专利名称：热式流量计的制作方法
技术领域：
本发明涉及在被计测流体中设置发热电阻器并测定流量的热式流量计，特别是涉及适于机动车的内燃机关的吸入空气流量、排气流量的测定的热式流量计。
背景技术：
作为检测机动车等的内燃机关的吸入空气量的空气流量计，主流的是能够直接测定质量流量的热式的空气流量计。近年来，有人提出了使用微机技术在硅(Si)等的半导体基板上制造热式流量计的传感器元件的方案。这样的半导体类型的传感器元件，形成矩形状地去除了半导体基板的一部分的空腔部，在形成于该空腔部的数微米的电绝缘膜上形成了发热电阻器。此外，通过在发热电阻器的近旁的上游、下游形成温度传感器(热敏电阻器)，根据发热电阻器的上游、下游的温度差检测流量的温度差方式，能够进行顺流和逆流的判别。发热电阻器的大小微细到数百微米，并且形成为薄膜状，所以能够使热容量变小，并进行高速响应·低消耗电力化。作为实现传感器元件的低电力化的现有技术，有专利文献I所记载的技术。专利文献I中，记载了通过减小发热电阻器的长度，来维持灵敏度并进行低消耗电力化的技术。现有技术文献专利文献1:日本特开2008-233012号公报

发明内容
在机动车等的内燃机关上搭载了上述的空气流量计时，为了减少传感器元件的污损，多采用在引入一部分空气流的副通路内配置传感器元件的技术。配置传感器元件的副通路，为了保护传感器元件不受油污、灰尘等伤害，以多种形状进行弯曲。因此，流经传感器元件上的空气的方向根据空气的流量而变化。如果空气的流动方向变化，则传感器元件检测到的流量将产生误差。进而，如果发热电阻器变得小型，则存在发热电阻器的周边的温度分布的均匀性恶化，即使是空气流量方向有微小的变化，也会使传感器元件的检测灵敏度变化，测定误差将变大的问题。以往，考虑了由于发热电阻器的发热产生的温度分布，但没有对为了检测发热电阻器的温度并对发热电阻器进行加热控制而设的热敏电阻器的自发热带来的温度分布的均匀性进行思考。所以，本发明的目的在于提供一种搭载于机动车等的内燃机关，减少空气流的流动方向的微小变化带来的传感器元件的检测灵敏度的变化、及流量测定误差，并且低消耗电力、高精度的热式流量传感器。为了达成上述目的，本发明的热式流量计是具备具有流入被计测流体的开口部的副通路、和配置于上述副通路内并计测被计测流体的流量的传感器元件的热式流量计，上述传感器元件具备半导体基板、形成于上述半导体基板的空腔部、在上述空腔部上隔着电绝缘膜形成的发热电阻器、检测上述发热电阻器的加热温度的加热温度传感器、和根据由上述加热温度传感器检测的温度控制上述发热电阻器的加热温度的驱动电路，上述加热温度传感器是电阻值根据温度而变化的热敏电阻器，相对于上述发热电阻器配置于上述被计测流体的流动的上游侧以及下游侧，并且配置于上述被计测流体的流动的垂直方向的上部侧和下部侧。并且，上述加热温度传感器在上述空腔部上电气性地串联连接即可。由此，流向上述加热温度传感器的电流带来的自发热所引起的温度上升，在发热电阻器周边变为均等的温度分布。根据本发明，能够提供减少空气流的流动方向的微小变化带来的传感器元件的检测灵敏度的变化及流量测定误差，且低消耗电力、高精度的热式流量传感器。本说明书包含作为本申请的优先权基础的日本专利申请2010-171305号的说明书以及/或者附图所记载的内容。


图1是示出热式流量传感器的传感器元件I的安装构造的图。图2是示出作为本发明的第I实施例的热式流量传感器的传感器元件I的俯视的图。图3是示出图1的传感器元件I的\_V截面的图。图4是示出驱动图1的传感器元件I的电气电路。图5是图1的传感器元件I的膜片4部的放大图。图6 (a)是示出现有的传感器元件的膜片部的形状的图。图6 (b)是示出现有的传感器元件的膜片部的温度分布的图。图7 Ca)是示出现有的传感器元件的膜片部的形状的图。图7 (b)是示出现有的传感器元件的膜片部的温度分布的图。图8是示出图6的Y-Y'线上的温度分布的图。图9是简化地示出图6中的形状的图。图10是示出发热电阻器的长度Ls与加热温度的变化率的关系的图。图11 (a)是示出本发明的传感器元件的膜片部的形状的图。图11 (b)是示出本发明的传感器元件的膜片部的温度分布的图。图12 Ca)是示出现有的传感器元件的膜片部的形状的图。图12 (b)是示出现有的传感器元件的膜片部的温度分布的图。图13是示出本发明的传感器元件的膜片部的俯视的图。图14 Ca)是示出现有的传感器元件的膜片部的形状的图。图14 (b)是示出现有结构中加热温度传感器的检测温度的一例。图14 (C)是示出现有结构中加热温度传感器的检测温度的一例。图15 Ca)是示出本发明的传感器元件的膜片部的形状的15 (b)是示出本发明的结构中加热温度传感器的检测温度的一例。图15 (C)是示出本发明的结构中加热温度传感器的检测温度的一例。图16是示出作为本发明的第2实施例的热式流量传感器的传感器元件34的截面的图。
