(57)【要約】【課題】コストアップを伴わず、ダイヤフラム上の抵抗体への応力伝達を低減し、感度、応答性等の特性変化を抑制可能な気体流量計測装置を実現する。【解決手段】ダイヤフラム１０の周囲の基板上には固定抵抗３、４、測温抵抗体５が形成されている。これらの抵抗体は端子１２〜２４により外部に接続される。端子１２〜２４が配置された部分からダイヤフラム１０への応力伝達を緩和するようにダイヤフラム１０の周囲にコ字状の溝１１が長さＸd2で形成される。溝１１は、横溝１１ａと２つの縦溝１１ｂ、１１ｃとから形成される。検出素子１の端子１２〜２４が形成された領域とダイヤフラム１０が形成された領域とは横溝１１ａにより区分され、端子１２〜２４が形成された領域が固定部となる。固定部の底部は接着剤で基板に固定され、ダイヤフラム１０が形成された領域へ伝達されようとする実装応力は応力緩和溝１１ａによって吸収される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の基板にダイヤフラムが形成され、このダイヤフラム上に配置される発熱抵抗体及び感温抵抗体と、これら発熱抵抗体及び感温抵抗体に接続される外部端子とを有する検出素子手段と、
上記検出素子手段の外部端子に接続され、上記発熱抵抗体の発熱温度を制御するとともに、発熱抵抗体又は感温抵抗体の抵抗値の変化に基づいて、気体の流量を検出する流量検出手段と、を備える気体流量計測装置において、
上記検出素子手段は、上記発熱抵抗体及び感温抵抗体が形成される抵抗体領域と、外部端子が形成される固定部領域とを有し、少なくとも、上記抵抗体領域と固定部領域との間に、応力緩和手段が形成されていることを特徴とする気体流量計測装置。
【請求項２】
請求項１記載の気体流量計測装置において、上記応力緩和手段は、溝であることを特徴とする気体流量計測装置。
【請求項３】
請求項２記載の気体流量計測装置において、上記溝は、一直線状であり、上記ダイヤフラムの外径寸法より長く形成されていることを特徴とする気体流量計測装置。
【請求項４】
請求項２記載の気体流量計測装置において、上記溝は、上記ダイヤフラムの外周に沿って略コ字形状に形成されることを特徴とする気体流量計測装置。
【請求項５】
請求項２記載の気体流量計測装置において、上記溝は、上記ダイヤフラムの全外周に沿って形成されることを特徴とする気体流量計測装置。
【請求項６】
請求項２記載の気体流量計測装置において、上記溝によって形成される薄肉部の厚み寸法は、上記ダイヤフラムの厚み寸法と略同一であることを特徴とする気体流量計測装置。
【請求項７】
請求項１記載の気体流量計測装置において、上記応力緩和手段は、貫通孔であることを特徴とする気体流量計測装置。
【請求項８】
請求項７記載の気体流量計測装置において、上記貫通孔は、上記ダイヤフラムの外径寸法より長く、形成されていることを特徴とする気体流量計測装置。
【請求項９】
請求項１記載の気体流量計測装置において、上記応力緩和手段は、上記第１の基板の材質より柔軟な材質からなる層であることを特徴とする気体流量計測装置。
【請求項１０】
請求項９記載の気体流量計測装置において、上記応力緩和手段は、上記ダイヤフラムの外径寸法より長く、形成されていることを特徴とする気体流量計測装置。
【請求項１１】
請求項３記載の気体流量計測装置において、凹部を有し、この凹部に上記検出素子手段が配置される第２の基板を備え、上記検出素子手段の固定部領域が、第２の基板と接着剤により固定されることを特徴とする気体流量計測装置。
【請求項１２】
請求項４記載の気体流量計測装置において、凹部を有し、この凹部に上記検出素子手段が配置される第２の基板を備え、上記検出素子手段の固定部領域に上記ダイヤフラム及び溝を間にして対向する端部領域と上記固定部領域とが、第２の基板と接着剤により固定されることを特徴とする気体流量計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体の流量を計測する流量計に係り、特に、自動車のエンジンに吸入される空気流量を検出するに適した気体流量計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
