JP2013213834A - Air flow rate measuring apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、流路を通過する空気の流量（以下、空気流量と略して呼ぶことがある。）を測定する空気流量測定装置に関する。 The present invention relates to an air flow rate measuring apparatus that measures a flow rate of air passing through a flow path (hereinafter, sometimes abbreviated as “air flow rate”).
従来から、例えば、車両の内燃機関に吸入される空気の流量（以下、吸気量と呼ぶことがある。）の測定には、空気流量として質量流量を直接的に測定できる利点から、熱式の空気流量測定装置が用いられている。
この熱式の空気流量測定装置の検出部は、通電により発熱する発熱部と、発熱部から空気を介して熱的影響を受けることで、空気流量相当の電気信号（以下、流量信号と略して呼ぶ。）を発生する測温部とを有し、流量信号は、所定の制御回路により処理されてエンジン等を制御する電子制御装置（ＥＣＵ）に出力される。
Conventionally, for example, in the measurement of the flow rate of air sucked into an internal combustion engine of a vehicle (hereinafter sometimes referred to as an intake air amount), the thermal flow rate can be directly measured from the advantage that the mass flow rate can be directly measured. An air flow measuring device is used.
The detection unit of this thermal air flow rate measuring device has a heat generating part that generates heat when energized, and an electrical signal equivalent to the air flow rate (hereinafter abbreviated as a flow rate signal) by receiving heat from the heat generating part via air. The flow rate signal is processed by a predetermined control circuit and output to an electronic control unit (ECU) that controls the engine and the like.
また、検出部は、流量信号を制御回路に出力するための測温部用電極、測温部用電極と測温部とを導通させる測温部用リード部、発熱部に通電するための発熱部用電極、および発熱部用電極と発熱部とを導通させる発熱部用リード部を有し、検出部側の測温部用、発
熱部用電極が、それぞれ制御回路側の測温部用、発熱部用電極とボンディングワイヤ等により接続されている。
ところで、車両に用いられる空気流量測定装置では、エンジン制御における制御性向上の観点から、様々な改善策が検討されている。
The detection unit includes a temperature measuring unit electrode for outputting a flow rate signal to the control circuit, a temperature measuring unit lead unit for connecting the temperature measuring unit electrode and the temperature measuring unit, and a heat generating unit for energizing the heating unit. And a heating part lead for conducting the heating part electrode and the heating part, and the heating part electrode for the detection part and the heating part electrode for the temperature measuring part on the control circuit side, It is connected to the heating part electrode by a bonding wire or the like.
By the way, in the air flow measuring device used for a vehicle, various improvement measures are examined from the viewpoint of improving controllability in engine control.
例えば、特許文献１は、空気の流れ方向において、発熱部や測温部が成形されるメンブレンの幅、発熱部の幅、および測温部の幅を数値的に限定することで、応答性向上、測定レンジ拡大、および、発熱部の経時的な抵抗変動の抑制等を図っている。
また、特許文献２は、発熱部のシート抵抗を発熱部用リード部のシート抵抗の５倍以上に設定することで、発熱部用リード部の発熱による時間的遅れを解消して応答性向上を図っている。
For example,
Further,
また、特許文献３は、発熱部および測温部を多結晶ケイ素の半導体膜で設けるとともに、発熱部の不純物濃度を測温部の不純物濃度よりも大きく設定することで、発熱部のシート抵抗を下げて発熱部を発熱させるための駆動電圧を低減したり、測温部の抵抗温度係数を大きくして測定感度を高めたりしている。
さらに、特許文献４は、発熱部を単結晶ケイ素の半導体膜で設けるとともに、発熱部の不純物濃度を所定値未満に数値的に限定することで、発熱部の経時的な抵抗変動の抑制を図っている。
Further,
Further,
ところで、検出部から得られる流量信号は、ボンディングワイヤ、および検出部側、制御回路側の測温部用電極を介して制御回路に入力され、制御回路で処理された後にＥＣＵに出力される。このため、流量信号には、測温部における電圧降下に基づく信号部分以外に、測温部用リード部における電圧降下に基づく信号部分が含まれている。 By the way, the flow rate signal obtained from the detection unit is input to the control circuit via the bonding wire and the temperature measurement unit electrodes on the detection unit side and the control circuit side, and is processed by the control circuit and then output to the ECU. For this reason, the flow rate signal includes a signal portion based on the voltage drop in the temperature measuring lead portion in addition to the signal portion based on the voltage drop in the temperature measuring portion.
この結果、流量信号に対する測温部の感度は、測温部用リード部における電圧降下の影響を受けるので、測温部用リード部のシート抵抗が大きく、測温部用リード部における電圧降下が測温部における電圧降下に比べて無視できないほどに有意な数値になってしまうと、空気流量の検出精度が低下してしまう。 As a result, the sensitivity of the temperature measuring unit with respect to the flow rate signal is affected by the voltage drop in the temperature measuring unit lead, so the sheet resistance of the temperature measuring unit lead is large, and the voltage drop in the temperature measuring unit lead is small. If the value becomes so significant that it cannot be ignored compared to the voltage drop in the temperature measuring section, the detection accuracy of the air flow rate is lowered.
