JP2006258676A - 熱式流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】
温度特性が良好でバラツキの少ない低コストの熱式流量計を提供すること。
【解決手段】
発熱抵抗体および少なくとも上下流に２つの測温抵抗体で構成した被計測媒体流中に位置しているセンサ素子を備え、前記発熱抵抗体の過温度（ΔＴｈ＝Ｔｈ−Ｔａ）、即ち前記被計測媒体の温度（Ｔａ）に対する前記発熱抵抗体の温度（Ｔｈ）との差を調整する調整手段とを備え、前記調整手段は、前記発熱抵抗体の過温度を前記被計測媒体の温度に依存して、前記被計測媒体の温度が上昇するに従って過温度が低くなるように調整する。
【効果】
温度特性が良好でバラツキの少ない低コストの熱式流量計を実現する。
【選択図】図１

Description

本発明は、流量を検出する装置に係り、特に内燃機関の流量センサ、あるいは燃料電池システムに用いられる流量センサ等に関する。

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。

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、例えば特許文献１に開示されている。従来実施例では上流側測温抵抗体と下流側測温抵抗体との間に配置された発熱抵抗体に電流を流して発熱させ、上流側測温抵抗体と下流側測温抵抗体との出力信号の差により流量信号を得る構成のものである。

特許文献１に記載の技術では、熱式空気流量センサの特性曲線の温度依存性を一層良好に補正するために、発熱抵抗体の過温度、即ち前記被計測媒体の温度に対する温度差を前記被計測媒体の熱伝導，熱容量および粘性の温度依存性の影響を考慮して、前記被計測媒体の温度が上昇するに従って過温度が高くなるように調整する構成としている。

しかし、上記従来例では、上流側測温抵抗体と下流側測温抵抗体を構成する材料特性
（特に抵抗値の温度依存性）に関して十分に考慮されていないため、熱式空気流量センサの特性曲線の温度依存性が不十分なものとなっている。

特許第３３４２９２６号公報

従来技術には次のような課題がある。特許文献１に記載された熱式空気流量センサのセンサ素子を図１０示す。

図において、２がＳｉ半導体基板、３がＳｉ半導体基板に形成された空洞（図示せず）上に形成された絶縁膜（ダイヤフラム）、４が発熱抵抗体、５が発熱抵抗体の温度を測温する為の発熱測温抵抗体、６ａおよび６ｃが発熱抵抗体の上下流に夫々配置された上流側測温抵抗体と下流側測温抵抗体、８が被計測媒体７の温度を測定する媒体測温抵抗体である。

従来例では、上記抵抗体は白金薄膜で構成されている。白金薄膜の抵抗値の温度依存は、下記（１）式の二次式で近似され、
Ｒ（Ｔ）＝Ｒ（０℃）（１＋α１＊Ｔ＋α２＊Ｔ²） …（１）
一次の抵抗温度係数（α１）は正で二次の抵抗温度係数（α２）が負の値となる。

上流側測温抵抗体６ａと下流側測温抵抗体６ｃとの温度差に対応する出力信号により流量信号を得る構成である為、出力信号の温度特性は上記二次の抵抗温度係数（α２）に強く依存する。

従来例での白金薄膜では、二次の抵抗温度係数（α２）が負の値となる為、被計測媒体７の温度（Ｔａ）が高くなるに従い出力信号が小さくなり温度特性が劣化する。これを補正する為に、従来例では前記被計測媒体の温度が上昇するに従って過温度（ΔＴｈ＝Ｔｈ−Ｔａ）が高くなるように調整している。

しかし、上記従来例では、上記抵抗体が白金薄膜以外に関しては十分に考慮されていない。例えば、本願で適用するケイ素（Ｓｉ）半導体薄膜では、白金薄膜に比較して低コスト材料であるが、上記の二次の抵抗温度係数（α２）が正の値となり白金薄膜と正負が逆転している。

本願で適用するケイ素（Ｓｉ）半導体薄膜に対して、従来例の様に前記被計測媒体の温度が上昇するに従って過温度（ΔＴｈ）が高くなるように調整すると、出力信号が過大となり温度特性が更に劣化することとなる。

また、上記従来例では、発熱抵抗体の駆動回路および測温抵抗体の検出回路としてブリッジ回路を採用しており、ブリッジ回路は白金抵抗体以外に固定抵抗（印刷抵抗）により構成していることから、固定抵抗の抵抗温度係数のばらつきにより周囲温度が変化した時に発熱抵抗体の加熱温度および測温抵抗体の出力信号がばらつき温度特性ばらつきの要因になる。