图17是示出图11的传感器元件34的膜片4部的放大图。图18是示出作为本发明的第3实施例的热式流量传感器的传感器元件的膜片部4的放大图。符号说明1、34 :传感器元件；2 :基板;3a、3b、3c 电绝缘膜;4、27a、27b :膜片；5、26a、26b 发热电阻器；6 :空气流;7、7a、7b、7c、7d、7e、28a、28b :加热温度传感器;8a、8b、29a、29c 上游侧温度传感器；9a、9b :下游侧温度传感器；10、11、12 :热敏电阻器；13 :电极垫片部；14 :温度分布；15、17 :放大器；16 :晶体管；18 :吸气管路；19 :基部构件；20 :吸气；21 :副通路；22 :电路基板；23 :金线键合线；24 :端子；25 :铝键合线；29b、29d :现有的下游侧温度传感器；30a n、33a、33b :布线部；31 :高温部；32a、32b空气流的方向；35 :发热电阻器的区域；36a :上游侧温度传感器的区域；36b :下游侧温度传感器的区域；37a、37b、37c、37d :发热电阻器的端部；38a、38b :凹部。
具体实施例方式以下说明本发明中的实施例。实施例1以下说明本发明中第I实施例。图1示出在机动车等的内燃机关的吸气管安装传感器元件I和传感器元件I的驱动 检测电路的实施例。在图1中，从吸气管路18的壁面凸出地设有基部构件19。基部构件19上形成有流入了流经吸气管路18的吸气20的一部分的副通路21。副通路21具有导入或者排出吸气20的开口部，副通路21的开口部附近设有通路面积逐渐变小的颈缩。此夕卜、副通路21在通路路径中具有弯曲部，由于该弯曲部，导入到副通路21的吸气20折返，形成具有使空气流向吸气20的流动方向的反方向流动的部位的流路构造。形成于该部位的矩形状的凹部设置传感器元件I。通过在副通路21形成弯曲部，空气流沿着该弯曲部流动，侵入到副通路21内的灰尘等粒子被惯性分离，能够防止直接撞击传感器元件1，能够抑制传感器元件I的破坏。设置有传感器元件I的近旁副通路21将流路设为直线状。这具有使流向传感器元件I的空气流的流动方向稳定为一定的效果。但是，残留着设置传感器元件I的直线状的流路的长度存在极限，由于流速提高，流动的方向将变化的问题。因此，防止灰尘的撞击和空气流的流动方向的稳定化难以两全。基部构件19设有搭载了传感器元件I的驱动 检测电路的电路基板22，通过金线键合线23将传感器元件I和电路基板22进行电连接。进而，设置用于驱动电路的电源供给、输出信号的取得的端子24，通过铝键合线25将电路基板22和端子24电连接。利用图2、图3说明本实施例的热式流量计的传感器元件I的结构。图2是示出传感器元件I的俯视图。此外，图3示出沿着图2中的X-X'线的截面图。传感器元件I的基板2由硅、陶瓷等热传导率良好的材料构成。并且，在基板2上形成电绝缘膜3a，通过从背面蚀刻基板2，形成空腔部，并形成膜片4。在膜片4上的电绝缘膜3a的中心附近的表面形成发热电阻器5。在发热电阻器5的周围以包围发热电阻器5的方式形成检测发热电阻器5的加热温度的加热温度传感器7。由加热温度传感器7检测发热电阻器5的温度，对于空气流6的温度进行加热控制以提高一定温度。进而，在加热温度传感器7的外侧形成上游侧温度传感器8a、8b、下游侧温度传感器9a、9b。上游侧温度传感器8a、8b相对于发热电阻器5配置在空气流6的上游侧，下游侧温度传感器9a、9b对于发热电阻器5配置在空气流6的下游侧。传感器元件I的最表面被电绝缘膜3b覆盖，电绝缘膜3b进行电绝缘之外，还起保护膜作用。膜片4的外部的电绝缘膜3a上配置电阻值根据空气流6的温度而变化的热敏电阻器10、11、12。这些发热电阻器5、加热温度传感器7、上游侧温度传感器8a、8b、下游侧温度传感器9a、9b、热敏电阻器10、11、12由电阻值根据温度变化的相对性电阻温度系数大的材料形成。例如，可以由掺杂了杂质的多晶硅、单晶硅等半导体材料、由钼、钥、钨、镍合金等金属材料等形成。此外、电绝缘膜3a、3b由二氧化娃(Si02)、氮化娃(Si3N4)形成为约2微米厚的薄膜状，成热绝缘效果充分的构造。另外，如上所述，发热电阻器5、加热温度传感器7、上游侧温度传感器8a、8b、下游侧温度传感器9a、9b、也与热敏电阻器10、11、12同样地，是热敏电阻器。 进而，在传感器元件I的端部设置形成了用于将构成发热电阻器5、加热温度传感器7、上游侧温度传感器8a、8b、下游侧温度传感器9a、9b、热敏电阻器10、11、12的各电阻器与驱动·检测电路连接的电极的电极垫片部13。另外，电极由铝等形成。作为本发明的实施例的热式流量计如下地进行动作。图3是图2中的X-X'线上的截面结构和X-X'线上的温度分布。温度分布14的实线表示无风时的膜片4的温度分布。发热电阻器5以比空气流6的温度高ATh的方式进行加热。温度分布14的虚线是发生空气流6时的膜片4的温度分布。由于产生空气流6，发热电阻器5的上游侧被空气流6冷却，温度下降，下游侧由于通过发热电阻器5，被加热的空气流过，所以温度上升。因此，通过由上游侧温度传感器8a、8b和下游侧温度传感器9a、9b测定发热电阻器5的上下游的温度差ATs，来计测流量。接下来说明传感器元件I的驱动 检测电路。图4中示出传感器元件I的驱动 检测电路。