專利名稱：熱式流量傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用發(fā)熱電阻體計(jì)測流量的流量傳感器。例如涉及檢測機(jī)動車用發(fā)動機(jī)吸入的空氣量的流量測定裝置。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中，機(jī)動車等的內(nèi)燃機(jī)吸入空氣通路中設(shè)置的計(jì)測吸入空氣量的流量傳感器，主要使用熱式的流量傳感器。這是由于熱式的流量傳感器能夠直接計(jì)測質(zhì)量流量。近年來，出于地球環(huán)境保護(hù)的觀點(diǎn)，低燃耗、排放尾氣限制變得嚴(yán)格。為此，對于計(jì)測吸入空氣量的流量傳感器，高精度化、逆流檢測、動態(tài)范圍擴(kuò)大等需求變得顯著化。在對應(yīng)這樣的需求的熱式的流量傳感器中，使用半導(dǎo)體微細(xì)加工技術(shù)在硅等半導(dǎo) 體基板上制造的計(jì)測流量的傳感元件近年來受到關(guān)注。這是由于，這種傳感元件相對容易大量生產(chǎn)，因此較經(jīng)濟(jì)，可以小型化并且能夠以低的消費(fèi)電力驅(qū)動。這樣的流量傳感器中，有專利文獻(xiàn)I所記載的流量傳感器。專利文獻(xiàn)I所記載的流量傳感器的情況下，傳感元件在硅基板上隔著絕緣層形成傳感電阻，為了使電阻體熱絕緣而除去硅基板的一部分形成薄膜部(膜片部)。通過在該膜片部上配置作為加熱器驅(qū)動的電阻體而形成發(fā)熱電阻體。流量檢測采用溫差方式，將該發(fā)熱電阻體夾住，在空氣流的上游一側(cè)和下游一側(cè)形成測溫電阻體，基于配置在上游和下游的測溫電阻體的溫差而檢測流量和方向?，F(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)I :日本特開2002-48616號公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
專利文獻(xiàn)I中，電阻體使用多晶硅。多晶硅這樣的半導(dǎo)體材料具有電阻值因形狀的變形所產(chǎn)生的形變而變化的壓電效應(yīng)。該壓電效應(yīng)的影響量由該材料所具有的應(yīng)變系數(shù)決定，對白金等金屬材料也存在影響。因此，半導(dǎo)體式流量傳感器中，存在易于因該壓電效應(yīng)而發(fā)生輸出異常的問題。于是，本發(fā)明的目的在于即使設(shè)置有加熱電阻和測溫電阻體的基板的膜片部發(fā)生變形，也減少因該變形而產(chǎn)生的連接有測溫電阻體的電橋電路的信號變動。上述目的通過權(quán)利要求所記載的發(fā)明而達(dá)成。例如，上述目的能夠通過在具有基板、上述基板上形成的膜片、上述膜片上形成的發(fā)熱電阻體和溫度檢測電阻體，通過對上述發(fā)熱電阻體加熱而檢測被測定流體的流量的熱式流量傳感器上，設(shè)置以下結(jié)構(gòu)而達(dá)成。相對于上述膜片上的上述發(fā)熱電阻體，在被測定流體的流動的上游一側(cè)和下游一側(cè)形成有變形檢測電阻體。由上述變形檢測電阻體檢測上述膜片上產(chǎn)生的變形量，基于上述檢測到的變形量進(jìn)行上述發(fā)熱電阻體和上述溫度檢測電阻體檢測到的流量信號的變形補(bǔ)償。由此，能夠除去變形影響的部分，不容易發(fā)生輸出異常。
