JP3513041B2

JP3513041B2 - 流量センサ

Info

Publication number: JP3513041B2
Application number: JP01526999A
Authority: JP
Inventors: 智也山川; 元久田口
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1999-01-25
Filing date: 1999-01-25
Publication date: 2004-03-31
Anticipated expiration: 2019-01-25
Also published as: DE19942675A1; DE19942675B4; JP2000213973A; US6470742B1

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば内燃機関の
吸入空気等の流体の流速あるいは流量を計測する流量セ
ンサに関するもので、特に、発熱体を備え、発熱体ある
いは発熱体によって加熱された部分から流体への熱伝達
現象に基づいて、流体の流量を計測する流量センサに関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１３（ａ），（ｂ）は、例えば特開平
４−２３０８０８号公報に開示された従来の流量センサ
に用いられる流量検出素子（ダイアフラムセンサー）５
１の構成を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）図は
（ａ）図のＤ−Ｄ断面図である。同図において、１はシ
リコン半導体より成る平板状基材で、この平板状基材１
の背面中央部には、例えば異方性エッチングにより、表
面に連通しない断面が台形状の開口（キャビティ）１２
が形成されており、このキャビティ１２の底部側、すな
わち平板状基材１の表面側には薄肉状のダイアフラム１
３が平板状基材１に一体的に形成されている。このダイ
アフラム１３の表面中央部には薄膜の発熱体３が形成さ
れ、発熱体３を挟む両側には所定距離離間して薄膜の測
温抵抗体５２，５３が対称に配列して形成されている。
また、発熱体３と測温抵抗体５２，５３との間には、そ
の長手方向に沿って上記ダイアフラム１３を貫通する帯
状の穴から成るスリット部５４ａ，５４ｂが穿設され、
更に測温抵抗体５２，５３の外側にも長手方向に沿って
ダイアフラム１３を貫通する複数の角穴を断続的に連結
したスリット部５５ａ，５５ｂが穿設されている。同様
に発熱体３及び測温抵抗体５２，５３の長手方向両端側
には、それぞれ、ダイアフラム１３を貫通する穴から成
るスリット部５６ｃ，５６ｄ及び５７ｃ，５７ｄが穿設
されている。これらのスリット部５４ａ〜５７dは、通
常のフォトリソグラフイ技術及びウェットもしくはドラ
イエッチング技術により形成されている。なお、上記図
１３では、発熱体３と測温抵抗体５２，５３の各電極
と、平板状基材１上に形成されている発熱体３，測温抵
抗体５２，５３のそれぞれの通電路を形成する薄膜の導
体パターンについては省略してある。

【０００３】次に、上記従来の流量検出素子５１の動作
について説明する。計測流体の流路に、上記流量検出素
子５１の表面（発熱体３側）を上記流体の流れに平行に
しかつ発熱体３と測温抵抗体５２，５３の長手方向を上
記流体の流れに直角になるように配置し、発熱体３の温
度が上記流体の温度より所定温度だけ高くなるように発
熱体３への通電電流を制御する。測温抵抗体５２，５３
は発熱体３に対して対称に形成されているので、流体の
移動が無い場合（流速がゼロのとき）には、上記測温抵
抗体５２，５３の温度は等しくなる。矢印Ｖの方向に流
体の移動が生じた場合には、上流側に位置する測温抵抗
体５２は冷却されて、その温度が流速がゼロのときに比
べて低くなる。また、上記測温抵抗体５２温度の下がり
方は流速が速くなるにしたがって大きくなる。一方、下
流側に位置する測温抵抗体５３は、発熱体３の下流側に
位置しているため、同一流速時においては、上記測温抵
抗体５３の温度は上流側の測温抵抗体５２程には低くな
らなので、上流側の測温抵抗体５２と下流側の測温抵抗
体５３との間には流体の流速に応じた温度差が生ずる。
そこで、上記温度差に相当する測温抵抗体５２と測温抵
抗体５３との抵抗値の差を、例えば、測温抵抗体５２，
５３を組み込んだ図示しないホイートストンブリッジ回
路等の検出手段により検出することにより、上記流体の
流速を計測することができる。

【０００４】このように、上記従来例では、平板状基材
１の背面側にキャビティ１２を形成して薄肉状のダイア
フラム１３を形成することにより、ダストの付着による
出力変動を小さくするようにしている。また、ダイアフ
ラム１３にスリット部５４ａ〜５７dを設けることによ
り発熱体３から測温抵抗体５２，５３への熱流を小さく
して、測温抵抗体５２，５３の温度上昇を小さくすると
ともに、発熱体３から平板状基材１に伝導する熱流を少
なくして感度を向上させるようにしている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
ダイアフラム構造を有する流量検出素子において良好な
感度や応答性を得るためには、スリット部の有無に関わ
らず、ダイアフラム１３の厚さを薄くして、ダイアフラ
ム１３の熱応答性を高める必要がある。しかしながら、
ダイアフラム１３の厚さを薄くしてゆくと、ダイアフラ
ム１３の厚さと、発熱体３や測温抵抗体５２，５３を構
成している感熱抵抗膜の膜厚との比が大きくなってく
る。このため、ダイアフラム１３の厚さを薄くするに従
って、ダイアフラム１３上において、感熱抵抗膜がある
部分と無い部分との厚さ方向の材料構成の差が顕著にな
り、感熱抵抗膜とキャビティを形成した時点で既にダイ
アフラム１３に変形（初期変形）が生じてしまう。この
変形は、膜として溝成された部材の内部応力差に起因し
ている。ダイアフラム１３に初期変形がある場合は、発
熱体３を通電加熱すると、ダイアフラム１３を構成する
材料（ここでは、基板材料であるシリコン）と、その上
に形成されたの発熱体３等の感熱抵抗膜を構成する材料
（例えば、白金等の金属材料）との熱的なあるいは機械
的な物性値の差によって変形が更に大きくなる。このよ
うな変形が大きい場合には、ダイアフラム１３と感熱抵
抗膜との間に大きな応力が発生し、発熱体３や測温抵抗
体５２，５３を構成している感熱抵抗膜がダイアフラム
１３の表面から剥離してしまうなどして、流量センサと
しての検出特性に悪影響を与えるといった問題点があっ
た。更には、ダイアフラム１３に大きな変形がある場合
は、膜の熱的あるいは機械的な物性のバラツキによって
流量センサとして動作しているときの膜の変形量にバラ
ツキを生じ、これが流量検出特性に影響を与え、正確な
流量検出ができなくなる恐れがあった。また、薄膜パタ
ーンの形成時，通電加熱時のいずれの場合でも、上述し
た変形がダイアフラム１３の面内において非対称であれ
ば、膜の剥離や変形のバラツキは更に大きくなり、流量
センサとしての検出特性を悪化させるといった問題点が
あった。