构成将由电阻值根据发热电阻器5的温度变化而变化的加热温度传感器7和热敏电阻器10组成的串联电路、与由热敏电阻器11和热敏电阻器12组成的串联电路并联连接而成的桥电路，并对各串联电路施加基准电压Vref。取得这些串联电路的中间电压，并与放大器15连接。放大器15的输出与晶体管16的基部连接。晶体管16的集电极与电源VB连接，发射极与发热电阻器5连接，构成反馈电路。由此，控制发热电阻器5的温度Th，以使其相对空气流6的温度Ta升高一定温度Λ Th (= Th-Ta)。并且，构成将由上游侧温度传感器8a和下游侧温度传感器9a组成的串联电路、与由下游侧温度传感器9b和上游侧温度传感器Sb组成的串联电路并联连接而成的桥电路，并向各串联电路施加基准电压Vref。如果由于空气流而在上游侧温度传感器8a、8b和下游侧温度传感器9a、9b上产生温度差，则桥电路的电阻平衡变化，产生差电压。根据该差电压，经由放大器17，得到与空气流量对应的输出。图5中示出传感器元件I的膜片4的放大图。在图5中，加热温度传感器7a 7e配置为包围在发热电阻器5的周围。将加热温度传感器7a相对于发热电阻器5配置于空气流6的上游侧(以下，称为纸面左侧)，将加热温度传感器7b相对于发热电阻器5配置于空气流6的下游侧(以下，称为纸面右侧)，将加热温度传感器7c配置于空气流的垂直方向的上部侧、即发热电阻器5的图1中的主通路18的中心轴侧(以下，称为纸面上侧)，将加热温度传感器7d、7e配置于空气流的垂直方向的下部侧、即发热电阻器5的图1中的电路基板22侧(以下，称为纸面下侧)。上述的加热温度传感器7a 7e在膜片4上电气性地串联连接。串联连接上述的加热温度传感器7a 7e而形成加热温度传感器7。发热电阻器5与布线部301、30j电连接,从膜片4的外侧供给加热电流。发热电阻器5以及布线部301、30j在其连接部具有颈缩部。具体而言，通过发热电阻器5和布线部301、30j形成凹部38a、38b。凹部38a的单侧的侧面是发热电阻器5的一部分，另一侧面是布线部30i。此外、凹部38b的单侧的侧面是发热电阻器5的一部分，另一侧面是布线部30j。另外，发热电阻器5与布线部301、30j的连接部中，布线301、30j的线宽比发热电阻器5的短边方向的线宽窄，在膜片4的端部，布线301、30 j的线宽形成得宽。并且，在凹部38a中，以嵌入的方式配置有加热温度传感器7d，在凹部38b中，以嵌 入的方式配置加热温度传感器7e。即，沿着颈缩部形状配置有加热温度传感器7d、7e。通过设置上述结构，能够以包围发热电阻器5的周围的方式配置加热温度传感器7a 7e，并且流向加热温度传感器7a 7e的电流带来的自发热量在发热电阻器5的纸面上下方向、纸面左右方向呈基板对称。此外，通过将发热电阻器5设为400 μ m以下的小型形状，即使有发热电阻器5的周围的加热温度传感器7a 7e的自发热，也能在发热电阻器5的上下左右方向得到均匀的温度分布。这里，发热电阻器5的区域是膜片4上的发热的主要部分，即使与图5所示的布线部301、30 j那样的宽度变宽的部位、发热电阻器5电连接，也不包含流动的电流显著变小的电阻器等。或者，如图5所示的发热电阻器5那样，是主要发热、形状变为U字、M字那样的有一次或者多次的折返的区域。加热温度传感器7，如果包围发热电阻器5的周围的全部，则更能得到效果，但如果在发热电阻器5的上部、下部、右部、左部基本均等地配置，则能得到充分的效果。在构成上述的结构的情况下，对流入热式流量计的传感器元件I的空气流倾斜时的效果，与现有的结构进行比较说明。图6 (a)是现有的热式流量计的传感器元件的膜片27a部的形状。图6 (a)的传感器元件是不需要低消耗电力驱动时的形状。因此，发热电阻器26a能够增大长边方向。在发热电阻器26a的周边，使加热温度传感器28a与发热电阻器的近旁同样地在长边方向配置得长。配置了加热温度传感器28a的地方是发热电阻器26a的纸面左侧、上侧、右侧，在发热电阻器26a的下侧不配置。图6 (b)示出表示在图6 (a)的膜片27a部的形状中，向加热温度传感器28a施加电压时的膜片上的温度分布的状态的等温线。另外，在图6 (b)中，示出网影浓的部分处于更高温状态的情况。根据图6 (b)可知，由于发热电阻器26a的左侦U、上侧和右侧配置了加热温度传感器28a，所以发生自发热所致的温度上升。发热电阻器26a的下侧，由于未配置加热温度传感器28a,所以温度上升少。在具有图6 (b)的温度分布的状态下，倾斜的空气流32a、32b流入膜片部27a的情况下，通过发热电阻器26a、温度上升的空气流流向下游侧温度传感器29b。在发热电阻器26a上，空气流32a和空气流32b通过的地方的温度基本是同一温度。流入下游侧温度传感器29b的空气的温度，不管是空气流32a、空气流32b中哪一个空气流流过，流向下游侧温度传感器29b的空气的温度也不变化。这是因为发热电阻器26a在纸面上下方向伸长，发热电阻器的上部、下部的温度分布不同的部分与下游侧温度传感器29b相离的缘故。