従って、本発明の目的は、従来技術の課題を解決した温度特性が良好でバラツキの少ない低コストの熱式流量計を提供することにある。

上記目的は、特許請求の範囲の請求項に記載の発明により解決される。

少なくとも１つの発熱抵抗体および少なくとも２つの測温抵抗体が、発熱抵抗体が前記測温抵抗体を加熱するように配置されている、被計測媒体流中に位置しているセンサ素子を備え、前記少なくとも１つの測温抵抗体は前記発熱抵抗体の上流に位置しておりかつ前記少なくとも１つの測温抵抗体は発熱抵抗体の下流に位置しており、かつ前記測温抵抗体の信号の測定によってセンサ信号を形成する評価手段と、前記発熱抵抗体の過温度(ΔＴh＝Ｔｈ−Ｔａ)、即ち前記被計測媒体の温度(Ｔａ) に対する前記発熱抵抗体の温度(Ｔｈ)との差を調整する調整手段とを備え、前記調整手段は、前記発熱抵抗体の過温度を前記被計測媒体の温度に依存して、前記被計測媒体の温度が上昇するに従って過温度が低くなるように調整することにより、温度特性が良好な熱式流量計を提供することができる。

本発明によれば、発熱抵抗体および少なくとも上下流に２つの測温抵抗体で構成した被計測媒体流中に位置しているセンサ素子を備え、前記発熱抵抗体の過温度（ΔＴｈ＝Ｔｈ−Ｔａ）、即ち前記被計測媒体の温度（Ｔａ）に対する前記発熱抵抗体の温度（Ｔｈ）との差を調整する調整手段とを備え、前記調整手段は、前記発熱抵抗体の過温度を前記被計測媒体の温度に依存して、前記被計測媒体の温度が上昇するに従って過温度が低くなるように調整することにより、温度特性が良好でバラツキの少ない低コストの熱式流量計を提供することができる。

以下、本発明による熱式流量計について、図示の実施の形態により詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態における熱式流量計のセンサ素子の平面図であり、１がセンサ素子１で、これは、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、空洞部（図示せず）が形成されている単結晶ケイ素（Ｓｉ）の板で、その一方の面（図では上側の面）にダイヤフラム部３が形成されている。ここで、空洞部は、平面形状が略矩形の孔として形成されているものである。

半導体基板２の一方の面に設けてある絶縁膜は、空洞部を含め半導体基板２の全面を覆う構造であり、ダイヤフラム部３を構成する絶縁膜の表面には、発熱抵抗体４，発熱測温抵抗体５，上流側測温抵抗体６ａ，６ｂ及び下流側測温抵抗体６ｃ，６ｄが形成してある。また、ダイヤフラム部３周辺の半導体基板２の上には、被計測媒体７の温度を計測する媒体測温抵抗体８，ブリッジ回路の抵抗を構成する第一の回路抵抗体９，第二の回路抵抗体１０および外部回路と電気接続するための端子電極部１１が形成される。

発熱抵抗体４，発熱測温抵抗体５，測温抵抗体６ａ〜６ｄ，媒体測温抵抗体８，第一の回路抵抗体９，第二の回路抵抗体１０は、リン（Ｐ）又はボロン（Ｂ）を高濃度ドープ処理された多結晶或は単結晶ケイ素半導体薄膜により、所定の導電性（抵抗値）を持つ細条として作られる。

更に、端子電極部１１には、絶縁膜にスルーホール（図示せず）が形成された後に、アルミニウム（Ａｌ），金（Ａｕ）などの薄膜パッドが形成る。

ここで、被計測媒体７としては、空気，水素，窒素，酸素，炭酸ガス，都市ガス，メタン，プロパン，ブタン，水蒸気が対象となるが、ここでは空気を想定する。

次に、図２は、図１のセンサ素子１を、例えば自動車の内燃機関の吸気通路１２に実装した場合の一実施形態を示す断面図で、この場合、センサ素子１は、支持体１３に内包され、更に支持体１５と外部回路１６を含んだ形で、吸気通路１２の内部にある副通路１４の中に配置され、従って、外部回路１６は、支持体１５を介してセンサ素子１の端子電極部１１（図１）に電気的に接続されることになる。

ここで、内燃機関の吸入空気は、通常は矢印７で示す方向に流れる（順流）。しかして、内燃機関の運転条件によっては、矢印７とは反対の方向に流れる場合（逆流）もあるが、この実施形態によれば、順流と逆流の何れの場合でも空気流量が正しく計測でき、且つ、それらの判別も可能である。