なお、特許文献１には、測温部を単結晶ケイ素の半導体膜で設け、測温部用リード部を単結晶ケイ素の半導体膜とアルミニウムや金等の金属膜との多層膜で設ける構成が開示されている。この構成によれば、金属膜を含む多層膜とすることでシート抵抗は下がるものの、多層膜化することによるコストアップや、半導体膜と金属膜との分離の虞に起因する信頼性低下等の問題がある。
また、特許文献２では、発熱部のシート抵抗を発熱部用リード部のシート抵抗の５倍以上に設定するために、発熱部用リード部の幅を広げたり、発熱部用リード部を２段階で成膜して厚みを増したり、発熱部用リード部を少なくとも２種類の金属膜を成膜することで設けたりしているが、いずれの方法もコストアップになってしまう。
Further, in
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、空気流量測定装置の検出部において、コストアップすることなく、測温部用リード部のシート抵抗を測温部のシート抵抗よりも低く設定して空気流量の検出精度を高めることにある。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to measure the sheet resistance of the lead part for the temperature measuring part without increasing the cost in the detecting part of the air flow measuring device. This is to increase the detection accuracy of the air flow rate by setting it lower than the sheet resistance of the part.
〔請求項１の手段〕
請求項１に記載の空気流量測定装置は、空気流量相当の電気信号（流量信号）を発生する検出部を備え、流量信号を所定の制御回路により処理して出力する。また、検出部は、通電により発熱する発熱部と、発熱部から空気を介して熱的影響を受けることで、流量信号を発生する測温部と、流量信号を制御回路に出力するための電極（測温部用電極）と、測温部用電極と測温部とを導通させるリード部（測温部用リード部）とを有する。
[Means of Claim 1]
The air flow rate measuring device according to
そして、発熱部、測温部および測温部用リード部は、半導体基板の表面に設けられた電気絶縁膜上に成形され、測温部および測温部用リード部はケイ素の半導体膜として成形され、測温部用リード部は測温部よりも不純物濃度が高い。
そして、半導体基板は表面と裏面との間を貫通する空洞を有し、電気絶縁膜の一部は空洞を覆うメンブレンをなし、測温部用リード部の内、測温部から連続する部分は、発熱部および測温部とともにメンブレン上に成形されている。
そして、測温部用リード部の内、メンブレン上に形成される部分には、測温部から連続して不純物濃度が測温部と同等の範囲が存在する。
なお、かかる範囲とは、測温部から連続して線幅が徐々に広がっていき広がり終わるまでの領域である。
The heat generating part, the temperature measuring part and the lead part for the temperature measuring part are formed on an electric insulating film provided on the surface of the semiconductor substrate, and the temperature measuring part and the lead part for the temperature measuring part are formed as a silicon semiconductor film. In addition, the temperature measuring lead part has a higher impurity concentration than the temperature measuring part.
And the semiconductor substrate has a cavity penetrating between the front surface and the back surface, a part of the electrical insulating film forms a membrane that covers the cavity, and the portion that continues from the temperature measuring portion of the lead portion for the temperature measuring portion is It is molded on the membrane together with the heat generating part and the temperature measuring part.
And in the part formed on a membrane among the lead parts for temperature measuring parts, the range where impurity concentration is equivalent to a temperature measuring part exists continuously from a temperature measuring part.
In addition, this range is an area | region until a line width is gradually expanded from the temperature measurement part, and it complete | finishes it.
これにより、測温部用リード部のシート抵抗を測温部のシート抵抗よりも低く設定することができる。また、測温部と測温部用リード部との間で不純物濃度に差を設けることは、コストアップすることなく実施できる。
したがって、空気流量測定装置の検出部において、コストアップすることなく、測温部用リード部のシート抵抗を測温部のシート抵抗よりも低く設定して流量信号に対する測温部の感度を高め、空気流量の検出精度を高めることができる。
測温部用リード部の内、メンブレン上に形成される部分に、測温部から連続して不純物濃度が測温部と同等の範囲を設けることで、測温部用リード部におけるシート抵抗の経時的な変化を抑制することができる。
Thereby, the sheet resistance of the lead part for temperature measuring parts can be set lower than the sheet resistance of the temperature measuring part. In addition, providing a difference in impurity concentration between the temperature measuring unit and the temperature measuring unit lead unit can be performed without increasing the cost.
Therefore, in the detection part of the air flow rate measuring device, without increasing the cost, the sheet resistance of the temperature measuring part lead part is set lower than the sheet resistance of the temperature measuring part to increase the sensitivity of the temperature measuring part to the flow signal, The detection accuracy of the air flow rate can be increased.
Of the temperature measurement lead part, the sheet resistance in the temperature measurement lead part can be reduced by providing an area where the impurity concentration is the same as that of the temperature measurement part. Changes over time can be suppressed.