發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明，即使設(shè)置有加熱電阻和測溫電阻體的基板的膜片部發(fā)生變形，也能夠減少因該變形而產(chǎn)生的連接有測溫電阻體的電橋電路的信號變動。


圖I是本發(fā)明的第一實(shí)施方式的流量傳感器的傳感元件的示意圖。圖2是本發(fā)明的第一實(shí)施方式的流量傳感器的電路結(jié)構(gòu)圖。圖3是表示本發(fā)明的第一實(shí)施方式的流量傳感器的內(nèi)部運(yùn)算處理的圖。圖4是本發(fā)明的第二實(shí)施方式的流量傳感器的傳感元件的示意圖。圖5是本發(fā)明的第二實(shí)施方式的流量傳感器的電路結(jié)構(gòu)圖。 圖6是本發(fā)明的第三實(shí)施方式的流量傳感器的傳感元件的示意圖。圖7是本發(fā)明的第三實(shí)施方式的流量傳感器的電路結(jié)構(gòu)圖。圖8是本發(fā)明的第四實(shí)施方式的流量傳感器的傳感元件的示意圖。圖9是表示本發(fā)明的實(shí)施方式的流量傳感器受到的安裝應(yīng)力影響的圖。圖10是本發(fā)明的實(shí)施方式的流量傳感器實(shí)際使用的狀態(tài)下的安裝截面示意圖。
具體實(shí)施例方式如上所述，半導(dǎo)體式流量傳感器中，存在易于因該壓電效應(yīng)而發(fā)生輸出異常的問題。作為其理由，能夠列舉由于膜片部的膜厚只有大約I 2μπι，所以承受(I)將傳感元件與支撐體接合時(shí)的應(yīng)力，(2)將支撐體接合安裝到外殼等時(shí)的應(yīng)力，(3)由于因環(huán)境溫度的變化產(chǎn)生的安裝部件的線性膨脹系數(shù)差而產(chǎn)生的應(yīng)力，(4)使加熱器發(fā)熱引起的熱變形等各種變形。特別是夾住加熱器形成的測溫電阻體，性能上優(yōu)選其為高電阻值。因此，形狀上需要使電阻體形成為寬度窄、長度長。由此，易于受到上述應(yīng)力引起的壓電效應(yīng)。結(jié)果，存在夾住加熱器形成的測溫電阻體分別變?yōu)椴煌碾娮柚?、發(fā)生輸出異常的可能性。此外，加熱溫度檢測電阻也需要配置在加熱電阻的附近，形狀上需要與上述測溫電阻體同樣地形成為寬度窄、長度長。結(jié)果，加熱溫度檢測電阻體的電阻值發(fā)生變化，變得不能正確地檢測出加熱溫度。結(jié)果，不能將加熱溫度控制為規(guī)定的溫度，存在發(fā)生輸出異常的可能性。以下，使用圖I 圖10說明本發(fā)明的實(shí)施方式。圖I是表示本發(fā)明的第一實(shí)施方式的流量傳感器中的流量檢測元件的平面結(jié)構(gòu)的圖。圖I中，檢測元件I中，在硅、陶瓷等導(dǎo)熱率良好的材料構(gòu)成的基板的背面形成有空洞部，在該空洞部中形成有用于檢測空氣流量的膜片13。空洞部通過使用堿性溶劑等從基板的背面一側(cè)進(jìn)行蝕刻加工而形成。在膜片13上，配置有作為流量檢測用電阻體的加熱電阻體2，以圍繞加熱電阻體2周圍的方式配置有加熱溫度檢測電阻體3。此外，相對于加熱電阻體2，在流動的上游一側(cè)配置有上游側(cè)測溫電阻體7、8，在下游一側(cè)配置有下游側(cè)測溫電阻體9、10。進(jìn)而，變形檢測電阻11、12配置在測溫電阻體7 10和用于與外部端子連接的接合端子14 32之間的膜片13上。在膜片13周圍的基板上，形成有固定電阻5、6和測溫電阻體4。這些檢測元件I上構(gòu)成的電阻體由電阻值根據(jù)溫度變化的多晶硅等的半導(dǎo)體膜、白金等的金屬膜制成。此夕卜，這些元件與外部的連接通過接合端子14 32進(jìn)行。