次に、この実施形態による熱式流量計による計測動作について説明する。

図３は図１に示したセンサ素子１を含めた回路図を示している。図３に示した発熱測温抵抗体５は同一半導体基板２内に形成されたその他の媒体測温抵抗体８，第一の回路抵抗体９，第二の回路抵抗体１０と結線されて第一のブリッジ回路を形成している。また、上流側測温抵抗体６ａ，６ｂ及び下流側測温抵抗体６ｃ，６ｄにより第二のブリッジ回路を形成している。２１はバッテリー等の電源、２３は基準電圧源、２４と２５は差動増幅器で、１７はダイヤフラム部３の領域を示している。

発熱抵抗体４が流体の流れによって冷却されると、近接配置された発熱測温抵抗体５も冷却され、ブリッジバランスが変化する。その変化を差動増幅器２５，トランジスタ２２でフィードバック制御することで発熱抵抗体４の温度を過温度（ΔＴｈ＝Ｔｈ−Ｔａ）、即ち被計測媒体の温度（Ｔａ）に対する発熱抵抗体の加熱温度（Ｔｈ）との差を制御している。

ここで、発熱抵抗体４，発熱測温抵抗体５の過温度（ΔＴｈ）と加熱温度（Ｔｈ）および測温抵抗体６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄの温度（Ｔ）は、図１に示したダイヤフラム部３上での夫々の抵抗パターン領域での平均温度で定義されている。

このときの媒体７の流量と、流れる方向は、発熱抵抗体４の上流と下流に設けられている上流側測温抵抗体６ａ，６ｂ及び下流側測温抵抗体６ｃ，６ｄの温度（抵抗値）差より計測される。

すなわち、まず、流量がゼロのときは上流側測温抵抗体６ａ，６ｂと下流側測温抵抗体６ｃ，６ｄは、発熱抵抗体４の発熱による加熱条件が同じなので、同じ温度を示すことになり、温度差は生じない。

次に、流れが矢印７方向（これを順流という）のときは、上流側に配置された上流側測温抵抗体６ａ，６ｂの方が、下流側に配置された下流側測温抵抗体６ｃ，６ｄより媒体流７による冷却効果が大きいことから、上流側測温抵抗体６ａ，６ｂと下流側測温抵抗体
６ｃ，６ｄの温度に差が生じ、この温度差から流量が計測される。

一方、流れが矢印７と反対の方向（逆流という）のときには、今度は下流側測温抵抗体６ｃ，６ｄの温度の方が上流側測温抵抗体６ａ，６ｂの温度より低くなり、上流側測温抵抗体６ａ，６ｂと下流側測温抵抗体６ｃ，６ｄの温度差を表す符号が逆転する。

従って、このことから、温度差の大きさにより流量が計測でき、温度差の符号から流れ方向が判別できる。

次に、上記の抵抗体に用いられる抵抗体の温度依存と計測される流量信号の温度特性に関して考察する。

図４には、抵抗体の温度特性を示した。抵抗体の温度特性は、厳密には前記の（１）式の２次式で近似され、一次の抵抗温度係数(α１)が正の値で、二次の抵抗温度係数(α２)は材料により正負が異なる。図中で温度（Ｔ）が０℃の時の抵抗値がＲ０で、温度（Ｔ）の抵抗値をＲ（Ｔ）としている。図中の曲線２７が、従来例での白金薄膜の場合で二次の抵抗温度係数（α２）が負であり、曲線２６が本願のリン（Ｐ）又はボロン(Ｂ)を高濃度ドープ処理された多結晶或は単結晶ケイ素半導体薄膜の場合で二次の抵抗温度係数(α２)が正となる。

この様に、二次の抵抗温度係数（α２）の正負が異なる抵抗材料で上流側測温抵抗体
６ａ，６ｂと下流側測温抵抗体６ｃ，６ｄを形成した場合、ブリッジ回路からの流量信号Ｖ（Ｔ）は、上流側測温抵抗体６ａ,６ｂと下流側測温抵抗体６ｃ,６ｄの平均温度（Ｔ）に強く影響される。

流量信号Ｖ（Ｔ）は、発熱抵抗体の過温度（ΔＴｈ）と被計測媒体の熱伝導，熱容量，粘性の温度依存性の他に少なくとも測温抵抗体の抵抗の温度依存性（Ｒ（Ｔ））の関数となっており、下記の（２）式で近似できる。