〔請求項２の手段〕
請求項２に記載の空気流量測定装置によれば、測温部および測温部用リード部をなすケイ素は単結晶である。
ケイ素の半導体膜は、不純物濃度が大きくなると経時的な抵抗変動の割合（抵抗変化率）が大きくなり、多結晶ケイ素の方が単結晶ケイ素よりも抵抗変化率が大きくなる。よって、測温部および測温部用リード部を単結晶ケイ素の半導体膜とすることで、経時的な測定誤差の増加を抑えることができる。
[Means of claim 2]
According to the air flow rate measuring device of the second aspect, the silicon forming the temperature measuring unit and the temperature measuring unit lead is a single crystal.
As the impurity concentration of a silicon semiconductor film increases, the rate of change in resistance over time (resistance change rate) increases, and the resistance change rate of polycrystalline silicon is higher than that of single crystal silicon. Therefore, by making the temperature measuring part and the temperature measuring part lead part a single crystal silicon semiconductor film, an increase in measurement error over time can be suppressed.
〔請求項３の手段〕
請求項３に記載の空気流量測定装置によれば、測温部は、空気の流れる方向に関して、発熱部の上流側に設けられる上流側測温部、および発熱部の下流側に設けられる下流側測温部を含んでおり、流量信号は、上流側測温部と下流側測温部との温度差に基づいて生じる。
これにより、順方向の空気流量ばかりでなく逆方向の空気流量をも測定できるので、例えば、吸気量を測定する場合のように脈動が生じる場合にも高精度に空気流量を測定できる。
[Means of claim 3]
According to the air flow rate measuring device according to
As a result, not only the forward air flow rate but also the reverse air flow rate can be measured, so that the air flow rate can be measured with high accuracy even when pulsation occurs, for example, when the intake air amount is measured.
〔請求項４の手段〕
請求項４に記載の空気流量測定装置によれば、検出部は、発熱部および測温部とは別に設けられて発熱部と所定の温度相関にある傍熱部を有し、発熱部への通電は、傍熱部の温度に応じて制御される。
これにより、発熱部への通電制御は、傍熱部の温度を利用して実行されるので、発熱部のシート抵抗がジュール熱により経時的に変動しても、測定精度を低下させることなく維持することができる。
[Means of claim 4]
According to the air flow rate measuring device of the fourth aspect, the detection unit is provided separately from the heat generation unit and the temperature measurement unit, and has a side heating unit that has a predetermined temperature correlation with the heat generation unit. Energization is controlled according to the temperature of the indirectly heated portion.
As a result, the energization control of the heat generating part is performed using the temperature of the indirectly heated part, so even if the sheet resistance of the heat generating part fluctuates over time due to Joule heat, it is maintained without reducing the measurement accuracy. can do.
〔請求項５の手段〕
請求項５に記載の空気流量測定装置によれば、発熱部はケイ素の半導体膜として設けられ、発熱部は測温部よりも不純物濃度が高い。
これにより、発熱部のシート抵抗を下げることができるので、発熱部を目標温度まで昇温するための駆動電圧を低減することができる。
[Means of claim 5]
According to the air flow rate measuring device of the fifth aspect, the heat generating part is provided as a silicon semiconductor film, and the heat generating part has a higher impurity concentration than the temperature measuring part.
Thereby, since the sheet resistance of the heat generating part can be lowered, the driving voltage for raising the temperature of the heat generating part to the target temperature can be reduced.
実施形態１の空気流量測定装置は、空気流量相当の電気信号（流量信号）を発生する検出部を備え、流量信号を所定の制御回路により処理して出力する。また、検出部は、通電により発熱する発熱部と、発熱部から空気を介して熱的影響を受けることで、流量信号を発生する測温部と、流量信号を制御回路に出力するための電極（測温部用電極）と、測温部用電極と測温部とを導通させるリード部（測温部用リード部）とを有する。 The air flow rate measuring apparatus according to the first embodiment includes a detection unit that generates an electric signal (flow rate signal) corresponding to an air flow rate, and processes and outputs the flow rate signal by a predetermined control circuit. In addition, the detection unit includes a heating unit that generates heat when energized, a temperature measurement unit that generates a flow signal by being thermally affected by air from the heating unit, and an electrode for outputting the flow signal to the control circuit. (Temperature measuring part electrode) and a lead part (temperature measuring part lead part) for conducting the temperature measuring part electrode and the temperature measuring part.
そして、発熱部、測温部および測温部用リード部は、半導体基板の表面に設けられた電気絶縁膜上に成形され、測温部および測温部用リード部はケイ素の半導体膜として成形され、測温部用リード部は測温部よりも不純物濃度が高い。 The heat generating part, the temperature measuring part and the lead part for the temperature measuring part are formed on an electric insulating film provided on the surface of the semiconductor substrate, and the temperature measuring part and the lead part for the temperature measuring part are formed as a silicon semiconductor film. In addition, the temperature measuring lead part has a higher impurity concentration than the temperature measuring part.
