少なくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
まず、本発明の実施例について、簡単に説明する。薄膜部に形成した感温抵抗体パターンにおいて、ピエゾ効果による出力の変化が低減できる構成としている。パターンが同一幅の２方向またはそれ以上の方向の直線パターンが接続されて構成されている場合に、各方向のパターン長さの総和がほぼ等しくなるように構成している。また、異なるパターン幅の２方向またはそれ以上の方向の直線パターンが接続されて構成されている場合に、各方向のパターン幅をＷ、各方向のパターン長さの総和をＬとすると、各方向のＬ／Ｗがほぼ等しくなるように構成している。このように構成することにより、センシング素子に応力によるひずみが発生した場合に、各感温抵抗体の抵抗値の変化量が等しくなるため、流量センサの出力が変化し難い構成とすることができる。
【００１７】
次に、本発明の実施例について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１８】
まず、本発明に使用されるセンシング素子１について説明する。図１は本発明の第１の実施例を示すセンシング素子１のパターン図、図２は第１の実施例を示すセンシング素子１の断面図を示す。センシング素子１は半導体製造技術により作製される。以下にその説明をする。単結晶シリコン基板２上に絶縁層３として二酸化シリコン層を熱酸化あるいはＣＶＤ（ChemicalVapor Deposition）等の方法で形成，窒化シリコン層をＣＶＤ等の方法で形成する。次に多結晶シリコン層をＣＶＤ等の方法で形成し、所望の抵抗値とするために不純物としてリン（Ｐ）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、多結晶シリコン層をパターニングすることにより発熱抵抗体４，吸気温度検出抵抗体５，上流側感温抵抗体６，７、下流側感温抵抗体８，９、引出抵抗１２を形成する。次に、保護層１３として窒化シリコン層，二酸化シリコン層をＣＶＤ等の方法で形成する。その後、保護層１３をパターニングして、電極１４を形成する部分の保護層１３を取除く。次に、電極材料であるアルミニウム層を形成後、エッチングによりパターニングを行い電極１４を形成する。最後に、空洞部１５を形成するために、単結晶シリコン基板２の発熱抵抗体４を形成していない面にパターニングを行う。その後、異方性エッチングにより空洞部
１５を形成する。このように空洞化することにより発熱抵抗体４，上流側感温抵抗体６，７、下流側感温抵抗体８，９が配置されている領域は熱的に絶縁された薄膜部１６となる。上述の二酸化シリコン，多結晶シリコンは圧縮応力を有し、窒化シリコンは引張り応力を有しているため、これらの材料を適切な膜厚で積層することにより、たわみのない薄膜部１６を形成することが可能となる。最後にダイシングによりチップに分割する。分割されたセンシング素子１は、例えば長辺が５mm、短辺が２.５mm 程度である。また、表面を酸化させた単結晶シリコン基板を２枚貼り合わせた基板を用いることにより、抵抗体を単結晶シリコンにより形成することも可能である。
【００１９】
次に、図３，図４により流量センサ１００の構成を説明する。図３，図４は本発明のセンシング素子１を実装した流量センサモジュールの部分断面図である。センシング素子１を実装する支持体２０はガラスセラミック製積層基板により形成される。支持体２０としては、他には高温焼成セラミック，金属板等を採用することも可能となる。しかし、センシング素子１は熱的に周囲の部材から熱絶縁されることが望ましいため、熱伝導率の小さいガラスセラミック製積層基板を採用することが有効である。また、積層基板を採用することによって、センシング素子１への電力供給および、センシング素子１からの信号処理を行うための回路２１を支持体２０に一体化して形成することが可能となる。このように支持体２０と回路２１を一体化することにより部品点数削減，接着個所の削減ができることからコスト，信頼性の面で優位である。また、積層基板の内層導体を使用してセンシング素子１を制御するための回路２１を構成することにより回路２１の小型化を図ることができるため、流量センサ１００の小型化を図ることができる。