Ｖ（Ｔ）∝（ΔＴｈ）＊（ΔＲ（Ｔ）／ΔＴ）＝（ΔＴｈ）＊（α１＋α２＊Ｔ）
…（２）
従って、図５に示すように、流量信号Ｖ（Ｔ）は測温抵抗体６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄの平均温度（Ｔ）に強く影響される。図中の曲線２９が従来例での白金薄膜の場合で二次の抵抗温度係数（α２）が負の場合、曲線２８が本願のリン（Ｐ）又はボロン(Ｂ)を高濃度ドープ処理された多結晶或は単結晶ケイ素半導体薄膜の場合で二次の抵抗温度係数(α２)が正の場合である。

流量信号Ｖ（Ｔ）は測温抵抗体６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄの平均温度（Ｔ）が上昇すると、従来例での白金薄膜の場合は減少し、一方、本願のケイ素半導体薄膜の場合には増大するという異なった温度特性を示す。測温抵抗体６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄの平均温度（Ｔ）は、更に下記（３）式に近似され、
Ｔ∝Ｔｈ＝Ｔａ＋ΔＴｈ …（３）
媒体温度（Ｔａ）が変わると流量信号Ｖ（Ｔ）が変化して温度特性が劣化する。

自動車等に適用する場合、媒体温度（Ｔａ）はエンジン始動時には外気の温度と同じであり、吸入される吸気の温度も−３０℃から４０℃程度の範囲で、暖機後はエンジンからの熱影響により、吸気温度は最大１００℃程度まで上昇する。そのため、熱式流量計は−３０℃から１００℃程度の広い温度範囲で出力誤差を生じないことを要求されている。

この為、流量信号Ｖ（Ｔ）の温度特性を改善する為には、媒体温度（Ｔａ）対して温度補償をする必要がある。温度補償の一つの手段として、発熱抵抗体の過温度（ΔＴｈ）を媒体の温度（Ｔａ）に対して調整する方法がある。前記（２）式に示した様に、流量信号Ｖ（Ｔ）は発熱抵抗体の過温度（ΔＴｈ）に比例することから、図５に示した流量信号
Ｖ（Ｔ）の温度特性を逆に補償すればよい。

図６に、流量信号Ｖ（Ｔ）の温度特性を逆に補償するための、発熱抵抗体の過温度
（ΔＴｈ）の媒体温度（Ｔａ）依存を示す。

図中、曲線３１が従来例での白金薄膜の場合で、曲線３０が本願のケイ素半導体薄膜の場合である。従来例での白金薄膜の場合、発熱抵抗体の過温度(ΔＴｈ)を媒体温度(Ｔａ)の温度が上昇するに従って過温度が高くなるように調整することにより、図５の曲線２９に示した流量信号Ｖ（Ｔ）の減少を温度補償することができる。

一方、本願のケイ素半導体薄膜の場合は、従来例とは逆に発熱抵抗体の過温度(ΔＴｈ)を媒体温度（Ｔａ）の温度が上昇するに従って過温度が低くなるように調整することにより、図５の曲線２８に示した流量信号Ｖ（Ｔ）の増大を温度補償することができる。

このように本発明では、白金薄膜に比較して低コスト材料であるケイ素（Ｓｉ）半導体薄膜を用いた場合でも、発熱抵抗体の過温度（ΔＴｈ）を媒体温度（Ｔａ）の温度が上昇するに従って過温度が低くなるように調整することにより、温度特性が良好で低コストの熱式流量計を提供することができる。

更に、本願では抵抗材料として、リン（Ｐ）又はボロン（Ｂ）を高濃度ドープ処理された多結晶或は単結晶ケイ素半導体薄膜を取り上げたが、二次の抵抗温度係数（α２）が正である他の材料に関しても適用できることは明白である。

また、従来例では、発熱抵抗体の駆動回路および測温抵抗体の検出回路としてブリッジ回路を採用しており、ブリッジ回路は白金抵抗体以外に固定抵抗（印刷抵抗）により構成している。固定抵抗は抵抗温度係数のばらつきがあり、周囲温度が変化した時に発熱抵抗体の加熱温度および測温抵抗体の出力信号がばらつき温度特性ばらつきの要因になっていた。