また、半導体基板は表面と裏面との間を貫通する空洞を有し、電気絶縁膜の一部は空洞を覆うメンブレンをなしている。そして、測温部用リード部の内、測温部から連続する部分は、発熱部および測温部とともにメンブレン上に成形されている。
また、測温部および測温部用リード部をなすケイ素は単結晶である。
The semiconductor substrate has a cavity penetrating between the front surface and the back surface, and a part of the electric insulating film forms a membrane covering the cavity. And the part continuing from a temperature measurement part among the lead parts for temperature measurement parts is shape | molded on the membrane with the heat generating part and the temperature measurement part.
Silicon forming the temperature measuring section and the lead section for the temperature measuring section is a single crystal.
さらに、測温部は、空気の流れる方向に関して、発熱部の上流側に設けられる上流側測温部、および発熱部の下流側に設けられる下流側測温部を含んでおり、流量信号は、上流側測温部と下流側測温部との温度差に基づいて生じる。
また、発熱部はケイ素の半導体膜として設けられ、発熱部は測温部よりも不純物濃度が高い。
Further, the temperature measuring unit includes an upstream temperature measuring unit provided on the upstream side of the heat generating unit and a downstream temperature measuring unit provided on the downstream side of the heat generating unit with respect to the direction of air flow, It occurs based on the temperature difference between the upstream temperature measuring unit and the downstream temperature measuring unit.
The heat generating part is provided as a silicon semiconductor film, and the heat generating part has a higher impurity concentration than the temperature measuring part.
実施形態２の空気流量測定装置によれば、検出部は、発熱部および測温部とは別に設けられて発熱部と所定の温度相関にある傍熱部を有し、発熱部への通電は、傍熱部の温度に応じて制御される。 According to the air flow rate measurement device of the second embodiment, the detection unit is provided separately from the heat generation unit and the temperature measurement unit, and has a side heating unit that has a predetermined temperature correlation with the heat generation unit. It is controlled according to the temperature of the indirectly heated part.
〔実施例１の構成〕
実施例１の空気流量測定装置１の構成を、図面を用いて説明する。
空気流量測定装置１は、例えば、図１に示すように、車両の内燃機関に吸入される空気の通路２に突出するように配されて空気流量を測定するために用いられており、空気との伝熱を利用することで空気流量として質量流量を直接的に測定できるものである。
[Configuration of Example 1]
The structure of the air flow
For example, as shown in FIG. 1, the air flow
また、空気流量測定装置１は、通路２を流れる空気の一部をバイパスさせるバイパス流路３を形成しており、バイパス流路３に、空気流量相当の電気信号（流量信号）を発生する検出部４を備える。そして、空気流量測定装置１は、検出部４から得られる流量信号を所定の制御回路５により処理する（図２（ａ）参照）。また、制御回路５により処理された流量信号は、内燃機関を制御するための電子制御装置（ＥＣＵ：図示せず）に入力され、ＥＣＵは、この流量信号に基づいて吸気量を把握するとともに、吸気量に基づく燃料噴射制御等の各種の制御処理を実行する。
Further, the air flow
検出部４は、後記する発熱部７や測温部８等が表面に成形された半導体基板９、半導体基板９を保持する保持部材１０等からなり（図２（ａ）、（ｂ）参照）、バイパス流路３に突出するように配されている。ここで、半導体基板９の表面は、図３に示すように、電気絶縁膜１１により覆われている。また、半導体基板９には、表面と裏面との間を貫通する空洞１２が設けられており、電気絶縁膜１１の一部は空洞１２を覆うメンブレン１３をなしている。そして、発熱部７や測温部８は、メンブレン１３上に配置されている。
The
発熱部７は、通電により発熱するように設けられており、空気の温度を検出する空気温検出部１６、固定抵抗１７、１８とともに、発熱部７の温度を制御するためのブリッジ回路１９を形成している（図４（ａ）参照）。また、発熱部７と固定抵抗１７との接続点の電位を示す端子２０、および空気温検出部１６と固定抵抗１８との接続点の電位を示す端子２１は、比較器２２の入力端に接続され、比較器２２は、端子２０、２１間の電位差に応じた電気信号を出力する。
The
なお、ブリッジ回路１９では、端子２０、２１以外に、発熱部７の高電位側と空気温検出部１６の高電位側との接続点の電位を示す端子２３、および、固定抵抗１７の低電位側と固定抵抗１８の低電位側との接続点の電位を示す端子２４が設けられている。
In the