由此，能夠提供能排除膜片13上的電阻體所產(chǎn)生的變形的影響，或緩和了因變形而產(chǎn)生的應(yīng)力的流量輸出。其中，使加熱電阻體2和加熱溫度檢測電阻體3、上游側(cè)測溫電阻體7、8、下游側(cè)測溫電阻體9、10、檢測變形量的電阻體即變形檢測電阻體11、12、固定電阻5、6、測溫電阻體4全部由相同材料構(gòu)成。由此，無需提高成本，就能夠構(gòu)成能提供排除了安裝時(shí)等膜片13上的電阻體產(chǎn)生的變形的影響的流量輸出的流量傳感器。圖2是表示本發(fā)明的第一實(shí)施方式的流量傳感 器的電路結(jié)構(gòu)的圖。在圖2中，流量傳感器具備檢測空氣流量、空氣溫度和膜片13上產(chǎn)生的變形量的檢測元件I ;用于將空氣流量和變形量轉(zhuǎn)換為電信號并將排除了變形量后的空氣流量調(diào)整為規(guī)定的特性的ASIC電路35。由加熱溫度檢測電阻體3、測溫電阻體4、固定電阻5、6形成的電橋電路與電源38連接。表示加熱溫度檢測電阻體3與固定電阻6的連接點(diǎn)的電位的接合端子25和表示測溫電阻體4與固定電阻5的連接點(diǎn)的電位的接合端子31，與運(yùn)算放大器37的輸入端子連接。為了使它們的電位相同，運(yùn)算放大器37對向加熱電阻體2供給的加熱電流進(jìn)行反饋控制。此處的加熱電流由被運(yùn)算放大器37控制的晶體管36供給。此外，相對于加熱電阻體2在空氣的流動方向的上游一側(cè)配置的電橋電路與電源38連接。電橋電路由電阻值因來自加熱電阻體2的熱的影響而變化的測溫電阻體7、8、和相對于加熱電阻體2在空氣的流動方向的下游一側(cè)配置的測溫電阻體9、10形成。進(jìn)而，檢測膜片13上產(chǎn)生的變形量的變形檢測電阻11、12和由固定電阻33、34形成的電橋電路與電源38連接。關(guān)于與空氣流量相應(yīng)的差動信號，表示測溫電阻體7與10的接點(diǎn)的電位的接合端子16 (或28)和表示測溫電阻體8與9的連接點(diǎn)的電位的接合端子30 (或17)與AD轉(zhuǎn)換器39連接。此外，關(guān)于與膜片13上產(chǎn)生的變形量相應(yīng)的差動信號，表示變形檢測電阻體11與固定電阻33的連接點(diǎn)的電位的接合端子20和表示變形檢測電阻體12與固定電阻34的連接點(diǎn)的電位的接合端子27與AD轉(zhuǎn)換器40連接。AD轉(zhuǎn)換器39、40的輸出被輸入到DSP42。在DSP42中，使用R0M41中存儲的調(diào)整信息，對膜片13上產(chǎn)生的變形量進(jìn)行補(bǔ)償，調(diào)整為規(guī)定的特性并輸出。調(diào)整后的流量信號被輸入DA轉(zhuǎn)換器43或頻率輸出轉(zhuǎn)換電路(FRC) 44，被轉(zhuǎn)換為電壓信號或頻率信號。最終基于R0M41中存儲的信息，通過作為切換開關(guān)的復(fù)用器(MPX) 45將電壓信號或頻率信號作為流量輸出而輸出。如圖2所示，ASIC電路35由運(yùn)算放大器37、電源38、晶體管36、AD轉(zhuǎn)換器39、40、R0M41、DSP42、DA轉(zhuǎn)換器43和復(fù)用器(MPX) 45構(gòu)成。由此，由相對于加熱電阻體2在空氣的流動方向的上游一側(cè)配置、電阻值因來自加熱電阻體2的熱影響而變化的上游側(cè)測溫電阻體7、8 ;和相對于加熱電阻體2在空氣的流動方向的下游一側(cè)配置的下游側(cè)測溫電阻體9、10形成的電橋電路，獲得對該電橋電路的輸出補(bǔ)償了變形影響的輸出。這樣，通過從電橋電路的輸出消除變形影響部分，能夠使其難以發(fā)生輸出異常。圖3是表示在本發(fā)明的第一實(shí)施方式的流量傳感器的ASIC電路35內(nèi)部的DSP42內(nèi)部實(shí)施的運(yùn)算處理的圖。