これに対して本発明では、図３に示した第一および第二のブリッジ回路にて、抵抗体４，５，８，６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄおよび第一の回路抵抗体９，第二の回路抵抗体１０の全てのブリッジ抵抗を、図１に示した様に全て同一Ｓｉ半導体基板２内にリン（Ｐ）又はボロン（Ｂ）を高濃度ドープ処理された多結晶或は単結晶ケイ素半導体薄膜で形成した。

この様に構成したことにより、従来例での固定抵抗（印刷抵抗）が排除でき、固定抵抗の抵抗温度係数のバラツキによる周囲温度が変化した時に発熱抵抗体の加熱温度および測温抵抗体の出力信号がばらつきおよび温度特性ばらつきを低減できる。

上記の効果について以下に説明する。

まず図３に示す発熱駆動ブリッジ回路において、発熱抵抗体４と発熱測温抵抗体５は近接配置されているのでほぼ同じ加熱温度（Ｔｈ）となっている。ブリッジ回路を構成する各抵抗体５，８，９，１０は、同じケイ素半導体薄膜で一括形成されているので同じ抵抗温度係数α１およびα２となる。

各抵抗体５，８，９，１０の抵抗値を夫々Ｒ５，Ｒ８，Ｒ９，Ｒ１０とし、各抵抗のＴ＝０℃の抵抗値をＲ５′，Ｒ８′，Ｒ９′，Ｒ１０′とすると、各抵抗値は次式の様になる。

Ｒ５＝Ｒ５′＊（１＋α１＊Ｔ＋α２＊Ｔ²） …（４）
Ｒ８＝Ｒ８′＊（１＋α１＊Ｔ＋α２＊Ｔ²） …（５）
Ｒ９＝Ｒ９′＊（１＋α１＊Ｔ＋α２＊Ｔ²） …（６）
Ｒ１０＝Ｒ１０′＊（１＋α１＊Ｔ＋α２＊Ｔ²） …（７）
ここで、Ｒｈ，Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃは任意の温度Ｔ℃における抵抗値である。

また、Ｒ５はＲ８，Ｒ９，Ｒ１０の媒体温度（Ｔａ）よりも過温度（ΔＴｈ）だけ高くなるように制御されるため式（４）は次式で表すことができる。

Ｒ５＝Ｒ５′＊（１＋α１＊（Ｔａ＋ΔＴｈ）＋α２＊（Ｔａ＋ΔＴｈ）²）
…（４）′
一方、発熱駆動ブリッジ回路の平衡条件は次式（８）で表すことができる。
Ｒ５／Ｒ９＝Ｒ８／Ｒ１０ …（８）
式（８）に式（４）′，（５），（６），（７）を代入し、次式（９）を得る。

（１＋α１＊（Ｔａ＋ΔＴｈ）＋α２＊（Ｔａ＋ΔＴｈ）²）＝（Ｒ８′＊Ｒ９′）
／（Ｒ５′＊Ｒ１０′）＊（１＋α１＊Ｔａ＋α２＊Ｔａ²） …（９）
（９）式から、媒体温度(Ｔａ)での発熱抵抗体４と発熱測温抵抗体５の過温度(ΔＴｈ)は、０℃での各抵抗の比（Ｒ8単位＊Ｒ９′）／（Ｒ５′＊Ｒ１０′）により制御できる。各抵抗の比（Ｒ8単位＊Ｒ９′）／（Ｒ５′＊Ｒ１０′）は、同一材料で一括形成しているので材料特性および膜厚が同じことから、図１に示した平面抵抗パターンの形状によって設定することが可能である。

また、二次の抵抗温度係数（α２）が正であるケイ素半導体薄膜を適用したことにより、発熱抵抗体４と発熱測温抵抗体５の過温度（ΔＴｈ）を、図６の曲線３０で示した様に媒体温度（Ｔａ）が上昇するに従って過温度が低くなるように調整が可能となる。

本発明のように各抵抗を同じ材料，同じプロセスで形成したことにより、抵抗体形成プロセスでパターニングされた場合、ほぼマスク寸法での各抵抗比が得られほとんどばらつくことはない。また、同じ基板内に全ての抵抗を形成するため抵抗温度係数もほとんどばらつかない。実際に半導体プロセスを用いて抵抗体をパターニングし、これらの抵抗比を実測すると、±０.０７％ 以下となる。また抵抗温度係数の絶対値ばらつきはロット間では±１％程度であるが、同一ロット内のしかも同一半導体基板２内ではほぼゼロにできることが判った。