また、比較器２２から出力される電気信号は、電源２５から発熱部７への通電をオンオフするスイッチング素子２６に入力され、発熱部７は、比較器２２から出力される電気信号によりスイッチング素子２６が作動することで通電を受ける。
以上の構成により、発熱部７の温度は、空気の温度（つまり、空気温検出部１６の温度）よりも一定の温度差だけ高くなるように制御される。
The electrical signal output from the
With the above configuration, the temperature of the
なお、空気温検出部１６、固定抵抗１７、１８はメンブレン１３以外の半導体基板９上に電気絶縁膜１１を介して設けられている。また、比較器２２やスイッチング素子２６は、制御回路５の一部として設けられている。
The air
測温部８は、発熱部７から空気を介して熱的影響を受けることで流量信号を発生するものであり、バイパス流路３における空気の流れる方向に関して、図５に示すように、発熱部７の上流側に設けられる第１、第２上流側測温部２９、３０、および発熱部７の下流側に設けられる第１、第２下流側測温部３１、３２からなる。ここで、発熱部７、第１、第２上流側測温部２９、３０、および第１、第２下流側測温部３１、３２は、上流側から下流側に向かって、第１上流側測温部２９、第２上流側測温部３０、発熱部７、第２下流側測温部３２、第１下流側測温部３１の順に、メンブレン１３上に並んでいる。
The
また、第１、第２上流側測温部２９、３０、および第１、第２下流側測温部３１、３２は、流量信号を出力するためのブリッジ回路３３を形成している（図４（ｂ）参照）。そして、第１上流側測温部２９と第１下流側測温部３１との接続点の電位を示す端子３４、および第２下流側測温部３２と第２上流側測温部３０との接続点の電位を示す端子３５は、増幅器３６の入力端に接続され、増幅器３６は、端子３４、３５間の電位差に応じた電気信号を流量信号として出力する。
Moreover, the 1st, 2nd upstream
なお、ブリッジ回路３３では、端子３４、３５以外に、第１上流側測温部２９の高電位側と第２下流側測温部３２の高電位側との接続点の電位を示す端子３７、および、第１下流側測温部３１の低電位側と第２上流側測温部３０の低電位側との接続点の電位を示す端子３８が設けられている。
In the
ここで、流量信号は、第１、第２上流側測温部２９、３０と第１、第２下流側測温部３１、３２との温度差に基づいて生じる。
すなわち、図６に示すように、バイパス流路３に空気が流れていない場合、発熱部７と空気との伝熱により、発熱部７の上、下流側には均等に熱が伝達されて発熱部７の位置を中心として上、下流側に対称な温度分布が形成される。
Here, the flow rate signal is generated based on a temperature difference between the first and second upstream
That is, as shown in FIG. 6, when air is not flowing through the
そして、バイパス流路３において上流側から下流側に向かう順方向の空気の流れが生じた場合、発熱部７の上流側では伝熱量が下がって下流側では伝熱量が上がるので、温度分布が下流側に偏って第１、第２上流側測温部２９、３０と第１、第２下流側測温部３１、３２との間に温度差ΔＴが生じる。そして、温度差ΔＴは、図７に示すように、空気流量に応じて変化するため、端子３４、３５間の電位差は空気流量に応じた値となり、増幅器３６から出力される電気信号は空気流量相当の電気信号（流量信号）となる。
When a forward air flow from the upstream side to the downstream side occurs in the
なお、増幅器３６から出力された流量信号は、制御回路５において、Ａ／Ｄ変換された後、ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサの略）より処理され、さらにＤＳＰから出力されたデジタル値が周波数に変換されて（つまりＤ／Ｆ変換されて）、ＥＣＵに出力される（図４（ｂ）参照）。また、増幅器３６は、制御回路５の一部として設けられている。
The flow rate signal output from the
ところで、制御回路５は、発熱部７や測温部８等が設けられた半導体基板９とは別の半導体基板４１上に設けられている（図２（ｂ）参照）。このため、発熱部７と比較器２２やスイッチング素子２６との間、第１、第２上流側測温部２９、３０および第１、第２下流側測温部３１、３２と増幅器３６の間は、以下に説明するリード部４２、４３、後記する検出部４側の電極、ボンディングワイヤ４４、および制御回路５側の電極（図示せず）等を介して電気的に接続されている。
By the way, the control circuit 5 is provided on a
すなわち、端子２０、２１、２３、２４は、発熱部７の温度を制御する電気信号を検出部４と制御回路５との間で入出力するための検出部４側の電極として構成されている（以下、端子２０、２１、２３、２４を、それぞれ電極２０、２１、２３、２４と呼ぶ。）。そして、発熱部７と電極２０、２３との間は、電気配線としてのリード部４２により導通し、電極２０、２３は、制御回路５側の電極とボンディングワイヤ４４により導通している（図２（ｂ）、図３、図４（ａ）参照）。
That is, the
また、端子３４、３５、３７、３８は、流量信号を制御回路５に出力するための検出部４側の電極として構成されている（以下、端子３４、３５、３７、３８を、それぞれ電極３４、３５、３７、３８と呼ぶ。）。そして、第１上流側測温部２９および第１下流側測温部３１と電極３４との間、ならびに、第２上流側測温部３０および第２下流側測温部３２と電極３５との間は、電気配線としてのリード部４３により導通し、電極３４、３５は、制御回路５側の電極とボンディングワイヤ４４により導通している（図２（ｂ）、図３、図４（ｂ）参照）。
The
リード部４２、４３は、半導体基板９の表面において電気絶縁膜１１上に成形されている（図３参照）。そして、リード部４２、４３の内、発熱部７および測温部８からそれぞれ連続する部分４６、４７は、発熱部７および測温部８とともにメンブレン１３上に成形されている（図５参照）。そして、発熱部７、測温部８およびリード部４２、４３は、電気絶縁膜４８により覆われ、さらに保護膜４９により覆われて保護されている（図３参照）。
The
また、発熱部７、測温部８およびリード部４２、４３は、単結晶ケイ素の半導体膜として設けられ、発熱部７は測温部８よりも不純物濃度が高く、リード部４３は測温部８よりも不純物濃度が高い。ここで、不純物濃度と抵抗率との間には、図８に示すような相関があるので、不純物濃度が上がると抵抗率が下がる。このため、発熱部７は測温部８よりもシート抵抗が小さく、リード部４３は測温部８よりもシート抵抗が小さい。なお、不純物とは、リン、ボロン等である。