【００２０】
センシング素子１は支持体２０にエポキシまたはシリコーン系接着剤２２で接着され、センシング素子１の電極１４と支持体２０の電極は、例えば金線２３等の接続線により電気的に接続される。この接続部は吸入空気に含まれる汚染物質や水分による電食を防止するためにエポキシ系またはシリコーン系の樹脂で覆われる。このセンシング素子１が実装された支持体２０はシリコーン系の接着剤２３によりハウジングケース２４に実装される。さらにハウジングケース２４は主通路２５に挿入される。図３において、主通路２５でエアクリーナからエンジンの方向に流れる空気（順流４０）は副通路２８の入口２７から出口２８に向かう。
【００２１】
次に、流量センサ１００の動作原理を図１及び図５により説明する。発熱抵抗体４は吸気温度検出抵抗体５，抵抗体１０，抵抗体１１と共にブリッジ回路３０を構成する。抵抗体１０と抵抗体１１は、支持体２０上の回路２１または、センシング素子１上に形成される。ブリッジ回路３０は、発熱抵抗体４が吸気温度検出抵抗体５に対して一定温度高くなるようにフィードバック制御される。発熱抵抗体４は薄膜部１６の熱絶縁性に応じて発熱するため、薄膜部１６中心付近で最も温度が高くなり、図６に示すように楕円放射状の温度分布が形成される。上流側感温抵抗体６，７及び下流側感温抵抗体８，９の４個の感温抵抗体はブリッジ回路３１を構成している。ブリッジ回路３１には電圧Ｖｒｅｆが印加されている。上流側感温抵抗体６，７及び下流側感温抵抗体８，９は、発熱抵抗体４からの熱伝導および熱伝達により加熱されて所定の温度になる。無風状態では、理想的には上流側感温抵抗体６，７及び下流側感温抵抗体８，９は等しく加熱されるため温度差はほぼゼロとなる。従って、接点３２と接点３３はほぼ等しい電位となる。空気流量が発生すると上流側感温抵抗体６，７は冷却されて平均温度が下がるため抵抗値が小さくなる。従って、接点３２，接点３３の間に電位差が発生する。この電位差は演算装置３６に入力される。演算装置３６により空気流量に対して所定の電圧が出力される。
【００２２】
ここで、抵抗体の抵抗値は一般的に
Ｒ＝ρ×Ｌ／Ａ
で表される。ここで、Ｒ：抵抗，ρ：比抵抗，Ｌ：長さ，Ａ：断面積、である。
【００２３】
抵抗体にひずみが加わると抵抗変化率は
ｄＲ／Ｒ＝ｄＬ／Ｌ−ｄＡ／Ａ＋ｄρ／ρ
となる。抵抗体において一方向の伸びまたは縮みに対して、その断面は材質のポアソン比により伸縮する。従って、ポアソン比をνとすると
ｄＲ／Ｒ＝（１＋２ν）×ｄＬ／Ｌ＋ｄρ／ρ
となる。ここで、上式右辺の第１項は幾何学的変形による変化率、第２項は物性の変化による影響を表しており、半導体材料ではピエゾ効果として知られている。
【００２４】
本発明の抵抗体材料である多結晶シリコンは不純物濃度で抵抗値、ゲージ率が決まる。多結晶シリコンは一般的に
（１）不純物濃度大の場合は、抵抗率小，ゲージ率小
（２）不純物濃度小の場合は、抵抗率大，ゲージ率大
となる。ここで、上流側，下流側の感温抵抗体は高抵抗値とする必要がある。抵抗値が低いと、抵抗に流れる電流が大きくなるため自己発熱量が大きくなる。流量センサとして十分使用できる程度に感温抵抗体の自己発熱量を抑えるには、０.５ｍＡ 以下程度に電流値を抑えることが望ましい。この場合、Ｖｒｅｆとして５Ｖ印加する場合は、各感温抵抗体が５０００Ω程度以上必要となる。よって、限られた薄膜部上に感温抵抗体を形成するには、感温抵抗体の抵抗体幅は３〜１０μｍ程度にする必要がある。Ｖｒｅｆを小さくすることによっても感温抵抗体の自己発熱量を抑えることはできるが、接点３２，接点３３に発生する差電圧が小さくなり、従って流量センサの感度が小さくなるため有効な手段ではない。