【０００６】本発明は、従来の問題点に鑑みてなされた
もので、ダイアフラムの変形を抑制して、応答性，感度
及び信頼性に優れ、流量検出精度の高い流量センサを得
ることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に記載
の流量センサは、流量検出素子の平板状基材に設けられ
たダイアフラム上の面内に形成された感熱抵抗膜よりな
る発熱体と、上記平板状基材上に設けられた発熱体の電
極部と、この電極部から上記ダイアフラム近傍まで延長
されるリードパターンと、少なくとも一部が上記ダイア
フラム上に形成され、上記リードパターンと上記発熱体
のパターンとの間を接続する接続パターンとを有する流
量検出素子を備え、上記発熱体に通電しその通電量に基
づいて上記流量検出素子上を通過する流体の流量を計測
する流量センサにおいて、上記発熱体のパターンに接続
されるとともに、上記ダイアフラム上で上記接続パター
ンとほぼ対称となるように、上記ダイアフラム上に付加
パターンを設けたことを特徴とするものである。

【０００８】

【０００９】

【００１０】

【００１１】

【００１２】請求項２に記載の流量センサは、接続パタ
ーンと付加パターンとを、ともに、発熱体のパターンの
隅部とダイアフラムの隅部とを結ぶ線上を通るように形
成したものである。

【００１３】請求項３に記載の流量センサは、接続パタ
ーンを発熱体のパターンの少なくとも一部を囲むように
形成したものである。

【００１４】請求項４に記載の流量センサは、接続パタ
ーンと付加パターンのダイアフラム上に占める面積の和
が、ダイアフラム表面の発熱体のパターンを除く領域の
面積の半分以上を占めるようにしたものである。

【００１５】請求項５に記載の流量センサは、接続パタ
ーンと付加パターンとを連結し一体化するようにしたも
のである。

【００１６】

【００１７】請求項６に記載の流量センサは、発熱体の
パターンと接続パターンと付加パターンとを同一の金属
層により形成したものである。

【００１８】請求項７に記載の流量センサは、発熱体の
パターンと接続パターンと付加パターンのそれぞれの厚
さを、ダイアフラムの厚さの１／５以下としたものであ
る。

【００１９】また、請求項８に記載の流量センサは、ダ
イアフラムの通電路以外の領域に設けられ、発熱体の通
電に寄与しない第１のダミーパターンを有し、上記第１
のダミーパターンをダイアフラム上でほぼ対称となるよ
うな位置に形成したものである。

【００２０】請求項９に記載の流量センサは、ダイアフ
ラム外周部に形成される第２のダミーパターンと、上記
第１のダミーパターンと上記第２のダミーパターンとを
連結する連結パターンを設けるとともに、この連結パタ
ーンの幅を、上記連結パターンのダイアフラム境界線に
おける距離の総和がダイアフラム境界線全周の半分以下
であるように設定したものである。なお、以下、上記付
加パターンを第１の付加パターン、上記第１のダミーパ
ターンを第２の付加パターン、上記第２のダミーパター
ンを第３の付加パターンという。

【００２１】請求項１０に記載の流量センサは、第３の
付加パターンを発熱体のパターンと接続せず、流量検出
回路のグランドまたは流量センサのシールド部材に接続
するようにしたものである。

【００２２】請求項１１に記載の流量センサは、上記連
結パターンをダイアフラムの隅部を通るように形成した
ものである。

【００２３】請求項１２に記載の流量センサは、上記第
２の付加パターンを、発熱体のパターンの少なくとも一
部を囲むように形成したものである。

【００２４】請求項１３に記載の流量センサは、上記第
２の付加パターンのダイアフラム上に占める面積が、ダ
イアフラム表面の発熱体のパターンを除く領域の面積の
半分以上を占めるようにしたものである。