因此，在不需要现有的低消耗电力的传感器元件形状的情况下，在流量检测中，不发生灵敏度变化，能够良好的进行空气流的测定。图7 (a)示出现有的热式流量计的传感器元件的膜片27b部的形状。图7 (a)的传感器元件是需要低消耗电力驱动的情况下的形状。为了低消耗电力，发热电阻器26b，对于长边方向，形成得比图6 (a)中的发热电阻器26a短。在发热电阻器26b的周边，将加热温度传感器28b与发热电阻器的近旁同样地，在长边方向上形成得短。配置加热温度传感器28b的地方是发热电阻器26b的纸面左侧、上侧、右侧，在发热电阻器26b的下侧未配置。图7 (b)示出在图7 (a)的膜片27b部的形状中，表示向加热温度传感器28b施加电压时的膜片上的温度分布的状态的等温线。另外，在图7 (b)中，示出网影浓的部分为更高温状态的情况。根据图7 (b)，发热电阻器26b的左侧、上侧和右侧配置了加热温度传感器28b，所以产生自发热带来的温度上升。发热电阻器26b的下侧未配置加热温度传感器28b，所以温度上升少。在具有图7 (b)的温度分布的状态下，倾斜的空气流32a、32b流入膜片部27b 的情况下，通过发热电阻器26b而温度上升了的空气流流向下游侧温度传感器29b。在发热电阻器26b上，在空气流32a和空气流32b中通过的位置的温度不同。流入下游侧温度传感器29b的空气的温度，是空气流32a时，温度变高，是空气流32b时，温度变低。因此，由于空气流的方向变化，流向下游侧温度传感器29b的空气的温度变化。这是因为发热电阻器26a在纸面上下方向上短、发热电阻器的上部、下部的温度分布不同的部分接近下游侧温度传感器29b的缘故。因此，在现有的需要低消耗电力的传感器元件形状的情况下，在流量检测中产生灵敏度变化，在空气流的测定中产生有误差。根据发热电阻器的长度，详细说明温度分布引起的测定误差发生变化的情况。图8示出驱动图6 (a)的发热电阻器26a时的、Y-Y'线上的温度分布。根据图8所示的温度分布可知，在发热电阻器的纸面上侧和下侧，温度不同。这是由于在发热电阻器26a的纸面上侧配置了加热温度传感器28a，而在发热电阻器的纸面下侧未配置加热温度传感器28a。因此，在发热电阻器的纸面上侧和下侧，加热温度传感器28a的自发热带来的温度上升不同。这里，如果将发热电阻器的整体的平均温度设为ATh，根据ATh，将发热电阻器的上侧的加热温度传感器28b的自发热带来的温度上升量设为Λ ThtJU八11^大约为51 201左右。图9是简化地示出形成图6 Ca)中的发热电阻器26a、上游侧温度传感器29a、下游侧温度传感器29b的区域的图。在图9中，区域35表示形成图6中的发热电阻器26a的区域，区域36a表示形成图6中的上游侧温度传感器29a的区域，区域36b表示形成图6中的上游侧温度传感器29b的区域。此外、图9中的端部37a表示图6中的发热电阻器26a的纸面上侧的端部，端部37b表示图6中的发热电阻器26a的纸面左侧(空气流的上游侧)的端部，端部37c表示图6中的发热电阻器26a的纸面右侧(空气流的下游侧)的端部，端部37d表示图6中的发热电阻器26a的纸面下侧的端部。此外、发热电阻器的端部37a、37b、37c配置有图6中的加热温度传感器28a，而在发热电阻器的端部37d未配置加热温度传感器 28a。在图9中，说明流向传感器元件的空气流从发热电阻器的左右方向倾斜Θ度的情况(图中32a)下的、流入下游侧温度传感器的区域36a的空气的温度。发热电阻器的端部37a的近旁，由于加热温度传感器28a自发热，而如图8中所示地，比其它部分温度高ATht0所以，通过发热电阻器的端部37a的空气的温度比其它位置温度高ATht。因此，温度高Λ Tht的空气流入下游侧温度传感器的区域36b。在下游侧温度传感器的区域36b，高ATht的空气流过的区域是图9的ALs所示的部分。Λ Ls有Δ Ls = Wh · tan θ (I)。这里，Wh是发热电阻器的区域35的宽度，图9所示的发热电阻器的端部37a的长度。如前所述地，上述ALs的部分与其它的下游侧温度传感器36b的部分相比，升高ATht0在下游侧温度传感器的区域36b，如果一部分(Λ Ls)变为高温(Λ Tht)，则下游侧温度传感器的区域36b的平均温度上升为Λ Th'。与加热温度传感器的自发热足够小、下游侧温度传感器的区域36b整体为Λ Th的情况之比Λ Th' / Λ Th为ATh' / Δ Th = I + Δ Ls Δ Tht/ (Ls Δ Th)= I + Wh · Δ Tht · tan θ / (Ls Δ Th) (2)ο这里，Ls是上游侧温度传感器的区域36a的纸面上下方向的整体的长度。此外，还将发热电阻器的区域35的纸面上下方向的长度设为Ls。例如，若Wh = 200 μ m、Ls =900 μ m、Λ Th = 10(TC、Λ Tht = 2(TC、θ = 6 度，贝IjΛ Th' /ATh =1. 004 (3) ，平均温度变化O.4%。如果平均温度变化O. 4%，则若换算为流量检测误差，则变为约1. 4%左右。在上述条件下，说明发热电阻器的区域35的纸面上下方向的长度Ls变短的情况。