気体流量計測装置の一例である自動車のエンジン吸入空気流量計は、発熱抵抗体の加熱制御電流値を検出し、空気流量に変換する方式のものや、発熱抵抗体の上下流に配置された感温抵抗への熱影響を温度差信号として検出し、それをブリッジ回路の電圧として捕らえる方式のもが知られている。
【０００３】
ここで、自動車のエンジンへの吸入空気流量を検出する場合、下記のような条件、環境下でも特性が安定している必要がある。
【０００４】
（１）実装時の残留応力影響とクリープ等による特性変動の考慮
（２）水蒸気、オイル、ガソリン、塩分等による汚損物質影響の考慮
（３）周囲温度変化が過酷（氷点下から１００℃以上までの環境）であることの考慮
空気流量計は、半導体基板の一部をエッチングしてダイヤフラ上にヒータ（発熱抵抗体）、流量検出素子を形成し、この流量検出素子が形成された半導体基板を支持体に接着剤で実装される。
【０００５】
そこで、実装時等の応力を緩和するため、半導体基板と支持体とを接着する接着剤として弾性的なシリコーン接着剤を使用する技術が知られている。
【０００６】
また、半導体基板と支持体との熱膨張率の相違から生じる応力を低減するため、半導体基板と支持体との接着をボンディング下面部のみとする技術も知られている。
【０００７】
また、特許文献１には、発熱抵抗体の計測流体の上流側と下流側とに、平板状基板を部分的に除去したキャビティを形成し、基板の熱抵抗を大きくし、熱容量を小さくして、検出感度、応答性を向上させる技術が記載されている。
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−２９２２３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、空気流量計測装置の、さらなる小型化が望まれている。この小型化に際して、上記特許文献１記載の技術では、検出素子を基板に実装した際に、検出素子部材と基板、パッケージ部材の熱膨張差による応力や、組立て時の実装応力残留歪が発生し、検出素子の特性に影響を与える可能性がある。
【００１０】
また、ヒータが実装されるダイヤフラム部は薄膜のため応力による変形を起こしやすく、検出素子を形成する薄膜はポリシリコンや白金膜による抵抗体が使われるが、これらの抵抗体は応力歪により抵抗値が変化する歪抵抗効果を有している。
【００１１】
このため、抵抗体に歪が加わると抵抗変化が生じ、特性が変化する可能性がある。また、パッケージ材料として樹脂材料や樹脂接着剤を用いた場合、クリープによる応力変化が生じ、徐々に特性が変化する可能性もある。
【００１２】
シリコーン接着剤は、ガソリンやオイル等によって変質し、体積膨張等の現象が生じやすいという問題を有し、ガソリン膨潤性を低減した材料も開発されているが、コスト的に高く、自動車用として多量に使用するには問題がある。
【００１３】
また、接着剤の塗布形状は一定に制御することは難しく、接着位置の限定のみで応力を低減、安定化させることは製造上制約が大きい。
【００１４】
本発明の目的は、コストアップすることなく、実装時等におけるダイヤフラム上の抵抗体への応力伝達を低減し、小型化に際しての感度、応答性等の特性変化を抑制可能な気体流量計測装置を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、実装応力による特性影響を抑えるという目的を、特殊な材料を使ったり特別な製造条件によって制限されることなく実現した。
【００１６】
本発明は、ダイヤフラム上に配置される発熱抵抗体及び感温抵抗体と、これら発熱抵抗体及び感温抵抗体に接続される外部端子とを有する検出素子手段と、発熱抵抗体の発熱温度を制御するとともに、発熱抵抗体又は感温抵抗体の抵抗値の変化に基づいて、気体の流量を検出する流量検出手段とを備える気体流量計測装置において、検出素子手段は、発熱抵抗体及び感温抵抗体が形成される抵抗体領域と、外部端子が形成される固定部領域とを有し、抵抗体領域と固定部領域との間に、応力緩和手段を形成する。
【００１７】
この応力緩和手段は、溝又は貫通孔により形成することができる。また、検出素子手段の材質より柔軟な材質からなる柔軟材質層により形成することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の気体流量計測装置は、応力緩和手段を形成するのみであるので、コストアップすることなく、実装時等におけるダイヤフラム上の抵抗体への応力伝達を低減し、小型化に際しての感度、応答性等の特性変化を抑制可能な気体流量計測装置を実現することができる。