【００２５】請求項１４に記載の流量センサは、発熱体
のパターンと上記第２の付加パターンとを同一の金属層
により形成したものである。

【００２６】請求項１５に記載の流量センサは、発熱体
のパターンと上記第２の付加パターンのそれぞれの厚さ
を、ダイアフラムの厚さの１／５以下としたものであ
る。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面に基づき説明する。実施の形態１．図１（ａ），（ｂ）は、本発明の実施の
形態１に係わる流量センサに用いられる流量検出素子２
１の構成を示す図で、（ａ）図は平面図、（ｂ）図はそ
のＡ−Ａ断面図である。同図において、１は例えば厚さ
的０．４ｍｍのシリコンより成る平板状基材、２はこの
平板状基材の表面にスパッタ法あるいはＣＶＤ法等によ
り形成された、例えば厚さ１μｍの窒化シリコン等より
成る絶縁性の支持膜、３は上記支持膜２上に蒸着法ある
いはスパッタ法等により形成された、例えば厚さ０．２
μｍの白金等の感熱抵抗膜より構成された発熱体であ
る。この発熱体３は、支持膜２上に上記感熱抵抗膜を形
成した後、フォトリソグラフィ及びウェットあるいはド
ライエッチング等の方法を用いて発熱体３のパターン
（以下、発熱パターンという）を形成することにより形
成される。上記パターンニングによって形成された発熱
体３の発熱部の大きさは、例えば幅方向の長さが０．５
ｍｍ、長手方向の長さがｌ．５ｍｍである。上述した発
熱パターンを形成するのと同様の手法で、上記発熱体３
に通電するためにリードパターン４ａ，４ｂと、発熱体
３とリードパターン４ａ，４ｂとを接続する接続パター
ン５ａ，５ｂとを形成するとともに、上記発熱体３を挟
んで、上記接続パターン５ａ，５ｂの反対側に上記第１
の付加パターン６ａ，６ｂを形成する。なお、上記第１
の付加パターン６ａ，６ｂは発熱体３の発熱に寄与する
通電路とはなっていないダミーパターンである。また、
同様の手法で、感熱抵抗膜より成る流体温度測温体７
と、この流体温度測温体７に通電するためのリードパタ
ーン４ｃ，４ｄとが形成される。上記発熱体３及び上記
流体温度測温体７の上には、更に、例えば厚さ１μｍの
窒化シリコン等より成る絶縁性の保護膜８がスパッタ法
あるいはＣＶＤ法等により形成される。また、発熱体３
及び流体温度測温体７とは、上記各リードパターン４ａ
〜４ｄにより、流量検出素子２１の外部との電気的接続
を行うための電極９ａ〜９ｄと接続されている。なお、
上記電極９ａ〜９ｄの部分はワイヤボンド等の方法で外
部と電気的に接続するために上記保護膜３は除去されて
いる。

【００２８】一方、平板状基材１の支持膜２が形成され
ている面と反対側の面は、はじめに裏面保護膜１０を形
成し、フォトリソグラフィ及びウェットあるいはドライ
エッチング等の方法によりエッチングホール１１を形成
する。その後、上記平板状基材１に対して上記エッチン
グホール１１を通して、例えばアルカリエッチング等を
施すことによって、平板状基材１の一部を裏面側から除
去し、表面に連通しない断面が台形状のキャビティ１２
を形成することにより、このキャビティ１２の底部側、
すなわち上記平板状基材１の表面側に薄肉状のダイアフ
ラム１３を形成する。なお、上記ダイアフラム１３の大
きさは、例えば０．９ｍｍ×２ｍｍである。上記ダイア
フラム１３が形成されることによって、図１（ａ）の斜
線部に示すように、第１の付加パターン６ａ，６ｂと接
続パターン５ａ，５ｂとは、ダイアフラム１３上におい
て、ダイアフラム１３の幅方向の中心軸（あるいはダイ
アフラム１３の中心）に対してほぼ対称の位置関係に形
成されることになる。したがって、第１の付加パターン
６ａ，６ｂを設けたことにより、ダイアフラム１３上に
形成される薄膜のパターンは、上記ダイアフラム上で、
ダイアフラム１３の長手方向及び幅方向の中心軸に対し
てほぼ対称となる。また、図１（ａ）の矢印Ｖは計測流
体の流れの方向を示すもので、流量検出素子２１は、上
記流体の流路に、平板状基材１の発熱体３側（表面側）
を上記流体の流れに平行にかつ発熱体３の長手方向を流
れに直角になるようにして配置される。なお、図１にお
いては、流量検出素子２１の構成をわかりやすくするた
め、例えば発熱体３のパターン幅を太くするなど、各部
分の寸法比を実際とは異なって表現している。これは、
以下に示す他の実施の形態おいても同様である。

【００２９】図２（ａ），（ｂ）は上記流量検出素子２
１用いた流量センサ２０の構成を示す図で、（ａ）図は
正面図、（ｂ）図はそのＢ−Ｂ断面図である。同図にお
いて、２１は流量検出素子、２２は検出管路、２３は流
体の通路である主通路、２４は制御回路基板２５が収納
されたケース、２６は流量センサ２０に電源を供給した
り出力を取り出すためのコネクタで、流量検出素子２１
は上記検出管路２２に配置された板状のホルダ２７の表
面に装着されている。また、２８は流量検出素子２１と
制御回路基板２５とを電気的に接続しているリード線
で、２９は制御回路基板２５を電磁波などの外乱ノイズ
から保護するためのシールド部材である。なお、図２に
示した流量センサ２０の構成は、以下に述べる他の実施
の形態においても同様である。

【００３０】図３は、流量検出素子２１の発熱体３を所
定の平均温度となるような抵抗値に制御する制御回路３
０の構成を示す回路図である。制御回路３０は、流体温
度測温体７と発熱体３とを含むブリッジ回路となってお
り、３１〜３５はそれぞれ抵抗値Ｒｌ，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ
４，Ｒ５を有する固定抵抗、３６，３７は演算増幅器、
３８，３９はトランジスタ（Ｔｒｌ，Ｔｒ２）、４０は
電源である。発熱体３と流体温度測温体７とを除く制御
回路３０の構成部品は、図２の制御回路基板２５上に構
成される。制御回路３０は、図３に示したａ点とｂ点と
の電位を略等しくするように、発熱体３に通電される加
熱電流Ｉ_hを制御するように構成されており、計測流体
の流速が早くなると、発熱体３から計測流体への熱伝達
が多くなるため発熱体３の平均温度を所定の値に保つ時
の加熱電流Ｉ_hは増加する。この加熱電流の大きさを抵
抗３３（Ｒ３）の両端の電圧Ｖ_outとして検出すること
により、計測流体の流速あるいは所定の通路断面積を有
する通路内を流れる計測流体の流量を検出することがで
きる。すなわち、発熱体３の抵抗値をＲ_h，発熱体３の
平均温度をＴ_h，計測流体の温度をＴ_a，所定の通路断面
積を有する通路内を流れる流量をＱとすると、以下の式
（１）が成り立つ。Ｉ_h ²×Ｒ_h＝（ａ＋ｂ×Ｑⁿ）×（Ｔ_h−Ｔ_a）‥‥（１）ここで、ａ，ｂ，ｎは流量検出素子２１の形態によって
決まる定数である。詳細には、ａは流量Ｑに依存しない
熱量に相当する係数であり、その大部分は発熱体３から
平板状基材１へ伝わる熱伝導損失で、ｂは強制対流熱伝
達に相当する係数である。また、ｎは発熱体３の近傍の
流れの様相によって決まる値で、その値は０．５程度と
なる。