考虑将发热电阻器的区域35的纸面上下方向的长度、与下游侧温度传感器的区域36b的纸面上下方向的长度设为相同。图10示出发热电阻器的加热温度相对于发热电阻器的区域35的长度Ls的变化的变化率Λ Th' /ATh。如果Ls变为400μπι，则AIV /ATh变为1%左右，进而如果Ls变短，则温度变化率增大。因此，本发明，在这样发热电阻器的长度Ls较短地形成为400 μ m以下的实现了低消耗电力化的热式流量计的情况下，更能够实现空气流的倾斜带来的流量检测误差的减少。图11 (a)表示本发明中的热式流量计的传感器元件的膜片4部的形状。图11(a)的传感器元件是需要低消耗电力驱动的情况下的形状。因此，发热电阻器5缩短了长边方向。在发热电阻器5的周边，将加热温度传感器7与发热电阻器的近旁同样地在长边方向上较短地配置。配置了加热温度传感器7的地方是发热电阻器5的纸面左侧、上侧、右侧、下侧，在发热电阻器5的大致所有方向配置了加热温度传感器7。图11 (b)示出了在图11(a)的膜片4部的形状中，表示向加热温度传感器7施加电压时的膜片上的温度分布的状态的等温线。另外，在图11 (b)中，网影浓的部分表示更高温状态。根据图11 (b)，发热电阻器5的左侧、上侧、右侧和下侧配置了加热温度传感器7，所以产生自发热带来的温度上升。由于在发热电阻器5的大致所有方向，发生了自发热，所以发热电阻器5的温度分布基本是均等的。在具有图11 (b)的温度分布的状态下，倾斜的空气流32a、32b流入膜片4部的情况下，通过发热电阻器5而温度上升后的空气流流向下游侧温度传感器9a、9b。在发热电阻器5上，空气流32a和空气流32b通过的地方的温度是大致相同的温度。流入下游侧温度传感器9a、9b的空气的温度，不管是空气流32a或空气流32b中的哪一个空气流流过，流向下游侧温度传感器29b的空气的温度均不变化。这是因为发热电阻器5上的温度分布是均匀的，发热电阻器5的上部和下部的温度对于发热电阻器5的中心而言是上下对称的，因为下游侧温度传感器9a、9b的近旁的温度分布是基本均匀的。因此，在本发明中，即使在为了低消耗电力化而缩短发热电阻器5的长边方向的情况下，流量检测不由于流动方向的变化而发生灵敏度变化，能够良好地进行空气流的测定。进而，为了使发热电阻器5周边的温度分布均匀，如图5所示地，将用于拉出加热温度传感器7的电极的布线部33a、33b的宽度增大即可。例如，在以I飞微米形成加热温度传感器7的线宽的情况下，布线部33a、33b设为1(Γ50微米，比加热温度传感器7大10倍左右地较大地设定线宽。关于这个效果，使用图12 (a)以及图12 (b)进行说明。图12Ca)是以与加热温度传感器7相同的线宽形成加热温度传感器7的布线部33a、33b的情况下的、表示热式流量计的膜片4部的形状的图，图12(b)是以与加热温度传感器7相同的线宽形成加热温度传感器7的布线部33a、33b的情况下的、膜片4上的温度分布。图12 (b)的温度分布示出了向加热温度传感器7施加电压时的温度上升量。另外，在图12 (b)中，示出了网影浓的部分是更高温状态的情况。布线部33a、33b以与加热温度传感器7相同的材料形成。布线部33a、33b具有数十Ω左右的电阻，所以如果施加电压则产生自发热。因此，如图12 (b)所示，在布线部33a、33b产生温度上升，发热电阻器5周边的温度分布变得不均匀。在该状态下，如果不同方向的空气流32a和32b流动，则流经不同温度之上的空气 流到达下游侧温度传感器9a、9b，所以下游侧温度传感器9a、9b的温度变化。所以，通过预先加宽布线部33a、33b的线宽，能够降低布线部33a、33b的电阻值，使自发热减少。由此，图12所示的温度分布能够更接近图11所示的温度分布，流量检测不因流动方向的变化而发生灵敏度变化，能够良好地进行空气流的测定。利用图13说明更优选的形状。图13中的加热温度传感器7由配置于发热电阻器5的左侧的加热温度传感器7a、配置于右侧的加热温度传感器7b、配置于上侧的加热温度传感器7c和配置于下侧的加热温度传感器7d、7e组成。加热温度传感器7a并设4根电阻器，以形成折返构造的方式串联连结这4根电阻器。关于加热温度传感器7b也同样。加热温度传感器7c、7d、7e并设两根电阻器。加热温度传感器7a、7b并列地配置比加热温度传感器7c、7d、7e多的电阻器。这样，通过并设多个电阻器并进行串联连接，能够使加热温度传感器的电阻值升高。通过将电阻值设定得高，能够使在向加热温度传感器7施加一定电压时流过的电流减少，能够进一步抑制自发热。进而，布线部33a、33b的电阻值与加热温度传感器7的电阻值的比例变小，与电阻值相比，减少布线部33a、33b的发热，能够使温度分布更均匀。接下来，说明加热温度传感器7a、7b并列设置比加热温度传感器7c、7d、7e更多的电阻器即可的理由。在图13中，发热电阻器5设有用于取出电极的布线部301、30j。由于连接布线部301、30 j与发热电阻器5的颈缩部分，需要预先设置设有加热温度传感器7d、7e的根数量的区域，所以使线宽变窄。