【００１９】
また、検出素子を実装する基板や構造部材、接着剤といった材料の選定範囲が広くなるためコスト低減と信頼性向上を実現でき、構造設計自由度が増すために更に低コスト化、軽量化がしやすいという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して説明する。  
(第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態である空気流量計測装置における流量検出素子の平面構造を示す図である。また、図２は、図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【００２１】
図１及び図２において、検出素子１には、基板（第１の基板）の裏面から、アルカリ溶剤等によるエッチング処理で加工された空気流量検出用のダイヤフラム１０が、図の横方向長さＸd1（ダイヤフラムの外径寸法）で形成されている。そして、ダイヤフラム１０上に、検出用抵抗体である発熱抵抗体２、上流側感温抵抗体６、７、下流側感温抵抗体８、９が配置される。
【００２２】
ダイヤフラム１０の周囲の基板上には、固定抵抗３、４、測温抵抗体５が形成されている。これらの抵抗体は、温度により抵抗値が変化する白金膜やポリシリコン膜によって作られる。また、これらの素子の外部への接続は、端子１２〜２４によってなされる。
【００２３】
端子１２〜２４が配置された部分からダイヤフラム１０への応力伝達を低減又は緩和するように、ダイヤフラム１０の周囲に、コ字状の溝１１（応力緩和手段）が、図の横方向長さＸd2で形成されている。この溝１１は、横溝１１ａと、２つの縦溝１１ｂ、１１ｃとからなっている。
【００２４】
そして、この溝１１は、ダイヤフラム１０と同様の加工方法及び膜構造で基板の裏面側から形成されている。
【００２５】
図３は、本発明の第１の実施形態である空気流量計の回路構成を示した図である。  
図３において、空気流量計は空気通路管内に曝露され、空気流量と空気温度を検出する検出素子１と、空気流量を電気信号に変換し検出信号を所定の特性に調整するための空気流量検出回路２９とを備える。
【００２６】
発熱抵抗体２と、側温抵抗体５と、固定抵抗３、４とによってブリッジ回路が構成されており、発熱抵抗体２と固定抵抗３との接続点の電位を示す端子１８と、測温度抵抗体５と固定抵抗４との接続点の電位を示す端子２３とが、オペアンプ２５の入力端に接続され、これらの電位が互いに同一になるようにオペアンプ２５により発熱抵抗体２へ供給される加熱電流がフィードバック制御される。
【００２７】
発熱抵抗体２の、空気流の方向に関して上流側に配置され、発熱抵抗体２からの熱影響によって抵抗値が変化する感温抵抗体６、７と、発熱抵抗体２の下流側に配置されている感温抵抗体８、９によって形成されたブリッジ回路に電源２６が接続されている。
【００２８】
空気流量に応じた差動信号は、感温抵抗体６と９との接続点の電位を示す端子１４（又は２０）と、感温抵抗体８と７との接続点の電位を示す端子２２（又は１５）とが空気流量信号調整部２７に接続される。そして、これら電位の差動信号が空気流量信号調整部２７によって所定の特性に調整され、外部端子２８より空気流量信号として出力される。
【００２９】
オペアンプ２５と、電源２６と、空気流量信号調整部２７とにより、空気流量検出回路２９が構成されている。
【００３０】
図４は、本発明の空気流量計測装置が、実際に使われる状態の実装断面模式図である。
【００３１】
図４において、空気流量計測装置６０は、空気通路管６１内に挿入される形で実装され、通路管（吸気管）６１への固定はフランジ５９によって行なわれる。また、ハウジング５８には、検出素子１や回路素子５７が実装された回路基板５６が取り付けられる。
【００３２】
吸気管６１内を流れる空気流６２は、空気取り入れ口５３によって空気流量計測装置６０内に分流され、バイパス通路５４を通って検出素子１上を迂回し、バイパス出口５５からメイン通路管６１内に戻される。
【００３３】
このような実使用環境では、エンジンで発生した熱が通路管６１や空気流６２を伝わって空気流量計測装置６０まで伝わり、検出素子１へ温度影響を与えることがある。