【００３１】上記式（１）より明らかなように、ａの係
数に相当する熱量は流量検出に寄与しない。したがっ
て、流量センサ２０の感度を向上させるには、発熱体３
から平板状基材１へ伝わる熱伝導損失を小さくしてやる
必要があることがわかる。また、流量Ｑが変化したとき
の流量センサ２０の出力の追従性、すなわち応答性は、
発熱体３が形成されているダイアフラム１３の厚さを薄
くしてダイアフラム１３の熱容量を小さくすることによ
り向上させることができる。更に、流量センサ２０に電
源を供給して起動してから、流量センサ２０が正確な流
量信号を出力するまでの時間は、発熱体３から熱容量の
大きな平板状基材１に流れる熱流が少ない程短くなる。
そこで、本実施の形態１では、発熱体３から平板状基材
１への熱流を小さくするために、ダイアフラム１３の厚
さを２μｍ（パターン形成部で２．２μｍ）と薄くして
いる。

【００３２】ダイアフラム１３上には、膜層方向（厚み
方向）において、パターンがある部分とない部分とが存
在するが、本実施の形態１においては、図１（ａ）に示
すように、薄膜のパターンをダイアフラム１３の面内に
おいてほぼ対称なるように形成したので、支持膜２や保
護膜８を構成する窒化シリコン膜と、上記薄膜のパター
ンを構成する白金膜との間の内部応力や機械的あるいは
熱的物性の差によるダイアフラム１３の変形は抑制され
る。また、変形が生じた場合でも、その変形形状は対称
形状に単純化されるので、変形によって膜間に発生する
応力は低くなり、膜間の剥離を防止することができる。
更に、ダイアフラム１３の変形量を小さくし、変形形状
を対称形状に単純化できるので、発熱体３への通電時に
おいても変形のバラツキは小さく、したがって、流量セ
ンサ２０の流量検出特性が揃い、精度の高い流量センサ
を得ることができる。

【００３３】更に、本実施の形態１では、ダイアフラム
の厚さを１としたときの発熱体３のパターン厚と接続パ
ターン５ａ，５ｂ及び第１の付加パターン６ａ，６ｂの
パターン厚とをそれぞれ０．１と薄くしたので、ダイア
フラム１３の膜層構造におけるパターン厚の影響を小さ
くすることができ、薄膜のパターンがダイアフラム１３
の面内において完全に対称な形状でなくとも、ほぼ対称
であればダイアフラム１３の変形を十分抑制することが
できる。なお、発熱体３のパターンと接続パターン５
ａ，５ｂ及び第１の付加パターン６ａ，６ｂのパターン
厚は、ダイアフラムの厚さの１／５倍以下であれば、ダ
イアフラム１３の変形を十分抑制することができる。。
また、本実施の形態１では、発熱体３のパターンと接続
パターン５ａ，５ｂ及び付加パターン６ａ，６ｂとを同
一の白金等の金属層により構成したので、製造時に一度
に膜を形成することがでる。したがって、製造工程を単
純にでき、流量センサ２０のコストを低減することがで
きる。

【００３４】実施の形態２．図４は、本発明の実施の形
態２に係わる流量検出素子２１のダイアフラム近傍の構
成を示す図である。本実施の形態２は、上記図１（ａ）
に示した実施の形態１の第１の付加パターン６ａ，６ｂ
を発熱体３のパターンと連結して、第１の付加パターン
６ａ，６ｂの形状を接続パターン５ａ，５ｂの形状と完
全に対称になるようにしたものである。これにより、ダ
イアフラム１３の上に形成された薄膜パターンの対称性
をより高くすることができ、ダイアフラム１３の変形を
更に抑制することができる。

【００３５】実施の形態３．図５は、本発明の実施の形
態３に係わる流量検出素子２１の構成を示す平面図であ
る。同図において、接続パターン５ａ，５ｂは、下側
（流体温度測温体７側）で発熱体３を囲むように形成さ
れ、第１の接続パターン６ａ，６ｂは、上側から発熱体
３を囲むように、上記接続パターン５ａ，５ｂと対称な
位置に形成されている。また、第１の接続パターン６
ａ，６ｂは、発熱体３の通電に寄与しないダミーパター
ンで、発熱体３とは電気的につながっておらず、平板状
基材１において発熱体３や流体温度測温体７の通電路を
除く部分に広く構成されたリードパターン４ｅによって
電極９ｅに接続されている。この電極９ｅは、ワイヤボ
ンディング等の手段により、図２に示し制御回路基板２
５のグランドあるいは流量センサ２０のシールド部材２
９に接続される。なお、図５では上記電極９ｅの接続状
態については省略した。このように、発熱体３や流体温
度測温体７の通電路の周りに、グランドあるいはシール
ド部材に接続されたパターンを設けたことにより、流量
検出素子２１が、電磁波などの外乱ノイズに曝された場
合でも、ノイズのＡＣ成分を除去することができ、流量
センサの誤動作や誤出力を防止することができる。