【００２５】
ここで、歪による変化を小さくするために不純物濃度を大きくすると抵抗率も小さくなるため、抵抗体パターン形状を細く長くして高抵抗値とする必要がある。従って、抵抗体は形状的に歪の影響を受け易くなる。一方、抵抗率を大きくするために不純物濃度を小さくすると、抵抗体パターン形状は太く短くすることができるが、ゲージ率も大きくなるため、やはり歪による影響を受け易い。従って、上・下流側温度センサは何れの構成としても歪の影響を受け易くなる。
【００２６】
ここで、薄膜部１６に変形が発生した場合、多結晶シリコンは前述のようにピエゾ効果により抵抗値が変化し、特に細線パターンである４個の感温抵抗体が最も影響を受ける。４個の感温抵抗体６，７，８，９はブリッジ回路３１を形成している為、４個の感温抵抗体６，７，８，９の抵抗値変化量が全く等しい場合には接点３２と接点３３に発生する電圧差は、薄膜部１６が変形しない場合とほぼ同じ値となるため、出力変化は殆ど発生しない。しかし、４個の感温抵抗体６，７，８，９の抵抗変化量が異なる場合には接点３２と接点３３に発生する電位差が、薄膜部１６が変形しない場合に対して異なる値となるため、出力が変化して流量センサ１００の流量特性変化が発生する。
【００２７】
このような薄膜部１６の変形はセンシング素子１にかかる応力に起因する。センシング素子１は支持体２０に接着され、支持体２０はハウジングケース２４に接着される。各接着には熱硬化型の接着剤２２を用いるため、硬化後には必ず応力が発生し、センシング素子１に影響する。また、センシング素子１は支持体２０に設けられた窪み２９内に実装されるが、センシング素子１が窪み２９を形成している支持体２０の壁面と接触する場合も考えられる。この場合にもセンシング素子１に応力が掛かる。また、センシング素子１と回路の接続線を樹脂で封止することにより、センシング素子に応力が掛かる。また、本発明ではセンシング素子１の基板は単結晶シリコン、支持体２０はガラスセラミック、ハウジングケース２４はプラスチック材により構成されており、それぞれ線膨張係数が異なる。自動車の環境温度は上述のように−３０〜１３０℃程度の範囲で変化するため、環境温度に応じてセンシング素子１，支持体２０，ハウジングケース２４は膨張・収縮変形をする。従って、上記した初期的にセンシング素子１に影響していた応力が緩和される等により薄膜部が変化する。このような応力の緩和は接着材の量，各部品の接着位置，状態などによりばらつき、縦・横・ねじれ方向等、薄膜部１６の変形の仕方，変形量もばらつく。従って、４個の感温抵抗体６，７，８，９の抵抗変化量もそれぞれ異なる値となり易い。
【００２８】
ここで、従来技術での課題を説明する。特許文献１に記載されている従来のセンシング素子の薄膜部パターンの模式図を図７、駆動回路の模式図を図８に示す。従来例では、上流側感温抵抗体６，７および下流側感温抵抗体８，９は何れも曲折された形状であり、空気の順流４０に垂直な成分が、順流４０に平行な成分よりも多い。ピエゾ効果は縦方向と横方向でゲージ率が異なり、多結晶シリコンでは抵抗変化の方向（符号）も異なる。従って、従来技術の構成では、抵抗体の一方向（順流４０に垂直な方向）の成分が多いため、変化量の絶対値が大きくなる。この場合、接点３２と接点３３には感温抵抗体の抵抗変化に起因する電圧変化が発生し易く、従って薄膜部変形による流量誤差が発生することになる。また、薄膜部にねじれ等の複雑な変形が発生し、４個の感温抵抗体の内、特定の抵抗体が変形する場合には、非常に大きな流量誤差を発生する。