【００３４】
図５は、図４のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【００３５】
図５において、検出素子１は接着剤６３によって端子１８側で、基板５６とハウジング５８に固定される。検出素子１の、端子１２〜２４が形成された領域（固定部領域）と、ダイヤフラム１０、抵抗体４、５が形成された領域（抵抗体領域）とは、溝１１のうちの横溝１１ａの図５の紙面表裏方向への延長線により区分され、端子１２〜２４が形成された領域が固定部となっている。
【００３６】
そして、上記固定部の底部が接着剤６３で基板５６に固定され、ダイヤフラム１０が形成された領域へ伝達されようとする実装応力は、応力緩和溝１１ａによって吸収される。これにより、検出素子の特性が不安定となることが回避される。
【００３７】
図６は、横溝１１ａの横方向長さＸd2とダイヤフラム１０へ伝わる実装応力との関係を模式的に示す図である。溝１１ａの横方向長さＸd2を、ダイヤフラム１０の横方向長さＸd1よりも広く形成することで、実装応力が低減されることがわかる。
【００３８】
本発明の第１の実施形態では、図１に示すように、ダイヤフラム１０と、固定部との間を隔離する形で、横溝１１ａが形成されているので、基板５６やハウジング５８、接着剤６３といった実装部材を変更することなく、実装応力のダイヤフラム１０への伝達を制限することができる。
【００３９】
したがって、コストアップすることなく、実装時等におけるダイヤフラム上の抵抗体への応力伝達を低減し、小型化に際しての感度、応答性等の特性変化を抑制可能な気体流量計測装置を実現することができる。
【００４０】
また、横溝１１ａ、縦溝１１ｂ、１１ｃは、ダイヤフラム１０の加工時に同時形成されるため、製造プロセスの変更も必要としない。また、溝１１によって形成される薄肉部の厚み寸法を、ダイヤフラム１０の厚み寸法と略同一とすることができる。
【００４１】
ここで、縦溝１１ｂ、１１ｃのみが形成されている場合と、本発明の第１の実施形態のように、縦溝１１ｂ、１１ｃのみならず横溝１１ａが形成されている場合とについて、応力低減効果を本願発明者が確認した。その結果、縦溝１１ｂ、１１ｃのみの場合に比較して、縦溝１１ｂ、１１ｃのみならず横溝１１ａが形成されている場合は、約１／１０に低減されることが確認された。
【００４２】
（第２の実施形態）
図７は、本発明の第２の実施形態である空気流量計測装置における流量検出素子の平面構造を示す図である。この第２の実施形態は、図１に示した第１の実施形態に対して、溝１１の形状を「コ」の字型から「Ｉ」字型にし、横溝１１ａのみとした例である。その他の構成は、図１と例と同一である。
【００４３】
この図７に示すような溝形状とすることで、必要最小限の加工面積で実装応力低減を図れるため、強度を低減することなく歪影響を抑えることができる。
【００４４】
（第３の実施形態）
図８は、本発明の第３の実施形態である空気流量計測装置における流量検出素子の平面構造を示す図である。図９は、第３の実施形態である空気流量計測装置について、図４のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【００４５】
第３の実施形態は、図１に示した第１の実施形態に対して、溝１１の形状を「コ」の字型からダイヤフラム１０を全周囲うように形成したもので、横溝１１ｄが追加されている。他の構成は、図１に示した例と同一である。
【００４６】
このような溝形状とすることで、検出素子の接着部（固定部）が端子１２〜２４が形成される部分だけではなく、図９に示すように、検出素子１の先端部（固定部領域にダイヤフラム１０及び横溝１１ｄを間にして対向する端部領域）も基板５６に接着剤６４で固定されるような実装構造においても歪影響を抑えることができる。
【００４７】
（第４の実施形態）
図１０は、本発明の第４の実施形態である空気流量計測装置における流量検出素子の平面構造を示す図である。図１１は、図１０のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。
【００４８】
この第４の実施形態は、図７に示した第２の実施形態に対して、横溝１１ａを溝形状から貫通穴３０にしたもので、他の構成は図７に示した例と同一である。