所以，如果布线301、30j的线宽变窄的部分变长，则在该部分，电阻变高，发热变大。因此，发热电阻器5的周边的温度分布将变得不均匀。所以，在提高加热温度传感器7的电阻值但仍减少自发热量的情况下，对加热温度传感器7a、7b并列配置比加热温度传感器7c、7d、7e更多的电阻器即可。此外、发热电阻器5的布线301、30j形成为从发热电阻器5的中心部拉出，直到膜片4的端部逐渐地放大线宽。即，加热温度传感器7d、7e配置为夹于发热电阻器5的下部和位于膜片4上的布线部301、30j。由此，将布线301、30j的线宽形成得更大，反之电阻值变小，自发热减少，能够减少流向布线的电流引起的温度上升。由此，发热电阻器5的周边的温度分布的均匀性提高，流量检测不由于流动方向的变化而发生灵敏度变化，能良好地进行空气流的测定。进而，说明根据本发明得到发热电阻器的温度检测精度提高的效果的情况。图14(a) (C)中表示现有的结构中倾斜的空气流32a、32b流动时的加热温度传感器检测的温度状态。现有的加热温度传感器，如图14 (a)所示，利用在发热电阻器26b的纸面左侧(空气流的上游侧)配置的加热温度传感器7a、在纸面右侧(空气流的下游侧)配置的加热温度传感器7b、和在纸面上侧配置的加热温度传感器7c，进行发热电阻器26b的温度检测。图14 (b)示出现有结构中倾斜的空气流32a流动时的温度分布。空气流32a从纸面左上向右下流动。如果空气流32a流过，则由于加热温度传感器7a、7c位于发热电阻器26b的上游侧，所以加热温度传感器7a、7c的温度降低。加热温度传感器7b位于发热电阻器26b的下游侧，所以温度上升。图14 (c)示出倾斜的空气流32b流动时的温度分布。空气流32b从纸面左下向右上流动。如果空气流32b流过，则加热温度传感器7a位于发热电阻器26b的上游侧，所以温度降低。加热温度传感器7b、7c位于发热电阻器26b的下游侧，所以反而温度上升。如果在图14 (b)和图14 (c)中进行比较，则加热温度传感器7a中两者的温度均 降低，加热温度传感器7b中两者的温度均上升。但是，加热温度传感器7c在空气流是32a的情况温度降低，而在空气流32b的情况下温度上升。因此，加热温度传感器7c由于空气流的倾斜，检测的温度变化。由此，发热电阻器26b的温度控制产生误差，成为流量检测误差的要因。图15 (a) (C)示出在本发明的结构中倾斜空气流32a、32b流动时的加热温度传感器检测的温度状态。本发明的结构中的加热温度传感器，如图15 (a)所示，利用在发热电阻器5的纸面左侧(空气流的上游侧)配置的加热温度传感器7a、在纸面右侧(空气流的下游侧)配置的加热温度传感器7b、在纸面上侧配置的加热温度传感器7c、和在纸面下侧配置的加热温度传感器7d、7e，进行发热电阻器5的温度检测。图15 (b)示出在本发明的结构中、倾斜的空气流32a流过时的温度分布。空气流32a从纸面左上向右下流动。如果空气流32a流动，则由于加热温度传感器7a、7c位于发热电阻器5的上游侧，所以加热温度传感器7a、7c的温度降低。加热温度传感器7b、7d、7e变为位于发热电阻器5的下游侧，所以温度上升。图15 (c)示出倾斜的空气流32b流动时的温度分布。空气流32b从纸面左下向右上流动。如果空气流32b流动，则由于加热温度传感器7a、7d、7e位于发热电阻器5的上游侧，所以温度降低。由于加热温度传感器7b、7c位于发热电阻器26b的下游侧，相反地温度上升。如果在图15 (b)和图15 (c)中进行比较，则加热温度传感器7a中两者温度均降低，加热温度传感器7b中两者温度均上升，不受流动的倾斜的影响。加热温度传感器7b，在空气流为32a的情况下，温度降低，但在空气流32b的情况下温度上升。反之，加热温度传感器7d、7e在空气流为32a的情况下温度上升，空气流32b的情况下温度降低。加热温度传感器7c和加热温度传感器7d、7e的温度，根据空气流的清洗，反转高温和低温，但加热温度传感器7c、7d、7e的平均温度保持一定。因此，如果串联加热温度传感器7a 7e并将其视为一个加热温度传感器7，则该加热温度传感器7的温度变为加热温度传感器7a 7e的平均温度。因此，即使发生空气流的倾斜，加热温度传感器7 (7a^7e的合成)检测的温度也保持一定。由此，即使发生空气流的倾斜，也能使发热电阻器5的温度控制稳定，并能够提高流量检测精度。