【００３６】実施の形態４．図６は、本発明の実施の形
態４に係わる流量検出素子２１のダイアフラム近傍の構
成を示す図である。本実施の形態４では、接続パターン
５ａ，５ｂと、第１の付加パターン６ａ，６ｂとが、そ
れぞれ、発熱体３のパターンの隅部３ｚとダイアフラム
１３の隅部１３ｚとを結ぶ線上を通るように形成したも
ので、これにより、ダイアフラム１３の四隅の部位にお
いて膜層構造がほぼ等しくなるため、ダイアフラム１３
の変形量の抑制や変形形状の単純化の効果を更に高める
ことができる。なお、図６では、第１の付加パターン６
ａ，６ｂは発熱体３のパターンとがつながっている例を
示したが、つながっていなくても、ダイアフラム１３の
変形量の抑制や変形形状の単純化の効果を十分高めるこ
とができる。

【００３７】実施の形態５．図７は、本発明の実施の形
態５に係わる流量検出素子２１のダイアフラム近傍の構
成を示す図である。本実施の形態５では、接続パターン
５ａ，５ｂと第１の付加パターン６ａ，６ｂとを、ダイ
アフラム１３上において発熱体３のパターン以外の部分
を広く覆うように形成するとともに、発熱部３を構成す
る発熱パターンを囲むように形成し、更に、上記接続パ
ターン５ａ，５ｂと第１の付加パターン６ａ，６ｂの面
積の和がダイアフラム１３上に占める割合を、ダイアフ
ラム１３上の発熱パターンを除く領域の半分以上を占め
るようにしたものである。これにより、ダイアフラム１
３上の多くの部分がパターンを構成する膜を含む膜層構
造となり、ダイアフラム１３の膜層構造がほぼ均一と見
なせるようになるため、ダイアフラム１３の変形量の抑
制や変形形状の単純化の効果を更に高めることができ
る。

【００３８】実施の形態６．図８は、本発明の実施の形
態６に係わる流量検出素子２１のダイアフラム近傍の構
成を示す図である。本実施の形態６は、ダイアフラム１
３上の発熱体３のパターン以外の下側（流体温度測温体
７側）の部分を広く覆った接続パターン５ａ，５ｂと、
上記接続パターン５ａ，５ｂとダイアフラム１３上で対
称に形成され、ダイアフラム１３上の発熱体３のパター
ン以外の上側の部分を広く覆った第１の付加パターン６
ａ，６ｂとを、接続パターン５ａと第１の付加パターン
６ａ及び接続パターン５ｂと第１の付加パターン６ｂと
を連結し一体化することにより接続パターン５Ａ，５Ｂ
を構成し、更に、上記接続パターン５Ａ，５Ｂを、発熱
体３のパターンの隅部とダイアフラムの隅部とを結ぶ線
上を通るようにしたものである。また、上記接続パター
ン５Ａ，５Ｂがダイアフラム１３上の面積が、ダイアフ
ラム１３上の発熱パターンを除く領域の半分以上を占め
るようにした。これにより、ダイアフラム１３上では、
接続パターン５ａ，５ｂと第１の付加パターン６ａ，６
ｂとの境界がなくなり、ダイアフラム１３の面方向のパ
ターンは単純化される。したがって、膜層構造が不連続
であるために生ずる強度や変形の不連続性を軽減できる
ので、変形量の抑制や変形形状の単純化の効果をより高
めることができ、信頼性の高い流量センサを得ることが
できる。

【００３９】実施の形態７．図９は、本発明の実施の形
態７に係わる流量検出素子２１のダイアフラム近傍の構
成を示す図である。本実施の形態７は、第１の付加パタ
ーン６ａ，６ｂを発熱体３の電流路とするとともに、第
１の付加パターン６ａ，６ｂのパターン幅を発熱体３の
パターン幅よりも広く形成したもので、これにより、接
続パターン５ａ，５ｂと第１の付加パターン６ａ，６ｂ
との発熱量をほぼ等しくすることができる。したがっ
て、形状に加え、温度的にも対称な構造のダイアフラム
１３を構成することができ、ダイアフラム１３の変形量
の抑制や変形形状の単純化の効果をより高めた流量セン
サを得ることができる。

【００４０】実施の形態８．図１０は、本発明の実施の
形態８に係わる流量検出素子２１の構成を示す平面図
で、上記実施の形態２（図４）の発熱体３のパターンと
接続パターン５ａ，５ｂと第１の付加パターン６ａ，６
ｂとに加え、ダイアフラム１３上の通電路以外の領域に
おいて、互いがほぼ対称となるような位置に、発熱体３
の通電に寄与しないダミーパターンである第２の付加パ
ターン１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄを形成したもの
である。すなわち、発熱体３のパターンと接続パターン
５ａ，５ｂ及び第１の付加パターン６ａ，６ｂのダイア
フラム１３上に形成された部分とを、幅方向から挟むよ
うに、広い面積の第２の付加パターン１４ａ，１４ｂを
形成し、接続パターン５ａ，５ｂとの間隙と第１の付加
パターン６ａ，６ｂとの間隙とに、上記各間隙を埋める
ように、それぞれ第２の付加パターン１４ｃ，１４ｄと
を形成することにより、ダイアフラム１３上の薄膜のパ
ターンをほぼ対称とするとともに、ダイアフラム１３上
の多くの部分がパターンを構成する膜を含む膜層構造と
した。これにより、ダイアフラム１３上の膜層構造を、
ほぼ一様にでき、ダイアフラム１３の変形量の抑制や変
形形状の単純化の効果を更に高めることができる。ま
た、上記第２の付加パターン１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，
１４ｄは、ダイアフラム１３上のみに存在し、平板状基
材１の他の部分にはないので、発熱部３の熱は平板状基
材１に逃げにくく、したがって、流量センサの応答性や
感度を向上させることができる。なお、上記第２の付加
パターン１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄは発熱体３と
同一の白金等の金属層により構成され、そのパターン厚
はダイアフラム１３の厚さの１／５以下に設計されてい
るので、製造工程を単純にでき、流量センサ２０のコス
トを低減することができるとともに、ダイアフラム１３
の変形を十分抑制することができる。