【００２９】
これに対して本発明においては、以上に述べた薄膜部変形の影響を大幅に低減することができる。以下にその構成を示す。
【００３０】
本発明の第１の実施例では、上流側感温抵抗体６，７、下流側感温抵抗体８，９のパターンが、（１）流れ方向（Ｘ方向）のパターン長の総和と（２）流れに垂直方向(Ｙ方向)のパターン長の総和がほぼ等しくなるように構成されている。多結晶シリコンにおいては、前述したように、縦方向と横方向でゲージ率の符号が逆であるため、このように構成することにより感温抵抗体の変形による抵抗変化をキャンセルし易くなる。また、上述したように薄膜部１６がばらつきの範囲でどのように変形するか推定できないため、本発明に示すように、縦・横方向の長さを等しくする構成が最も変化量の絶対値を小さくすることができる。
【００３１】
図１以外の感温抵抗体パターンで、Ｘ方向のパターン長の総和とＹ方向のパターン長の総和がほぼ等しくなるパターン例を図９（ａ）〜（ｃ）に示す。一般的に半導体製造プロセスにおいては、パターニングを行うためのホトマスクの精度、及び抵抗体の加工精度は直線部よりも曲部が悪化する。従って図９（ａ）に示すように曲線部が多いと製造ばらつきにより４つの感温抵抗体６，７，８，９の抵抗値がばらつくため流量センサ特性の製造ばらつきが大きくなる可能性がある。従って、図９（ａ）に示すパターンを形成する場合には、ホトマスク精度，加工精度を十分確保する必要があり製造コストが高くなる。
【００３２】
また、図９（ｂ）に示すパターンでは、感温抵抗体の、Ｘ方向に長いパターン（Ｘ方向のユニット）とＹ方向に長いパターン（Ｙ方向のユニット）が２対で１個の感温抵抗体を構成している。図９（ｂ）のパターンであれば、曲部数は図９（ａ）よりも少なく抑えることができる。しかし、限られた大きさの薄膜部１６内にあっては、このＸ方向のユニットとＹ方向のユニットの間で変形に差が発生する可能性があり、その場合には流量誤差を生じてしまう。
【００３３】
以上の点から、Ｘ方向とＹ方向の長さをほぼ等しくする場合には、図１に示すように、外側から内側に向かうスパイラル形状と、内側から外側に向かうスパイラル形状を接続して構成されているパターンとすることにより曲部を少なくすることができるため製造ばらつきを抑える上で有効である。また感温抵抗体の面積を小さくすることができるため、薄膜部変形による流量誤差をより低減できる。
【００３４】
本発明の第２の実施例を示すセンシング素子の薄膜部パターンを図１０に示す。薄膜部１６は厚さが２〜３μｍ程度であり、薄膜部１６の短手方向の距離が小さい程強度が高く、変形量を小さく抑えることができる。このように、短手方向の距離が小さい場合には薄膜部の面積の都合上、図１に示す形状を構成し難い。このような場合には、図９に示すように、感温抵抗体のパターン幅が短手方向と長手方向で異なり、比が等しい構成とすることが有効である。長手方向のパターン幅をＷａ、短手方向のパターン幅をＷｂ、長手方向パターン長の総和をＬａ、短手方向パターン長の総和をＬｂとした場合に、Ｌａ／ＷａとＬｂ／Ｗｂがほぼ等しくなるように構成することにより、縦方向の抵抗成分と、横方向の抵抗成分を等しくすることができるため、第１の実施例と同様の効果を得ることが可能である。
【００３５】