また、本発明の適用により、従来例では発熱抵抗体の加熱温度の調整を固定抵抗（印刷抵抗）のレーザトリッミングで行っていたが、この調整工程を省略でき原価低減が可能となる。また、各抵抗が経時変化した場合でも、同じ環境条件の熱履歴を各抵抗は受けるため共に同じような変化をすることから各抵抗比は維持されて、ブリッジバランスが変化しないため発熱抵抗体の過温度（ΔＴｈ）が変化することを防止できる。

次に、本実施例である熱式流量計のセンサ素子製造工程を説明する。

最初に、シリコン半導体基板２の上下面に熱酸化処理により二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）層を形成する。次に、窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）薄膜を、減圧ＣＶＤ（Chenical Vapor
Deposition：以下ＬＰＣＶＤ法とする）法により形成する。

更に、この上層に、二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂ ）層をＬＰＣＶＤ法により形成する。この様に、二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂ ）層と窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）薄膜の多層構成とし、熱膨張係数および残留応力のマッチングを図った構成とすることにより、ダイヤフラム部３の熱応力および残留応力による撓みが低減でき強度向上が図られる。

次に上記の絶縁膜上に抵抗体として多結晶ケイ素（Ｓｉ）半導体薄膜を約１ミクロンの厚さでＬＰＣＶＤ等の方法で形成する。ここでは多結晶ケイ素（Ｓｉ）半導体薄膜としたが、エピタキシャル成長させた単結晶構造のケイ素（Ｓｉ）半導体薄膜を形成しても良い。

次に、形成したケイ素（Ｓｉ）半導体薄膜に熱拡散処理にて不純物ドープ処理を行う。リンガラス（ＰＯＣｌ３）をケイ素（Ｓｉ）半導体薄膜表面に形成し１０００℃，３０分以上の熱処理により、抵抗率（ρ）が８×１０^-4Ωcm以下となるリン（Ｐ）が高濃度ドープ処理されたケイ素（Ｓｉ）半導体薄膜が形成される。

また、この工程にて不純物としてリン（Ｐ）を用いたが、ボロン（Ｂ）を不純物に用いて高濃度ドープ処理を行うことも可能であるが、形成したケイ素（Ｓｉ）半導体薄膜の抵抗値の安定性（経時変化）に関しては不純物としてリン（Ｐ）を用いた方がより効果が得られる。

次に、公知のホトリソグラフィ技術によりレジストを所定の形状に形成した後反応性ドライエッチング等の方法によりケイ素（Ｓｉ）半導体薄膜をパターニングし、各抵抗体を形成する。この工程により、各抵抗体が図１に示したパターンに形成され各抵抗比が一意に決定される。

更に、上記の工程と同様に、絶縁膜として二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）層，窒化ケイ素
（Ｓｉ₃Ｎ₄）薄膜と二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）層を積層する。熱処理アニールがした後、絶縁膜の所定の位置にスルーホールを形成後、端子電極部１１が、アルミニーム，金等で形成されて、端子電極と抵抗体間の電気接続がなされる。

次に、シリコン半導体基板２に空洞を形成する為に、エッチングのマスク材を所定の形状にパターニングし半導体基板２のエッチング部のみを露出せ、シリコン半導体基板２の裏面より水酸化カリウム（ＫＯＨ）等のエッチング液を用いて異方性エッチングすることにより空洞を形成する。

半導体製造プロセスの最終工程では、上記端子電極部１１としてアルミニーム，金等を形成した後に、アルミニーム，金等の電極材の膜質を高め電気接続を確実にする為に、熱処理アニールを施す。

この様に製造されたセンサ素子１は、抵抗体をリン（Ｐ）又はボロン（Ｂ）を高濃度ドープ処理し抵抗率（ρ）が８×１０^-4Ωcm以下となるように設定したことにより、各抵抗体の抵抗温度係数α１，α２を正で且つ比較的大きな値とすることが出来る。このため温度特性が良好でバラツキの少ない低コストの熱式流量計が提供できる。

図７は、ケイ素（Ｓｉ）半導体薄膜の抵抗率（ρ）と不純物濃度の関係を、図８は、同じく抵抗温度係数（α）と抵抗率（ρ）の関係を示したものである。

ケイ素（Ｓｉ）半導体膜は一般的にサーミスタ的な抵抗−温度特性を示すが、温度範囲が比較的狭く且つ高濃度に不純物ドープ処理された場合には金属的な抵抗−温度特性を示す。