由于以上情况，本发明构成，不仅是根据图5所示的上游侧温度传感器8a、8b、下游侧温度传感器9a、9b的温度差检测流量的温度差方式，测定发热电阻器5的电压、电流并检测流量的直热方式，也能稳定发热电阻器5的温度控制，提高流量计测精度。接下来，说明第I实施例的传感器元件I的制造方法。作为基板，使用单晶硅(Si)等的半导体基板2。对作为基部的单晶硅(Si)基板2的表面，利用热氧化或者CVD法等形成作为预定的厚度约Iym的电绝缘膜3a的二氧化硅(SiO2)和氮化硅(Si3N4)15接下来，作为电阻器，利用CVD法等层积厚度约I μ m的多晶硅(Si)半导体薄膜。接下来，对多晶硅(Si)半导体薄膜进行杂质扩散，进行高浓度掺杂处理以成为预定的电阻率。进而，利用由公知的光刻技术将抗蚀剂形成为预定的形状的后反应性离子蚀刻等的方法，将多晶硅(Si)半导体薄膜图案化，得到预定的电阻器5、7、8a、8b、9a、9b、10、11、12和布线部30a 30η。 在其后的工序中，作为保护膜，将电绝缘膜3b与电绝缘膜3a同样地，利用CVD法等将二氧化硅(SiO2)和氮化硅(Si3N4)形成为约I微米厚。接下来，作为用于与外部电路的连接的端子的端子电极，对电极垫片部13去除保护膜3b，并由铝、金等形成。此外，也可以将用于连接各电阻器和端子的布线部30a 30n，设为多晶硅(Si)半导体薄膜和铝、金等的多层膜结构。在最后的工序中，在单晶硅(Si)半导体基板2的背面，将蚀刻的掩模材料图案化为预定的形状，使用氢氧化钾(KOH)等蚀刻液，通过各向异性蚀刻，形成空腔部，形成膜片4。利用以上的工序，完成传感器元件I。在上述各实施例中，说明了作为电阻器而使用多晶硅(Si)半导体薄膜的实施例，但在使用钼、钥、钨、镍合金等金属材料的情况下，也能得到同样的效果。将金属材料作为发热电阻器5、加热温度传感器7、上游侧温度传感器8a、8b、下游侧温度传感器9a、9b而使用，以低消耗电力、低电压、低电流进行驱动时，期望将发热电阻器形成得更小型。其理由是，在金属材料的情况下，耐热性高，能够使发热电阻器5的加热温度变为150°C 300°C，能够实现高灵敏度化。另一方面，如果提高加热温度，则消耗电力增加。因此，通过使发热电阻器形成得小型，能够减少消耗电力的增加。但是，如果使发热电阻器小型，则如上所述，发热电阻器5的周边的温度分布的均匀性成为问题。所以，通过应用本发明，即使有发热电阻器5的周围的加热温度传感器的自发热，也能使发热电阻器5周边的温度分布均匀，流量检测不由于流动方向的变化而发生灵敏度变化，能良好地进行空气流的测定。因此，在以低电力驱动将金属材料作为电阻器而使用传感器元件的情况下，本发明更为有效。此外、作为发热电阻器5，在膜片部4上设为了略M字状，但即使是略U字状的形状，即使是弯折状(蜿蜒状)，也能得到同样的效果。此外、在上述各实施例中，说明了发热电阻器5的上下游配置的两对测温电阻器8a、8b、9a、9b，但即使是一对测温电阻器的结构也能得到同样的效果。实施例2接下来，说明本发明的第2实施例。首先，利用图16、图17说明本实施例的热式流量计的传感器元件34的结构。图16是示出传感器元件34的截面图。此外，图17示出图16中的膜片4上的俯视图。传感器元件34的基板2由硅、陶瓷等热传导率良好的材料构成。并且，在基板2上形成电绝缘膜3a，通过从背面蚀刻基板2，而形成空腔部，并形成膜片4。在膜片4上的电绝缘膜3a的中心附近的表面形成发热电阻器5，用电绝缘膜3b覆盖于发热电阻器5上。形成电绝缘膜3b，以覆盖在发热电阻器5以及膜片4上。在电绝缘膜3b上，形成检测发热电阻器5的加热温度的加热温度传感器7，以包围发热电阻器5。用加热温度传感器7检测发热电阻器5的温度，进行加热控制，以对于空气流6的温度提高一定温度。进而，在加热温度传感器7的两侧，形成上游侧温度传感器8a、8b、下游侧温度传感器9a、9b。上游侧温度传感器8a、8b与发热电阻器5相比配置于空气流6的上游侧，下游侧温度传感器9a、9b与发热电阻器5相比配置于空气流6的下游侧。传感器元件I的最表面被电绝缘膜3c覆盖，电绝缘膜3c除了进行电绝缘，还作为保护膜起作用。这些发热电阻器5、加热温度传感器7、上游侧温度传感器8a、8b、下游侧温度传感器9a、9b、热敏电阻器10、11、12由电阻值根据温度变化的相对性电阻温度系数大的材料形成。例如，由掺杂了杂质的多晶硅、单晶硅等半导体材料、此外钼、钥、钨、镍合金等金属材料等形成即可。此外，电绝缘膜3a、3b由二氧化硅(Si02)、氮化硅(Si3N4)而形成为约2微米厚的薄膜状，作为得到足够热绝缘效果的构造。如上所述，发热电阻器5、加热温度传感器7、上游侧温度传感器8a、8b、下游侧温度传感器9a、9b也是与热敏电阻器10、11、12同样的热敏电阻器。与图5的第I实施例不同的是，发热电阻器5和加热温度传感器7设于不同的层。由此，如图17所示能够以加热温度传感器7完全地包围在发热电阻器5的周围。此外，关于发热电阻器5的布线部301、30j，设于与加热温度传感器7不同的层，所以能够扩展布线面积，降低电阻值。由此，能够减少布线部301、30j的自发热，并使发热电阻器5的周边的温度分布更均匀，流量检测不因流动方向的变化而发生灵敏度变化，能良好地进行空气流的测定。在本实施例中，将发热电阻器5形成于下侧的层，将加热温度传感器形成于上侧的层，但相仿地将加热温度传感器形成于下侧的层，将发热电阻器5形成于上侧的层，也能得到同样的效果。