在圖3中，由于變形檢測部47檢測到的信號非常小，所以由運(yùn)算器48進(jìn)行規(guī)定的增益。之后，將放大后的變形檢測信號和預(yù)先寫入R0M41的初始狀態(tài)的變形量輸入運(yùn)算器49，計(jì)算它們的差分。由此，計(jì)算實(shí)際的變形量。進(jìn)而，將來自流量檢測部46的輸出和運(yùn)算器49計(jì)算出的變形檢測信號輸入運(yùn)算器50，實(shí)施規(guī)定的運(yùn)算，輸出實(shí)際的流量檢測信號。圖4是表示本發(fā)明的第二實(shí)施方式的流量傳感器中的流量檢測元件的平面結(jié)構(gòu)的圖。此外，圖5是表示本發(fā)明的第二實(shí)施方式的流量傳感器的電路結(jié)構(gòu)的圖。該第二實(shí)施方式中，由加熱溫度檢測電阻體3、測溫電阻體4、固定電阻5、6、變形檢測電阻11、12形成的電橋電路與電源38連接。此外，表示加熱溫度檢測電阻體3與固定電阻6的連接點(diǎn)的電位的接合端子25和表示測溫電阻體4與固定電阻5的連接點(diǎn)的電位的接合端子31與運(yùn)算放大器37的輸入端子連接。為了使它們的電位相同，運(yùn)算放大器37對向加熱電阻體2供給的加熱電流進(jìn)行反饋控制。此處的加熱電流由被運(yùn)算放大器37控制的晶體管36供給。此處，說明從膜片13上產(chǎn)生了變形時(shí)的流量輸出中排除變形的影響的方法。上述運(yùn)算放大器37進(jìn)行反饋控制，使得輸入端子的電位相同。因此，能夠?qū)С鲆韵玛P(guān)系式。設(shè)加熱溫度檢測電阻體3為Rht，測溫電阻體4為Re，固定電阻5為R7，固定電阻6為Rl，變形檢測電阻11為Rpl，變形檢測電阻12為Rp2時(shí)，Rl · {Re+ (Rp I+Rp2)} =Rht · R7設(shè)Rp=Rpl+Rp2,對 Rht 展開，Rht=Rl/R7 · (Rc+Rp)此處，因安裝應(yīng)力等而使膜片上的電阻體發(fā)生電阻變化時(shí)，導(dǎo)出Rht+ARht=Rl/R7 · (Rc+Rp+ Δ Rp)=R1/R7 · (Rc+Rp)+R1/R7 · ARp此處因變形引起的電阻變化一般用下式表示。Δ R/R=K · ε (K :應(yīng)變系數(shù)，ε :形變)AR=K · ε · R根據(jù)以上，對變形檢測電阻Rp如下所述地設(shè)定即可。Δ Rht=Rl/R7 · Δ RpK · ε · Rht=Rl/R7 · K · ε · RpRht=Rl/R7 · RpRp=R7/Rl · RhtRpl+Rp2=R7/Rl · Rht通過如上所述地設(shè)定變形檢測電阻，能夠在膜片13發(fā)生變形時(shí)排除加熱溫度控制電橋的變形導(dǎo)致的影響。對于與空氣流量相應(yīng)的差動信號，表示測溫電阻體7與10的連接點(diǎn)的電位的接合端子16 (或28)和表示測溫電阻體8與9的連接點(diǎn)的電位的接合端子30 (或17)與AD轉(zhuǎn)換器39連接。AD轉(zhuǎn)換器39的輸出被輸入DSP42。在DSP42中，使用R0M41中存儲的調(diào)整信息，調(diào)整為規(guī)定的特性并輸出。