特に抵抗体としては、抵抗温度係数の大きいことが検出感度を向上することから望まれる。また、発熱抵抗体４としては、抵抗率（ρ）が小さいことが、所望の温度（例えば
２００℃）に加熱しようとしたときの発熱抵抗体を駆動する電圧を低減する上で望まれる。

特に、発熱抵抗体４としては、抵抗値を下げるためには、ケイ素（Ｓｉ）半導体膜の膜厚を厚くする対応が考えられるが、膜厚を厚くすると所望のパターンに精度良くエッチングすることが難しくなり材料コストの面からも好ましくない。エッチングが精度良く実現出来る多結晶ケイ素（Ｓｉ）半導体膜の膜厚は約１ミクロンが限界であり、この厚さで
１０ボルト以下の駆動電圧で駆動出来る発熱抵抗体４の抵抗値は１ｋΩ以下であり、図７の領域３３で示した不純物濃度が２×１０²⁰（cm^-3）以上で抵抗率(ρ)が８×１０^-4Ωcm以下の領域が選択される。

図８には、抵抗温度係数（α）と抵抗率（ρ）の関係３４を示したが、抵抗率（ρ）が８×１０^-4Ωcm以下の領域３５で抵抗温度係数（α）が増加する。

従って、図７に示した抵抗率（ρ）が８×１０^-4Ωcm以下の領域３５では、低い抵抗率（ρ）にて大きい抵抗温度係数が実現できる。この領域での抵抗温度係数は、α１＝1000〜２０００（ppm／℃），α２＝０.１〜２（ppm／（℃）²）のいずれも正の値となった。

これに対して、従来例の様に白金薄膜の抵抗温度係数は、α１＝２０００〜３９００
（ppm／℃）、α２＝−０.１〜−１（ppm／（℃）²）で、α１が正の値となるが、α２が負の値を示し、上記のケイ素（Ｓｉ）半導体膜と符号が逆となる。

本実施例の発熱抵抗体４の抵抗値としては、電源電圧および発熱量の関係から５０〜
９００Ω，測温抵抗体６ａ〜６ｄ，８の抵抗値としては１〜１０ｋΩを選択した。

以上、本発明により温度特性が良好でバラツキの少ない低コストの熱式流量計を提供することができる。

本発明では、発熱抵抗体４の加熱温度（Ｔｈ）を近接する発熱測温抵抗体５にて検知する構成を用いたが、直接に発熱抵抗体４の抵抗値から加熱温度（Ｔｈ）を検知する方式においても同様の効果が得られることは自明である。

また、本発明では抵抗体材料としてケイ素（Ｓｉ）半導体膜を適用したが、２次の抵抗温度係数α２が正の値となる他の材料にも同様の効果が得られることは自明である。

更に、本発明では上下流測温抵抗体６ａ〜６ｄとして、上下流それぞれ２組の測温抵抗体としたが、上下流に１組の構成でも同様の効果が得られることは自明である。

図９は内燃機関、特にガソリンエンジンに用いられる実施例。

エンジンへの吸入空気７はエアクリーナー４１，ボディ４２，ダクト４３，スロットル４５，スロットルボディ４４等で構成された吸気通路を流れる。途中の通路あるいはバイパス通路中で、本発明を施した熱式流量計１が吸入空気７の流量を検知し、流量信号が電圧，周波数等の信号形態で、コントロールユニット４７に取り込まれ、インジェクタ４６，点火プラグ４８，エンジンシリンダ５２，排気マニホールド４９，排気ガス５０，酸素濃度計５１から構成される燃焼部構造及びサブシステムの制御に用いられる。

なお、ディーゼルエンジンの場合も基本構成はほぼ同じであり本発明を適用できる。すなわちディーゼルエンジンのエアクリーナーと吸気マニホールドの途中に配置した本発明の熱式流量計１により流量が検知され、該信号がコントロールユニットに取り込まれる構成である。

また、最近では自動車の排気ガス規制強化や大気汚染防止といった社会的な要請から、プロパンガス車や天然ガス車、あるいは水素と酸素を燃料とした燃料電池を用いて発電し、モーター駆動で自動車を動かす等の研究が盛んになっている。これらの流量を検知して燃料供給量を適正に制御するシステムへ、本発明の熱式流量計を適用することも可能である。