また、従来技術においては環境温度が変化すると流量特性が変化するという課題もある。以下にその説明をする。センシング素子１の薄膜部１６は製造時には、たわみのないように形成されている。しかし、流量センサ１００が駆動して発熱抵抗体４が例えば１００℃以上に発熱すると、無風時には薄膜部１６には図６に示すような温度分布ができ、その温度分布に応じて薄膜部１６が膨張変形する。ここで、図７の従来例に示すように、発熱抵抗体４が薄膜部に対して対称な形状であれば、この発熱抵抗体４の発熱による変形は薄膜部１６の中心に対してほぼ対称な変形となる。従って、発熱抵抗体４の両脇に配置された４個の感温抵抗体の変形量はそれぞれほぼ等しくなり発生する流量誤差は小さくなる。しかし、特開２００３−８３７８８号公報および本発明に記載されているように、発熱抵抗体４がＵ字形の場合、発熱抵抗体４が発熱すると薄膜部１６の変形は薄膜部１６の中心に対して非対称になり、発熱抵抗体４の両脇に配置された４個の感温抵抗体６，７，８，９の変形量に差が生じ易く、従って流量誤差を発生し易い。発熱抵抗体４の引出領域は熱伝導により熱逃げが生じるため、上流側感温抵抗体６，下流側感温抵抗体８が配置される領域と、上流側感温抵抗体７，下流側感温抵抗体９が配置される領域では、発熱抵抗体４から受ける熱量が異なるため、薄膜部の変形量が異なる。また、流量がある場合には、上流側感温抵抗体６，７と下流側感温抵抗体８，９に温度差が発生するため、薄膜部の変形量が異なる。以上説明したうように、流量センサ１００が動作している状態では４個の感温抵抗体６，７，８，９の変形量がそれぞれ異なり、従って抵抗変化量も異なる。自動車ではエンジンルーム内の環境温度が−３０〜１３０℃の範囲で変化するため薄膜部１６上の温度分布もこれに応じて変化する。従って、環境温度により薄膜部１６の変形量が変化するため、環境温度に応じて流量特性が変化することになる。
【００３６】
以上の課題についても、本発明の第１または第２の実施例により特性変化量を低減することができる。また、図１１に示す構成とすることにより、本発明の第１および第２の実施例よりも環境温度の変化による特性変化を低減することができる。以下に図１１の構成を説明する。図１１では、各感温抵抗体は３個のスパイラル形状パターン１９を有しており、上流側感温抵抗体６と上流側感温抵抗体７のスパイラル形状パターン１９が交互に配置された構成となっている。下流側感温抵抗体８と下流側感温抵抗体９のスパイラル形状パターンも同様に交互に配置された構成となっている。この構成により、上流側感温抵抗体６の平均温度と上流側感温抵抗体７の平均温度を等しくする効果、および下流側感温抵抗体８の平均温度と下流側感温抵抗体９の平均温度を等しくする効果があるため、接点
３２と接点３３の電位差が変化し難くなり流量特性変化が低減できる。また、先に述べた応力緩和などによる薄膜変形に対しても、各感温抵抗体６，７，８，９に発生する抵抗値変化量の差が本発明の第１および第２の実施例よりも小さくなるため有効である。本発明では各感温抵抗体のスパイラル形状パターン１９は３個ずつであるが、薄膜部１６の形状によってはさらに複数個でもよい。
【００３７】
また、図１３，図１４に本発明の第４の実施例を示す。本発明の第４の実施例では、図１４の断面図に示すように感温抵抗体６，７，８，９は絶縁層を挟んで２層の構造となっている。本発明では、下層に上流側感温抵抗体７，下流側感温抵抗体９が形成され、上層に上流側感温抵抗体６，下流側感温抵抗体８が形成されている。また、上層の各感温抵抗体６，８と、下層の各感温抵抗体７，９が上面から見たときにほぼ重なるように構成されている。このような構成とすることにより、薄膜部１６が変形した場合に、上流側感温抵抗体６と上流側感温抵抗体７の変形量が全く同じになることから、抵抗変化量も全く等しくなる。また、下流側感温抵抗体８，下流側感温抵抗体９についても同様である。従って、感温抵抗体６，７，８，９の変化量は全く同じになるため、第１から第３の実施例に比較して、薄膜部変形による流量誤差が最も小さい構成となる。また、薄膜部１６上の感温抵抗体６，７，８，９の面積を小さくすることができるため、薄膜部１６の面積を小さくすることができ、強度向上、薄膜部変形量の低減、センシング素子１の小型化を図ることができる。また、感温抵抗体６，７，８，９は導体であり、従って導体で絶縁層を挟む構成であることから、コンデンサを形成することになり、耐電波性が向上する。