Further, the
〔実施例１の効果〕
実施例１の空気流量測定装置１によれば、測温部８およびリード部４３はケイ素の半導体膜として設けられ、リード部４３は測温部８よりも不純物濃度が高い。
ここで、検出部４から得られる流量信号は、検出部４側の電極３４、３５、ボンディングワイヤ４４、および制御回路５側の電極を介して制御回路５に入力される。このため、流量信号には、測温部８における電圧降下に基づく信号部分以外に、リード部４３における電圧降下に基づく信号部分が含まれている。
[Effect of Example 1]
According to the air flow
Here, the flow rate signal obtained from the
この結果、流量信号に対する測温部８の感度は、リード部４３における電圧降下の影響を受けるので、リード部４３のシート抵抗が大きく、リード部４３における電圧降下が測温部８における電圧降下に比べて無視できないほどに有意な数値になってしまうと、空気流量の検出精度が低下してしまう。
As a result, the sensitivity of the
そこで、リード部４３の不純物濃度を測温部８の不純物濃度よりも高めて、リード部４３のシート抵抗を測温部８のシート抵抗よりも低く設定する。これにより、リード部４３における電圧降下を測温部８における電圧降下に比べて無視できる程度に小さくして、流量信号に対する測温部８の感度を高めることができるので、空気流量の検出精度を高めることができる。
Therefore, the impurity concentration of the
また、測温部８とリード部４３との間で不純物濃度に差を設けることは、コストアップすることなく実施できる。したがって、空気流量測定装置１の検出部４において、コストアップすることなく、リード部４３のシート抵抗を測温部８のシート抵抗よりも低く設定して空気流量の検出精度を高めることができる。
In addition, providing a difference in impurity concentration between the
また、半導体基板９は表面と裏面との間を貫通する空洞１２を有し、電気絶縁膜１１の一部は空洞１２を覆うメンブレン１３をなしている。そして、リード部４３の内、測温部８から連続する部分４７は、発熱部７および測温部８とともにメンブレン１３上に成形されている。
Further, the
これにより、部分４７を含む全てのリード部４３に関して、シート抵抗を測温部８よりも低く設定することができる。
また、ケイ素の半導体膜は、図９に示すように、不純物濃度が大きくなると経時的な抵抗変動の割合（抵抗変化率）が大きくなる。よって、部分４７の内、測温部８から連続するさらに小さい範囲５１、換言すれば、測温部８から連続して線幅が徐々に広がっていき広がり終わるまでの領域（図５参照）では、発熱部７からの伝熱により温度が上昇するので、不純物濃度が高いとシート抵抗が経時的に変化して測定誤差が生じてしまう。
Accordingly, the sheet resistance can be set lower than that of the
Further, as shown in FIG. 9, in the silicon semiconductor film, the rate of resistance variation with time (resistance change rate) increases as the impurity concentration increases. Therefore, in the
そこで、範囲５１に関しては、不純物濃度を測温部８と同等にしてシート抵抗を測温部８と同じになるように設定する。
なお、範囲５１の境界線（図５参照）は、実際に温度が上昇するか否かを測定して決定される。また、図９に示す抵抗変化率は、リンを不純物として、３１０℃の温度条件で通電開始から１０００時間経過後の測定結果である。
Therefore, for the
Note that the boundary line of the range 51 (see FIG. 5) is determined by measuring whether or not the temperature actually increases. Moreover, the resistance change rate shown in FIG. 9 is a measurement result after elapse of 1000 hours from the start of energization under the temperature condition of 310 ° C. with phosphorus as an impurity.
また、測温部８およびリード部４３をなすケイ素は単結晶である。
ケイ素の半導体膜は、多結晶ケイ素の方が単結晶ケイ素よりも抵抗変化率が大きくなる（図９参照）。よって、測温部８およびリード部４３を単結晶ケイ素の半導体膜とすることで、経時的な測定誤差の増加を抑えることができる。
The silicon forming the
In the silicon semiconductor film, polycrystalline silicon has a higher resistance change rate than single-crystal silicon (see FIG. 9). Therefore, by using the
また、測温部８は、空気の流れる方向に関して、発熱部７の上流側に設けられる第１、第２上流側測温部２９、３０、および発熱部７の下流側に設けられる第１、第２下流側測温部３１、３２を含んでおり、流量信号は、第１、第２上流側測温部２９、３０と第１、第２下流側測温部３１、３２との温度差に基づいて生じる。
これにより、順方向の空気流量ばかりでなく逆方向の空気流量をも測定できるので、例えば、吸気量を測定する場合のように脈動が生じる場合にも高精度に空気流量を測定できる。
In addition, the
As a result, not only the forward air flow rate but also the reverse air flow rate can be measured, so that the air flow rate can be measured with high accuracy even when pulsation occurs, for example, when the intake air amount is measured.