調(diào)整后的流量信號被輸入DA轉(zhuǎn)換器43或頻率輸出轉(zhuǎn)換電路(FRC)44，被轉(zhuǎn)換為電壓信號或頻率信號。最終基于R0M41中存儲的信息，通過作為切換開關(guān)的復(fù)用器(MPX) 45將電壓信號或頻率信號作為流量輸出而輸出。這樣，通過由加熱溫度檢測電阻體3、測溫電阻體4、固定電阻5、6、變形檢測電阻11、12構(gòu)成電橋電路，能夠在將加熱溫度檢測電阻體3控制為一定溫度的電橋電路中具備應(yīng)力影響的補(bǔ)償。圖6是表示本發(fā)明的第三實(shí)施方式的流量傳感器中的流量檢測元件的平面結(jié)構(gòu)的圖。此外，圖7是表示本發(fā)明的第三實(shí)施方式的流量傳感器的電路結(jié)構(gòu)的圖。該第三實(shí)施方式對第一實(shí)施方式中的變形檢測電阻11、12的配置進(jìn)行了變更。第一實(shí)施方式中，將變形檢測電阻11、12配置在測溫電阻體7 10和用于與外部端子連接的接合端子14 32之間，而第三實(shí)施方式中，以測溫電阻7 10為基準(zhǔn)配置在與接合端子14 18、20 25、27 32的相反一側(cè)的膜片13上。電路動作與第一實(shí)施方式相同。本實(shí)施方式在將檢測兀件I搭載在支撐體60 (圖9)時(shí)與接合端子側(cè)相反一側(cè)也接合安裝的情況下發(fā)揮效果。圖8是表示本發(fā)明的第四實(shí)施方式的流量傳感器中的流量檢測元件的平面結(jié)構(gòu)的圖。該第四實(shí)施方式對第二實(shí)施方式中的變形檢測電阻11、12的配置進(jìn)行了變更。第二實(shí)施方式中，將變形檢測電阻11、12配置在測溫電阻體7 10和用于與外部端子連接的接合端子14 32之間，而第四實(shí)施方式中，以測溫電阻7 10為基準(zhǔn)配置在與接合端子14 18、20 25、27 32的相反一側(cè)的膜片13上。本實(shí)施方式也在與第三實(shí)施方式同樣 的狀況下發(fā)揮效果。圖9是表示將本發(fā)明的實(shí)施方式的流量傳感器的檢測元件I安裝在支撐體60上時(shí)的應(yīng)力影響的圖。檢測元件I與支撐體60上形成的凹陷部61 (腔室)被粘合劑62接合。此處，表示檢測元件I由于環(huán)境溫度等變化而從支撐體60和粘合劑62承受應(yīng)力的情況下，檢測元件I上的膜片13凹形或凸形地變形，用變形檢測電阻11、12檢測該變形。圖10是本發(fā)明的流量傳感器實(shí)際使用的狀態(tài)下的安裝截面示意圖。圖10中，流量傳感器51以插入吸氣管59內(nèi)的方式安裝，通過凸緣57固定到吸氣管59。此外在外殼52上，安裝了裝有檢測元件I和ASIC電路35的支撐體60。流入吸氣管59內(nèi)的空氣流56，通過空氣導(dǎo)入53被分流到流量傳感器51內(nèi)，通過旁通通路55繞過檢測元件I上，從通路出口 54返回主吸氣管59內(nèi)。符號說明I檢測元件2加熱電阻體3加熱溫度檢測電阻體4測溫電阻體5、6、33、34 固定電阻7、8上游側(cè)測溫電阻體9、10下游側(cè)測溫電阻體11、12變形檢測電阻13 膜片14 32接合端子35 ASIC 電路36 晶體管37運(yùn)算放大器38 電源
39、40 AD 轉(zhuǎn)換器41ROM42DSP43DA 轉(zhuǎn)換器44頻率輸出轉(zhuǎn)換電路(FRC)45復(fù)用器(MPX)46流量檢測部47變形檢測部 48 50運(yùn)算器51流量傳感器52外殼53空氣導(dǎo)入口54通路出口55旁通通路56空氣流57凸緣58基底59吸氣管60支撐體61腔室62粘合劑