实施例3接下来，说明本发明的第3实施例。首先，利用图18说明本实施例的热式流量计的传感器元件34的结构。在本实施例中，与第I实施例不同的是加热温度传感器7的配置。本实施例的加热温度传感器7，除了发热电阻器5的左侧配置的加热温度传感器7a、右侧配置的加热温度传感器7b、上侧配置的加热温度传感器7c、下侧配置的加热温度传感器7d、7e，还在发热电阻器5的内侧配置加热温度传感器7f、7g。这些加热温度传感器7a 7g电连接着。加热温度传感器7f、7g、具备发热电阻器5的折返构造，设于多个并设的之间。根据上述构成，在发热电阻器5的周边以及内部，加热温度传感器7所致的自发热变得更均等，发热电阻器5上的温度分布也变均匀。因此，流量检测不因流动方向的变化而产生灵敏度变化，就能良好地进行空气流的测定。
权利要求
1.一种具备具有流入被计测流体的开口部的副通路、和配置于所述副通路内并计测被计测流体的流量的传感器元件的热式流量计，其特征在于， 所述传感器元件具备半导体基板、形成于所述半导体基板的空腔部、在所述空腔部上隔着电绝缘膜形成的发热电阻器、检测所述发热电阻器的加热温度的加热温度传感器、利用由所述加热温度传感器检测的温度来控制所述发热电阻器的加热温度的驱动电路， 所述加热温度传感器是电阻值根据温度发生变化的热敏电阻器，相对于所述发热电阻器配置于所述被计测流体的流动的上游侧以及下游侧，并且配置于所述被计测流体的流动的垂直方向的上部侧和下部侧。
2.根据权利要求1记载的热式流量计，其特征在于， 相对于所述发热电阻器位于所述被计测流体的流动方向的上游侧以及下游侧的所述加热温度传感器，由具有折返形状的多根电阻图案形成，所述多根电阻图案在所述空腔部上的所述电绝缘膜上电气性地串联连接。
3.根据权利要求2记载的热式流量计，其特征在于， 所述加热温度传感器的电阻图案，将相对于所述发热电阻器位于所述被计测流体的流动方向的上游侧以及下游侧的部分的根数设置得比位于所述发热电阻器的上部侧以及下部侧的部分的根数多。
4.根据权利要求1记载的热式流量计，其特征在于， 具备从所述发热电阻器的上部侧或下部侧将所述发热电阻器的电极取出到所述空腔部之外的布线， 所述布线，在与所述发热电阻器连接的部位，所述布线的线宽比所述发热电阻器的短边方向的宽度窄，在所述空腔部的端部，比与所述发热电阻器连接的部位的布线的线宽宽。
5.根据权利要求4记载的热式流量计，其特征在于， 位于所述发热电阻器的下部侧的所述加热温度传感器配置为夹于所述发热电阻器和所述布线。
6.一种具备具有流入被计测流体的开口部的副通路、配置于所述副通路内并计测被计测流体的流量的传感器元件的热式流量计，其特征在于， 所述传感器元件具有半导体基板、形成于所述半导体基板的空腔部、在所述空腔部上隔着电绝缘膜形成的发热电阻器、检测所述发热电阻器的加热温度的加热温度传感器、根据由所述加热温度传感器检测的温度来控制所述发热电阻器的加热温度的驱动电路、以及与所述发热电阻器电连接的布线部； 在所述发热电阻器与所述布线部的连接部设有颈缩部； 所述加热温度传感器沿着所述颈缩部配置，并设置为包围在所述发热电阻器的周围。
7.根据权利要求6记载的热式流量计，其特征在于， 所述颈缩部是由所述发热电阻器和所述布线部形成的凹部，所述加热温度传感器沿着所述凹部进行配置。
8.根据权利要求1或6记载的热式流量计，其特征在于， 相对于所述发热电阻器在所述被计测流体的流动的上游侧配置第I热敏电阻器和第2热敏电阻器，相对于所述发热电阻器在所述被计测流体的流动的下游侧、所述发热电阻器的右侧配置第3热敏电阻器和第4热敏电阻器，根据与所述第I至第4热敏电阻器的温度差对应的电阻变化测定被计测流体的流量。
9.根据权利要求1或6记载的热式流量计，其特征在于， 在所述发热电阻器的上表面形成电绝缘膜，在所述电绝缘膜的表面形成所述加热温度传感器。
10.根据权利要求1或6记载的热式流量计，其特征在于， 设置将所述加热温度传感器电气性地取出到所述空腔部之外的布线部，位于所述布线部的空腔部上的布线宽形成得比所述加热温度传感器的线宽宽。
11.根据权利要求1或6记载的热式流量计，其特征在于， 所述发热电阻器的图案由具有多个折返部的图案形成， 所述加热温度传感器沿着所述发热电阻器的折返部进行配置。
12.根据权利要求1或6记载的热式流量计，其特征在于， 所述副通路具备在开口部近旁通路面积逐渐变小的颈缩形状部，具备设置所述传感器元件的近旁的副通路的流路成直线的直线部，具备流路在所述颈缩形状部和所述直线部之间弯曲的弯曲部。
全文摘要
本发明的课题在于提供高灵敏度且可靠性提高了的热式流量传感器。本发明的传感器元件(1)具备半导体基板(2)、形成于半导体基板(2)的空腔部(4)、在空腔部(4)上隔着电绝缘膜形成的发热电阻器(5)、检测发热电阻器(5)的加热温度的加热温度传感器(7)、根据由加热温度传感器(7)检测的温度控制发热电阻器(5)的加热温度的驱动电路(22)。并且，加热温度传感器(7)是电阻值根据温度而变化的热敏电阻器，相对于发热电阻器(5)配置于被计测流体的流动的上游侧以及下游侧，且配置于被计测流体的流动的垂直方向的上部侧和下部侧。
文档编号G01F1/692GK103026181SQ201180036158
公开日2013年4月3日 申请日期2011年7月28日 优先权日2010年7月30日
发明者中野洋, 松本昌大, 浅野哲, 半泽惠二 申请人:日立汽车系统株式会社