本発明による熱式流量計の一実施形態におけるセンサ素子の平面図である。 本発明による熱式流量計の一実施形態におけるセンサ素子の実装状態の一例を示す説明図である。 本発明による熱式流量計の一実施形態における回路図である。 本発明による熱式流量計の抵抗体の抵抗−温度特性の説明図である。 本発明による熱式流量計の出力−温度特性の説明図である。 本発明による熱式流量計の過温度−媒体温度特性の説明図である。 本発明による熱式流量計の抵抗体の抵抗率と不純物濃度の特性図である。 本発明による熱式流量計の抵抗体の抵抗率と抵抗温度係数の特性図である。 本発明による内燃機関のシステム図。 従来例によるセンサ素子の平面図である。

符号の説明

１…センサ素子、２…半導体基板、３…ダイヤフラム部、４…発熱抵抗体、５…発熱測温抵抗体、８…媒体測温抵抗体、１１…端子電極部、１２…吸気通路、１３，１５…支持体、１４…副通路、１６…外部回路、２１，２３…電源、２２…トランジスタ、２４，
２５…差動増幅器。

Claims (10)

1. 少なくとも１つの発熱抵抗体および少なくとも２つの測温抵抗体が、発熱抵抗体が前記測温抵抗体を加熱するように配置されている、被計測媒体流中に位置しているセンサ素子を備え、前記少なくとも１つの測温抵抗体は前記発熱抵抗体の上流に位置しておりかつ前記少なくとも１つの測温抵抗体は発熱抵抗体の下流に位置しており、
   かつ前記測温抵抗体の信号の測定によってセンサ信号を形成する評価手段と、前記発熱抵抗体の過温度（ΔＴｈ＝Ｔｈ−Ｔａ）、即ち前記被計測媒体の温度（Ｔａ）に対する前記発熱抵抗体の温度（Ｔｈ）との差を調整する調整手段とを備えている、熱式流量計において、
   前記調整手段は、前記発熱抵抗体の過温度を前記被計測媒体の温度に依存して、前記被計測媒体の温度が上昇するに従って過温度が低くなるように調整することを特徴とする熱式流量計。
2. 請求項１記載の熱式流量計において、前記調整手段は前記発熱抵抗体の過温度を、前記被計測媒体の熱伝導，熱容量および粘性の温度依存性の影響および少なくとも前記測温抵抗体の抵抗の温度依存性影響をも考慮して、センサ特性曲線に補償されているように、調整することを特徴とする熱式流量計。
3. 請求項１から２に記載の熱式流量計において、少なくとも前記測温抵抗体の抵抗の温度依存が下記（１）式の２次式で近似され、
   Ｒ（Ｔ）＝Ｒ（０℃）＊（１＋α１＊Ｔ＋α２＊Ｔ²） …（１）
   且つ、一次の抵抗温度係数（α１）および二次の抵抗温度係数（α２）がいずれも正であることを特徴とする熱式流量計。
4. 請求項１から３に記載の熱式流量計において、調整手段として、前記発熱抵抗体の温度を計測する発熱測温抵抗体を有することを特徴とする熱式流量計。
5. 請求項１から４に記載の熱式流量計において、調整手段として、前記被計測媒体の温度を測定する媒体測温抵抗体を有することを特徴とする熱式流量計。
6. 請求項１から５に記載の熱式流量計において、調整手段として、少なくともブリッジ回路を構成する回路抵抗体を有することを特徴とする熱式流量計。
7. 請求項１から６に記載の熱式流量計において、前記発熱抵抗体，測温抵抗体，発熱測温抵抗体，媒体測温抵抗体および回路抵抗体の抵抗の温度依存が、いずれも上記（１）式の２次式で近似され、且つ、一次の抵抗温度係数（α１）および二次の抵抗温度係数(α２)がいずれも正である同一の薄膜抵抗体から構成されたことを特徴とする熱式流量計。
8. 請求項１から７に記載の熱式流量計において、前記薄膜抵抗体が、不純物ドープ処理されたケイ素（Ｓｉ）半導体薄膜であり、このケイ素（Ｓｉ）半導体薄膜は、不純物としてリン（Ｐ）又はボロン（Ｂ）が高濃度ドープ処理されたことを特徴とする熱式流量計。
9. 請求項１から８に記載の熱式流量計において、上記ケイ素（Ｓｉ）半導体薄膜の抵抗率が８×１０^-4Ωcm以下になるように高濃度ドープ処理されることを特徴とする熱式流量計。
10. エンジンと、前記エンジンの吸気管に取り付けられた請求項１から９のいずれか記載の熱式流量計と、
    前記エンジンへ燃料を供給する燃料供給手段と、
    前記熱式流量計の出力に基づいて前記燃料供給手段を制御する制御手段と、を備えたエンジンシステム。
    

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