權(quán)利要求
1.一種熱式流量傳感器，其具有基板、所述基板上形成的膜片、所述膜片上形成的發(fā)熱電阻體和溫度檢測電阻體，通過對所述發(fā)熱電阻體加熱而檢測被測定流體的流量，該熱式流量傳感器的特征在于 相對于所述膜片上的所述發(fā)熱電阻體，在被測定流體的流動的上游一側(cè)和下游一側(cè)，形成有變形檢測電阻體， 由所述變形檢測電阻體檢測所述膜片上產(chǎn)生的變形量， 基于所述檢測到的變形量進(jìn)行所述發(fā)熱電阻體和所述溫度檢測電阻體檢測到的流量信號的變形補(bǔ)償。
2.如權(quán)利要求I所述的熱式流量傳感器，其特征在于 所述變形檢測電阻體與所述發(fā)熱電阻體和所述溫度檢測電阻體電連接， 將所述發(fā)熱電阻體控制為一定溫度的電橋電路具備應(yīng)力影響的補(bǔ)償。
3.如權(quán)利要求I所述的熱式流量傳感器，其特征在于 所述變形檢測電阻體配置在用于與外部端子電連接的焊盤和所述溫度檢測電阻體之間。
4.如權(quán)利要求I所述的熱式流量傳感器，其特征在于 所述變形檢測電阻體由多晶硅或擴(kuò)散電阻形成。
5.如權(quán)利要求I所述的熱式流量傳感器，其特征在于，具有 輸入由所述變形檢測電阻體和固定電阻構(gòu)成的電橋電路的輸出的第一 AD轉(zhuǎn)換器； 輸入來自所述溫度檢測電阻體構(gòu)成的電橋電路的輸出的第二 AD轉(zhuǎn)換器；和 預(yù)先存儲有調(diào)整信息的存儲器， 基于所述存儲器的調(diào)整信息，根據(jù)所述溫度檢測電阻體構(gòu)成的電橋電路的輸出，對所述變形檢測電阻體檢測到的所述膜片上產(chǎn)生的變形量進(jìn)行補(bǔ)償。
6.如權(quán)利要求I所述的熱式流量傳感器，其特征在于 由所述發(fā)熱電阻體、所述溫度檢測電阻體和所述變形檢測電阻體構(gòu)成電橋電路，進(jìn)行將所述發(fā)熱電阻體控制為一定溫度的控制。
7.如權(quán)利要求I所述的熱式流量傳感器，其特征在于 所述變形檢測電阻體分別配置在膜片的長邊方向上和短邊方向上。
8.如權(quán)利要求I所述的熱式流量傳感器，其特征在于 在連接所述溫度檢測電阻體和外部端子的焊盤的相反一側(cè)配置有所述變形檢測電阻體。
9.如權(quán)利要求I所述的熱式流量傳感器，其特征在于 所述發(fā)熱電阻體、所述溫度檢測電阻體和所述變形檢測電阻體由相同材料構(gòu)成。
全文摘要
即使在設(shè)置有加熱電阻和測溫電阻體的基板的膜片部產(chǎn)生變形，也能夠減少因變形而產(chǎn)生的連接有測溫電阻體的電橋電路的信號變動。在具有基板、基板上形成的膜片(13)、膜片上形成的發(fā)熱電阻體(2)和溫度檢測電阻體(7～10)，通過對發(fā)熱電阻體加熱而檢測被測定流體的流量的熱式流量傳感器中，相對于膜片上的發(fā)熱電阻體，在被測定流體的流動的上游一側(cè)和下游一側(cè)，形成有變形檢測電阻體(11、12)，由變形檢測電阻體檢測膜片上產(chǎn)生的變形量，基于檢測到的變形量進(jìn)行上述發(fā)熱電阻體和上述溫度檢測電阻體檢測到的流量信號的變形補(bǔ)償。
文檔編號G01F1/696GK102822641SQ20118001727
公開日2012年12月12日 申請日期2011年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月1日
發(fā)明者佐藤亮, 半澤惠二 申請人:日立汽車系統(tǒng)株式會社