【００３８】
また、図１２はガソリンエンジン等の内燃機関のシステム図を示す。エンジンへの吸入空気はエアクリーナ１０２，主通路２５，スロットル角度センサ１０３，アイドルスピードコントロールバルブ１０４，スロットルボディ１０５が吸気マニホールド１０６と一体で構成する通路を流れる途中に、本発明を施した流量センサ１００で流量及び流れ方向が検出され、検出された信号は電圧または周波数により車両コントロールユニット１０７に取込まれる。
【００３９】
流量信号はインジェクタ１０８，回転速度計１０９，エンジンシリンダ１１０，排気マニホールド１１１，酸素濃度計１１２から構成される燃焼部構造およびサブシステムの制御に用いられる。
【００４０】
尚、図示はしないが、ディーゼルエンジンシステムの場合も基本構成はガソリンシステムとほぼ同じであり、本発明の流量センサを適用することが可能である。
【００４１】
また、燃料電池を用いたシステムにおいて、空気あるいは水素などの流体を計測する流量センサにも本技術を適用できる。
【００４２】
本実施例によれば、薄膜部に形成した感温抵抗体のパターンにおいて、パターンが同一幅の２方向またはそれ以上の方向の直線パターンが接続されて構成されている場合に、各方向のパターン長さの総和がほぼ等しくなるように構成している。また、異なるパターン幅の２方向またはそれ以上の方向の直線パターンが接続されて構成されている場合に、各方向のパターン幅をＷ、各方向のパターン長さの総和をＬとすると、各方向のＬ／Ｗがほぼ等しくなるように構成している。このように構成することにより、薄膜部が変形した場合に、各感温抵抗体の抵抗値の変化量が等しくなるため、流量センサの出力が変化し難い構成とすることができる。本発明の流量センサにより、高速応答且つ低流量域までの計測が可能となるため、これを内燃機関に適用することにより、様々な運転状態においても高精度な制御が可能となる。さらに、感温抵抗体を発熱抵抗体の温度分布の影響を受けにくい配置とすることにより環境温度が変化しても流量誤差が発生し難い効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の第１の実施例を示すセンシング素子のパターン図。
【図２】本発明の第１の実施例を示すセンシング素子の断面図。
【図３】本発明のセンシング素子を実装した流量センサモジュールの部分断面図。
【図４】本発明のセンシング素子を実装した流量センサモジュールの部分断面図。
【図５】本発明の駆動回路図。
【図６】本発明の発熱抵抗体の薄膜部上での温度分布を示す模式図。
【図７】従来のセンシング素子のパターン図。
【図８】従来の駆動回路図。
【図９】本発明の感温抵抗体パターン。
【図１０】本発明の第２の実施例を示すセンシング素子のパターン図。
【図１１】本発明の第３の実施例を示すセンシング素子のパターン図。
【図１２】本発明の流量センサを用いた内燃機関のシステム図。
【図１３】本発明の第４の実施例を示すセンシング素子のパターン図。
【図１４】本発明の第４の実施例を示すセンシング素子の断面図。
【符号の説明】
【００４４】
１…センシング素子、２…単結晶シリコン基板、３…絶縁層、４…発熱抵抗体、５…吸気温度検出抵抗体、６，７…上流側感温抵抗体、８，９…下流側感温抵抗体、１０，１１…抵抗体、１２…引出抵抗、１３…保護層、１４…電極、１５…空洞部、１６…薄膜部、１７…感温抵抗体のＸ方向ユニット、１８…感温抵抗体のＹ方向ユニット、１９…感温抵抗体のスパイラル形状パターン。
【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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