【００４１】実施の形態９．図１１は、本発明の実施の
形態９に係わる流量検出素子２１のダイアフラム近傍の
構成を示す図である。本実施の形態９は、上記実施の形
態８（図１０）の発熱体３のパターン，接続パターン５
ａ，５ｂ，第１の付加パターン６ａ，６ｂ，第２の付加
パターン１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄとに加えて、
上記第２の付加パターン１４ａ，１４ｂの外側でダイア
フラム１３の外周部に第３の付加パターン１５ａ，１５
ｂを設けるとともに、接続パターン５ａ，５ｂとの間隙
と第１の付加パターン６ａ，６ｂとの間隙のダイアフラ
ム１３の外周部に形成された部分に、上記各間隙を埋め
るように、それぞれ第３の付加パターン１４ｃ，１４ｄ
とを形成し、更に、上記第２の付加パターン１４ａと第
３の付加パターン１５ａ、上記第２の付加パターン１４
ｂと第３の付加パターン１５ｂとをそれぞれ連結する複
数の連結パターン１６ａ，１６ｂを設けたものである。
また、上記連結パターン１６ａ，１６ｂのパターン幅
を、ダイアフラム１３の境界線における上記連結パター
ン１６ａ，１６ｂの距離の総和が上記境界線全周の半分
以下となるように設定している。これにより、ダイアフ
ラム１３上の膜層構造をほぼ一様にできるとともに、ダ
イアフラム１３の境界部に、ダイアフラム１３を橋絡す
るように連結パターン１６ａ，１６ｂが形成されている
ので、ダイアフラム１３の境界部の膜層構造の不連続性
を緩和することができ、ダイアフラム１３の境界部近傍
の強度低下を抑制することができる。更に、ダイアフラ
ム１３の境界線における上記連結パターン１６ａ，１６
ｂの距離の総和が、上記境界線全周の半分以下になるよ
うに、上記連結パターン１６ａ，１６ｂのパターン幅を
設定したので発熱部３から平板状基材１に逃げる熱が抑
制され、流量センサの応答性や感度を向上させることが
できる。

【００４２】実施の形態１０．上記実施の形態９では、
ダイアフラム１３の外周部に、第３の付加パターン１５
ａ，１５ｂを設け、接続パターン５ａ，５ｂとの間隙と
第１の付加パターン６ａ，６ｂとの間隙に第３の付加パ
ターン１４ｃ，１４ｄと設けるとともに、連結パターン
１６ａ，１６ｂを設けて、上記第２の付加パターン１４
ａ，１４ｂと第３の付加パターン１５ａ，１５ｂとを連
結する構成としたが、本実施の形態１０では、平板状基
材１において流体温度測温体７の通電路を囲むようなリ
ードパターン４fを形成し、このリードパターン４fと第
３の付加パターン１５ａ，１５ｂとを一体化するととも
に、発熱体３の流体温度測温体７とは反対側の第２の付
加パターン１４ａ，１４ｂと第３の付加パターン１５
ａ，１５ｂとを一体化し、更に第２の付加パターン１４
ｃ，１４ｄも一体化したリードパターン１７を構成し、
このリードパターン１７により、発熱体３及び流体温度
測温体７の通電路の周りを囲むようにしたものである。
上記リードパターン１７は電極９ｅに接続され、この電
極９ｅは、ワイヤボンディング等の手段により、図２に
示し制御回路基板２５のグランドあるいは流量センサ２
０のシールド部材２９に接続される。なお、図１２では
上記電極９ｅの接続状態については省略した。これによ
り、流量検出素子２１が、電磁波などの外乱ノイズに曝
された場合でも、ノイズのＡＣ成分を除去することがで
き、流量センサの誤動作や誤出力を防止することができ
る。

【００４３】なお、上記実施の形態８，９，１０では、
接続パターン５ａ，５ｂと対称な第１の付加パターン６
ａ，６ｂに加えて、第２の付加パターン１４ａ，１４
ｂ，１４ｃ，１４ｄを形成した場合について説明した
が、上記第１の付加パターン６ａ，６ｂがなくても、ダ
イアフラム１３の表面に形成される薄膜のパターンが、
上記ダイアフラム上でほぼ対称となるように、第２の付
加パターン１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄなどの付加
パターンを設けることにより、ダイアフラム１３の変形
を抑制することができることは言うまでもない。このと
き、上記付加パターンの面積がダイアフラム１３上に占
める割合を、ダイアフラム１３上の発熱パターンを除く
領域の半分以上を占めるようにすれば、ダイアフラム１
３の膜層構造がほぼ均一と見なせるようになり、ダイア
フラム１３の変形量の抑制や変形形状の単純化の効果を
更に高めることができる。また、上記例では、ダイアフ
ラム１３上に発熱体３を設け、平板状基材１の上記発熱
体３から離れたダイアフラム１３の外側に流体温度測温
体７を設けた構成の流量検出素子２１を用いた流量セン
サについて説明したが、上述した従来例のように、ダイ
アフラム１３上に発熱体３と測温抵抗体５２，５３とを
備えた流量検出素子５１のようなタイプの流量検出素子
を用いた流量センサにおいても、スリット部の有無に関
わらず、流量検出素子のダイアフラムの表面に形成され
る薄膜のパターンが上記ダイアフラム上でほぼ対称とな
るように付加パターンを設けることにより、ダイアフラ
ムの変形を抑制することができ、良好な感度と応答性能
を有する流量センサが得ることができる。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１に記載の
発明によれば、流量検出素子の平板状基材に設けられた
ダイアフラム上の面内に形成された発熱体のパターンに
接続されるとともに、上記ダイアフラム上で上記発熱体
に通電するための接続パターンとほぼ対称となるよう
に、上記ダイアフラム上に付加パターンを設けたので、
接続パターンによるダイアフラム上のパターンの偏りを
軽減することができる。したがって、発熱部への通電
時，非通電時を問わず、ダイアフラムの変形量を小さく
することできるとともに、変形形状を対称化し単純化す
ることができるので、再現性及び信頼性に優れた流量セ
ンサを得ることができる。