【００４９】
このような横溝１１ａを貫通穴３０とすることで、より確実に歪影響がダイヤフラム部１０へ伝達することを抑えることができる。
【００５０】
なお、上述した第１〜第３の実施形態において、溝１１の溝幅は、検出素子１を構成するダイヤフラム１０の材質、溝の膜厚によって、適切な値に設定することができる。
【００５１】
ダイヤフラム１０の材質を多結晶シリコンとした場合の、溝幅に関する応力低減効果を、溝の厚さ、１μｍと、２μｍについて算出した結果を図１２に示す。
【００５２】
図１２に示すように、応力を半分以下に低減するためには、膜厚が２μｍの場合、溝幅は約２５μｍ以上あればよい。また、応力を半分以下に低減するためには、膜厚が１μｍの場合、溝幅は約３μｍ以上あればよい。
【００５３】
なお、上述した例は、本発明を自動車に使用される空気流量計測装置に適用した場合の例を説明したが、空気流量と空気温度を検出する装置、例えば飛行機や船舶に使用することも可能である。
【００５４】
また、空気以外の気体、例えば、水素等の流量計測装置でも、本発明は適用可能である。
【００５５】
また、上述した例においては、応力緩和手段として、溝１１又は貫通穴３０としたが、溝や貫通孔のみならず、これら溝又は貫通孔が形成される部分を柔軟な材質として、応力を緩和するように構成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の第１の実施形態である空気流量計測装置における流量検出素子の平面構造を示す図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態である空気流量計の回路構成を示した図である。
【図４】本発明の空気流量計測装置が、実際に使われる状態の実装断面模式図である。
【図５】図４のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【図６】横溝の横方向長さとダイヤフラムへ伝わる実装応力との関係を模式的に示す図である。
【図７】本発明の第２の実施形態である空気流量計測装置における流量検出素子の平面構造を示す図である。
【図８】本発明の第３の実施形態である空気流量計測装置における流量検出素子の平面構造を示す図である。
【図９】第３の実施形態である空気流量計測装置について、図４のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態である空気流量計測装置における流量検出素子の平面構造を示す図である。
【図１１】図１０のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。
【図１２】溝幅に関する応力低減効果を算出した結果を示す図である。
【符号の説明】
【００５７】
１              検出素子
２              発熱抵抗体
３、４          固定抵抗
５              測温抵抗体
６、７          上流側感温抵抗体
８、９          下流側感温抵抗体
１０            ダイヤフラム
１１ａ、１１ｄ  横溝
１１ｂ、１１ｃ  縦溝
１２〜２４      端子
２５            オペアンプ
２６            電源
２７            空気流量信号調整部
２８            外部端子
２９            空気流量検出回路
３０            貫通穴
５３            空気取り入れ口
５４            バイパス通路
５５            バイパス出口
５６            回路基板
５７            回路素子
５８            ハウジング
５９            フランジ
６０            空気流量計測装置
６１            空気通路管
６２            空気流
６３            接着剤
【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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