また、発熱部７はケイ素の半導体膜として設けられ、発熱部７は測温部８よりも不純物濃度が高い。
これにより、発熱部７のシート抵抗を下げることができるので、発熱部７を目標温度まで昇温するための駆動電圧を低減することができる。
The
Thereby, since the sheet resistance of the
〔実施例２〕
実施例２の空気流量測定装置１によれば、図１０に示すように、発熱部７および測温部８とは別に、発熱部７と所定の温度相関にある傍熱部５３がメンブレン１３上に設けられている。そして、発熱部７への通電は、傍熱部５３の温度に応じて制御される。
[Example 2]
According to the air flow
すなわち、実施例２のブリッジ回路１９は、図１１に示すように、傍熱部５３、空気温検出部１６、固定抵抗５４、５５により設けられている。また、傍熱部５３と固定抵抗５４との接続点の電位を示す端子５６、および空気温検出部１６と固定抵抗５５との接続点の電位を示す端子５７は、比較器２２の入力端に接続され、比較器２２は、端子５６、５７間の電位差に応じた電気信号を出力する。
That is, the
また、実施例２のブリッジ回路１９では、端子５６、５７以外に、傍熱部５３の低電位側と空気温検出部１６の低電位側との接続点の電位を示す端子５８、および、固定抵抗５４の高電位側と固定抵抗５５の高電位側との接続点の電位を示す端子５９が設けられている。さらに、発熱部７は、端子５８の低電位側に設けられる。
Further, in the
そして、スイッチング素子２６は、比較器２２から出力される電気信号により、電源２５から発熱部７およびブリッジ回路１９への通電をオンオフする。
このような構成により、傍熱部５３の温度が空気の温度（つまり、空気温検出部１６の温度）よりも一定の温度差だけ高くなるように、発熱部７への通電が制御される。
なお、固定抵抗５４、５５はメンブレン１３以外の半導体基板９上に電気絶縁膜１１を介して設けられている。
Then, the switching
With such a configuration, energization to the
The fixed
以上により、発熱部７への通電制御は、傍熱部５３の温度を利用して実行されるので、発熱部７のシート抵抗がジュール熱により経時的に変動しても、測定精度を低下させることなく維持することができる。
As described above, the energization control to the
また、実施例２の空気流量測定装置１においても、発熱部７の不純物濃度を高めることにより、発熱部７の昇温のための駆動電圧の低減が図られているが、傍熱部５３の温度に応じて発熱部７への通電を制御するので、発熱部７において不純物濃度を高めても発熱部７への通電制御に何ら問題は生じない。
Also in the air flow
すなわち、不純物濃度を高めていくと、図９の単結晶ケイ素の相関線および図１２の相関線に示すように、不純物濃度の数値が１×１０２０ｃｍ−３を超えると抵抗変化率が上昇したり、抵抗温度係数が低下したりするので、発熱部７においても１×１０２０ｃｍ−３を超えるように不純物濃度を高めると、抵抗温度係数が低下したり、抵抗変化率が上昇したりしてしまう。
That is, as the impurity concentration is increased, the resistance change rate increases when the value of the impurity concentration exceeds 1 × 10 20 cm −3 as shown in the correlation line of single crystal silicon in FIG. 9 and the correlation line in FIG. Since the temperature coefficient of resistance decreases, if the impurity concentration is increased so as to exceed 1 × 10 20 cm −3 even in the
しかし、実施例２の空気流量測定装置１によれば、発熱部７への通電制御は、発熱部７自体の温度に応じて行われるのではなく傍熱部５３の温度に応じて行われる。このため、発熱部７自体の抵抗温度係数や抵抗変化率に関わりなく発熱部７への通電を制御できるので、発熱部７において不純物濃度を高めても、何ら問題なく発熱部７への通電を制御できる。
However, according to the air flow
〔変形例〕
空気流量測定装置１の態様は、実施例１、２に限定されず種々の変形例を考えることができる。例えば、実施例１、２の空気流量測定装置１によれば、発熱部７、測温部８およびリード部４２、４３は、単結晶ケイ素の半導体膜として設けられていたが、多結晶ケイ素の半導体膜として設けてもよい。
[Modification]
The aspect of the air flow
さらに、実施例１、２の空気流量測定装置１は、車両の内燃機関への吸気量を測定するために用いられていたが、空気流量測定装置１の使用用途は、このような吸気量の測定に限定されず、様々な流路を通過する空気流量の測定に用いることができる。
Furthermore, the air flow
１ 空気流量測定装置
４ 検出部
５ 制御回路
７ 発熱部
８ 測温部
９ 半導体基板
１１ 電気絶縁膜
１２ 空洞
１３ メンブレン
２１ 電極
２９ 第１上流側測温部（上流側測温部）
３０ 第２上流側測温部（上流側測温部）
３１ 第１下流側測温部（下流側測温部）
３２ 第２下流側測温部（下流側測温部）
４３ リード部
４７ 部分（測温部から連続する部分）
５１ 範囲（線幅が徐々に広がっていき広がり終わるまでの領域）
５３ 傍熱部
DESCRIPTION OF
30 Second upstream temperature sensor (upstream temperature sensor)
31 1st downstream temperature measuring part (downstream temperature measuring part)
32 Second downstream side temperature measuring unit (downstream side temperature measuring unit)
43
51 range (area until the line width gradually increases and ends)
53 Side heat section
Claims (5)
前記検出部は
通電により発熱する発熱部と、
この発熱部から空気を介して熱的影響を受けることで、前記空気流量相当の電気信号を発生する測温部と、
前記空気流量相当の電気信号を前記制御回路に出力するための電極と、
この電極と前記測温部とを導通させるリード部とを有し、
前記発熱部、前記測温部および前記リード部は、半導体基板の表面に設けられた電気絶縁膜上に成形され、
前記測温部および前記リード部はケイ素の半導体膜として成形され、前記リード部は前記測温部よりも不純物濃度が高く、
前記半導体基板は表面と裏面との間を貫通する空洞を有し、前記電気絶縁膜の一部は前記空洞を覆うメンブレンをなし、
前記リード部の内、前記測温部から連続する部分は、前記発熱部および前記測温部とともに前記メンブレン上に成形され、
前記リード部の内、前記メンブレン上に形成される部分には、前記測温部から連続して不純物濃度が前記測温部と同等の範囲が存在しており、
かかる範囲とは、前記測温部から連続して線幅が徐々に広がっていき広がり終わるまでの領域であることを特徴とする空気流量測定装置。 In an air flow rate measuring apparatus that includes a detection unit that generates an electrical signal equivalent to an air flow rate, and that processes and outputs the electrical signal equivalent to the air flow rate by a predetermined control circuit,