【００４５】

【００４６】

【００４７】

【００４８】

【００４９】請求項２に記載の発明によれば、接続パタ
ーンと付加パターンとを、ともに、発熱体のパターンの
隅部とダイアフラムの隅部とを結ぶ線上を通るように形
成したので、ダイアフラムの隅の部位における膜層構造
がほぼ等しくなり、ダイアフラムの変形量の抑制や変形
形状の単純化の効果を高めることができる。

【００５０】請求項３に記載の発明によれば、接続パタ
ーンを発熱体のパターンの少なくとも一部を囲むように
形成したので、発熱体近傍の膜層構造を均一にでき、ダ
イアフラムの変形を抑制することができる。

【００５１】請求項４に記載の発明によれば、接続パタ
ーンと付加パターンのダイアフラム上に占める面積の和
が、ダイアフラム表面の発熱体のパターンを除く領域の
面積の半分以上を占めるようにし、ダイアフラム上の多
くの部分がパターンを構成する膜を含む膜層構造となる
ようにしたので、ダイアフラムの膜層構造をほぼ均一と
することができ、ダイアフラムの変形量の抑制や変形形
状の単純化の効果を更に高めることができる。

【００５２】請求項５に記載の発明によれば、接続パタ
ーンと付加パターンとを連結し一体化するようにしたの
で、接続パターンと付加パターンとの境界がなくなり、
ダイアフラムの面方向のパターンが単純化されるととも
に、膜層構造が不連続であるために生ずる強度や変形の
不連続性を軽減できるので、変形量の抑制や変形形状の
単純化の効果をより高めることができる。

【００５３】

【００５４】請求項６に記載の発明によれば、発熱体の
パターンと接続パターンと付加パターンとを同一の金属
層により形成したので、製造工程を単純にでき、流量セ
ンサのコストを低減することができる。

【００５５】請求項７に記載の発明によれば、発熱体の
パターンと接続パターンと付加パターンのそれぞれの厚
さを、ダイアフラムの厚さの１／５倍以下とし、ダイア
フラム膜層構造におけるパターン厚の影響を小さくする
ようにしたので、薄膜のパターンがダイアフラムの面内
において完全に対称な形状でなくとも、ほぼ対称であれ
ばダイアフラムの変形を十分抑制することができる。

【００５６】また、請求項８に記載の発明によれば、ダ
イアフラムの通電路以外の領域に設けられ、発熱体の通
電に寄与しない第１のダミーパターンを有し、上記第１
のダミーパターンをダイアフラム上でほぼ対称となるよ
うな位置に形成したので、ダイアフラム上の膜層構造を
ほぼ一様にすることができるとともに、発熱部の熱を平
板状基材に逃げにくくすることができ、流量センサの応
答性や感度を更に向上させることができる。

【００５７】請求項９に記載の発明によれば、ダイアフ
ラム外周部に形成される第２のダミーパターンと、上記
第１のダミーパターンと上記第２のダミーパターンとを
連結する連結パターンを設けるとともに、この連結パタ
ーンの幅を、上記連結パターンのダイアフラム境界線に
おける距離の総和がダイアフラム境界線全周の半分以下
であるように設定したので、ダイアフラムの境界部の膜
層構造の不連続性が緩和することができ、ダイアフラム
の境界部近傍の強度低下を抑制することができるととも
に、発熱部から平板状基材に逃げる熱を抑制することが
できるので、流量センサの応答性や感度を更に向上させ
ることができる。

【００５８】請求項１０に記載の発明によれば、第２の
ダミーパターンを発熱体のパターンと接続せず、流量検
出回路のグランドまたは流量センサのシールド部材に接
続するようにしたので、流量検出素子が電磁波などの外
乱ノイズにさらされた場合でも、ノイズのＡＣ成分を除
去することができ、流量センサの誤動作や誤出力を防止
することができる。

【００５９】請求項１１に記載の発明によれば、上記連
結パターンをダイアフラムの隅部を通るように形成した
ので、ダイアフラムの隅の部位において膜層構造がほぼ
等しくでき、ダイアフラムの変形量の抑制や変形形状の
単純化の効果を更に高めることができる。

【００６０】請求項１２に記載の発明によれば、第１の
ダミーパターンを、発熱体のパターンの少なくとも一部
を囲むように形成したので、発熱体近傍の膜層構造を均
一にでき、ダイアフラムの変形を抑制することができ
る。

【００６１】請求項１３に記載の発明によれば、第１の
ダミーパターンのダイアフラム上の面積が、ダイアフラ
ム表面の発熱体のパターンを除く領域の面積の半分以上
を占めるようにしたので、ダイアフラム上の多くの部分
で、パターンを構成する膜を含む膜層構造となり、ダイ
アフラムの膜層構造をほぼ均一にすることができる。

【００６２】請求項１４に記載の発明によれば、発熱体
のパターンと第１のダミーパターンとを同一の金属層に
より形成したので、製造工程を単純にでき、流量センサ
のコストを低減することができる。

【００６３】請求項１５に記載の発明によれば、発熱体
のパターンと第１のダミーパターンのそれぞれの厚さ
を、ダイアフラムの厚さの１／５倍以下としたので、ダ
イアフラム膜層構造におけるパターン厚の影響を小さく
することができ、ダイアフラムの変形を十分抑制するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１に係わる流量センサに
用いられる流量検出素子の構成を示す図である。

【図２】本実施の形態１に係わる流量センサの構成を
示す図である。

【図３】本実施の形態１に係わる流量センサの制御回
路の構成を示す図である。

【図４】本実施の形態２に係わる流量検出素子のダイ
アフラム近傍の構成を示す図である。

【図５】本実施の形態３に係わる流量検出素子の構成
を示す平面図である。

【図６】本実施の形態４に係わる流量検出素子のダイ
アフラム近傍の構成を示す図である。

【図７】本実施の形態５に係わる流量検出素子のダイ
アフラム近傍の構成を示す図である。

【図８】本実施の形態６に係わる流量検出素子のダイ
アフラム近傍の構成を示す図である。

【図９】本実施の形態７に係わる流量検出素子のダイ
アフラム近傍の構成を示す図である。

【図１０】本発明の実施の形態８に係わる流量センサ
に用いられる流量検出素子の構成を示す平面図である。

【図１１】本実施の形態９に係わる流量検出素子のダ
イアフラム近傍の構成を示す図である。

【図１２】本実施の形態１０に係わる流量検出素子の
構成を示す平面図である。

【図１３】従来の流量検出素子の構成を示す図であ
る。

【符号の説明】

１平板状基材、２支持膜、３発熱体、４ａ〜４ｆ
リードパターン、５ａ，５ｂ，５Ａ，５Ｂ接続パタ
ーン、６ａ，６ｂ第１の付加パターン、７流体温度
測温体、８保護膜、９ａ〜９e 電極、１０裏面保
護膜、１１エッチングホール、１２キャビティ、１
３ダイアフラム、１４ａ〜１４ｄ第２の付加パター
ン、１５ａ〜１５ｄ第３の付加パターン、１６ａ，１
６ｂ連結パターン、１７リードパターン、２０流
量センサ、２１流量検出素子、２２検出管路、２３
主通路、２４ケース、２５制御回路基板、２６
コネクタ、２７ホルダ、２８リード線、２９シー
ルド部材、３０制御回路、３１〜３５抵抗、３６，
３７演算増幅器、３８，３９トランジスタ、４０
バッテリ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01F 1/692 G01P 5/12 G01K 7/16 G01K 7/18 G01K 7/22 G01L 1/22

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】平板状基材を部分的に除去して形成され
るダイアフラムと、上記ダイアフラム上の面内に形成さ
れた感熱抵抗膜よりなる発熱体と、上記平板状基材上に
設けられた発熱体の電極部と、この電極部から上記ダイ
アフラム近傍まで延長されるリードパターンと、少なく
とも一部が上記ダイアフラム上に形成され、上記リード
パターンと上記発熱体のパターンとの間を接続する接続
パターンとを有する流量検出素子を備え、上記発熱体に
通電しその通電量に基づいて上記流量検出素子上を通過
する流体の流量を計測する流量センサにおいて、上記発
熱体のパターンに接続されるとともに、上記ダイアフラ
ム上で上記接続パターンとほぼ対称となるように、上記
ダイアフラム上に付加パターンを設けたことを特徴とす
る流量センサ。
【請求項２】接続パターンと付加パターンとを、とも
に、発熱体のパターンの隅部とダイアフラムの隅部とを
結ぶ線上を通るように形成したことを特徴とする請求項
１記載の流量センサ。
【請求項３】接続パターンを、発熱体のパターンの少
なくとも一部を囲むように形成したことを特徴とする請
求項１記載の流量センサ。
【請求項４】接続パターンと付加パターンのダイアフ
ラム上に占める面積の和が、ダイアフラム表面の発熱体のパターンを除く領域の面積
の半分以上を占めるようにしたことを特徴とする請求項
１記載の流量センサ。
【請求項５】接続パターンと付加パターンとを連結し
一体化したことを特徴とする請求項１記載の流量セン
サ。
【請求項６】発熱体のパターンと接続パターンと付加
パターンとを同一の金属層により形成したことを特徴と
する請求項１記載の流量センサ。
【請求項７】発熱体のパターンと接続パターンと付加
パターンのそれぞれの厚さを、ダイアフラムの厚さの１
／５以下としたことを特徴とする請求項１記載の流量セ
ンサ。
【請求項８】ダイアフラムの通電路以外の領域に設け
られ、発熱体の通電に寄与しない第１のダミーパターン
を有し、上記第１のダミーパターンをダイアフラム上で
ほぼ対称となるような位置に形成したことを特徴とする
請求項１記載の流量センサ。
【請求項９】ダイアフラム外周部に形成される第２の
ダミーパターンと、上記第１のダミーパターンと上記第
２のダミーパターンとを連結する連結パターンを設ける
とともに、この連結パターンの幅を、上記連結パターン
のダイアフラム境界線における距離の総和がダイアフラ
ム境界線全周の半分以下であるように設定したことを特
徴とする請求項８記載の流量センサ。
【請求項１０】第２のダミーパターンは、発熱体のパ
ターンと接続されておらず、流量検出回路のグランドまたは流量センサのシールド部
材に接続されていることを特徴とする請求項９記載の流
量センサ。
【請求項１１】連結パターンを、ダイアフラムの隅部
を通るように形成したことを特徴とする請求項９記載の
流量センサ。
【請求項１２】上記第１のダミーパターンを、発熱体
のパターンの少なくとも一部を囲むように形成したこと
を特徴とする請求項８記載の流量センサ。
【請求項１３】上記第１のダミーパターンのダイアフ
ラム上に占める面積が、ダイアフラム表面の発熱体のパ
ターンを除く領域の面積の半分以上を占めるようにした
ことを特徴とする請求項８記載の流量センサ。
【請求項１４】発熱体のパターンと上記第１のダミー
パターンとを同一の金属層により形成したことを特徴と
する請求項８記載の流量センサ。
【請求項１５】発熱体のパターンと上記第１のダミー
パターンのそれぞれの厚さを、ダイアフラムの厚さの１
／５以下としたことを特徴とする請求項８記載の流量セ
ンサ。