The detection unit includes a heating unit that generates heat when energized
A temperature measuring unit that generates an electrical signal corresponding to the air flow rate by receiving a thermal influence from the heat generating unit via air;
An electrode for outputting an electrical signal corresponding to the air flow rate to the control circuit;
It has a lead part that conducts this electrode and the temperature measuring part,
The heat generating part, the temperature measuring part and the lead part are molded on an electric insulating film provided on the surface of a semiconductor substrate,
The temperature measuring part and the lead part are formed as a silicon semiconductor film, and the lead part has a higher impurity concentration than the temperature measuring part,
The semiconductor substrate has a cavity penetrating between the front surface and the back surface, and a part of the electrical insulating film forms a membrane covering the cavity,
Of the lead part, the part continuing from the temperature measuring part is molded on the membrane together with the heat generating part and the temperature measuring part,
Of the lead portion, a portion formed on the membrane has a range in which the impurity concentration is equivalent to the temperature measuring portion continuously from the temperature measuring portion,
Such a range is an area from the temperature measuring section to the area where the line width gradually spreads and finishes spreading.
前記測温部および前記リード部をなすケイ素は単結晶であることを特徴とする空気流量測定装置。 The air flow rate measuring device according to claim 1,
2. The air flow rate measuring apparatus according to claim 1, wherein silicon forming the temperature measuring part and the lead part is a single crystal.
前記測温部は、空気の流れる方向に関して、前記発熱部の上流側に設けられる上流側測温部、および前記発熱部の下流側に設けられる下流側測温部を含んでおり、
前記空気流量相当の電気信号は、前記上流側測温部と前記下流側測温部との温度差に基づいて生じることを特徴とする空気流量測定装置。 In the air flow rate measuring device according to claim 1 or 2,
The temperature measuring unit includes an upstream temperature measuring unit provided on the upstream side of the heat generating unit and a downstream temperature measuring unit provided on the downstream side of the heat generating unit with respect to the air flow direction,
The air flow rate measuring apparatus according to claim 1, wherein the electrical signal corresponding to the air flow rate is generated based on a temperature difference between the upstream temperature measuring unit and the downstream temperature measuring unit.
前記検出部は、前記発熱部および前記測温部とは別に設けられて前記発熱部と所定の温度相関にある傍熱部を有し、
前記発熱部への通電は、前記傍熱部の温度に応じて制御されることを特徴とする空気流量測定装置。 In the air flow rate measuring device according to any one of claims 1 to 3,
The detection unit is provided separately from the heating unit and the temperature measurement unit, and has a side heating unit that has a predetermined temperature correlation with the heating unit,
Energization to the heat generating part is controlled according to the temperature of the indirectly heated part.
前記発熱部はケイ素の半導体膜として設けられ、前記発熱部は前記測温部よりも不純物濃度が高いことを特徴とする空気流量測定装置。 In the air flow measuring device according to any one of claims 1 to 4,
The air flow measuring device according to claim 1, wherein the heat generating portion is provided as a silicon semiconductor film, and the heat generating portion has a higher impurity concentration than the temperature measuring portion.
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| JP2006258676A (en) * | 2005-03-18 | 2006-09-28 | Hitachi Ltd | Thermal flowmeter |
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