JP7765655B2 - Flow Sensor - Google Patents
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Description
本開示は、流量センサに関する。 The present disclosure relates to a flow sensor.
従来からヒータを用いて流量を計測する流量センサに関する発明が知られている。たとえば、特許文献1に記載された流量センサの実施例としての流量計測素子は、単結晶シリコン基板の上に電気絶縁層が形成され、その上にヒータ、上流および下流の温度センサ等が形成され、さらにその上に保護層が形成されている。 Inventions related to flow sensors that use heaters to measure flow rate have been known for some time. For example, the flow measurement element of an example flow sensor described in Patent Document 1 has an electrically insulating layer formed on a single-crystal silicon substrate, on which a heater, upstream and downstream temperature sensors, etc. are formed, and on which a protective layer is further formed.
また、単結晶シリコン基板の電気絶縁層等を形成した面と反対側の面に空洞部を形成して電気絶縁層を露出させることで、空洞部が形成された領域にヒータ、上流および下流の温度センサを含む薄膜構造体が形成されている(特許文献1、第0025段落-第0026段落、図1等)。 In addition, by forming a cavity on the surface of the single crystal silicon substrate opposite to the surface on which the electrical insulating layer etc. is formed, and exposing the electrical insulating layer, a thin film structure including a heater and upstream and downstream temperature sensors is formed in the area where the cavity is formed (Patent Document 1, paragraphs 0025-0026, Figure 1, etc.).
空洞部と反対側の薄膜構造体の表面に沿って上流温度センサから下流温度センサへ向かう方向へ空気が流れると、上流温度センサと下流温度センサとの間に配置されたヒータの上で温められた空気が下流温度センサの上へ移動する。その結果、上流温度センサと下流温度センサとの間に温度差が生じてこれらの抵抗値が変化し、ブリッジ回路に発生する電位差が流量に応じた流量信号として検出される(特許文献1、第0030段落-第0034段落、図2、図9等)。 When air flows from the upstream temperature sensor to the downstream temperature sensor along the surface of the thin-film structure opposite the cavity, the air heated by the heater located between the upstream and downstream temperature sensors moves over the downstream temperature sensor. As a result, a temperature difference occurs between the upstream and downstream temperature sensors, causing a change in their resistance values, and the potential difference generated in the bridge circuit is detected as a flow rate signal corresponding to the flow rate (Patent Document 1, paragraphs 0030-0034, Figures 2, 9, etc.).
一方、下記特許文献2に記載された熱式流速・流量センサは、プリント基板などの基板に設けられた細長い支持部の先端の基板部分の表裏に一対のヒータ素子が実装され、そのヒータ素子に隣接して測温素子が実装され、流速検出部を構成している(第0069段落-第0072段落、図1)。 On the other hand, the thermal flow velocity/flow rate sensor described in Patent Document 2 below has a pair of heater elements mounted on the front and back of the substrate portion at the tip of an elongated support portion attached to a substrate such as a printed circuit board, and a temperature measuring element mounted adjacent to the heater elements, forming a flow velocity detection unit (paragraphs 0069-0072, Figure 1).
このような構成の熱式流速・流量センサが流体中に配置されると、その流体の流速に応じてヒータ素子の熱が変化する。この熱は、基板部分の実装箇所の基板を介して測温素子へ伝導し、測温素子による温度の計測値から、熱式流速・流量センサの動作原理に基づいて流速および流量が算出される(特許文献2、第0075段落等)。When a thermal flow velocity/flow rate sensor with this configuration is placed in a fluid, the heat of the heater element changes depending on the flow velocity of the fluid. This heat is conducted to the temperature measuring element via the board where the board portion is mounted, and the flow velocity and flow rate are calculated from the temperature measured by the temperature measuring element based on the operating principle of the thermal flow velocity/flow rate sensor (Patent Document 2, paragraph 0075, etc.).
特許文献2の熱式流速・流量センサは、実施例7として、以下の構成を有している。基板部分の一方の面と他方の面に、測温素子および放熱パターンと、ヒータ素子とが、それぞれ実装されている。さらに、ヒータ素子と、測温素子および放熱パターンとの間が、熱伝導率の高い部材で熱的に接続され、ヒータ素子と放熱パターンとが、スルーホールとヒータ素子用回路パターンとを介して熱的に接続されて伝熱性が向上している(第0119段落、図8)。 The thermal flow velocity/flow rate sensor of Patent Document 2 has the following configuration as Example 7. A temperature measurement element, a heat dissipation pattern, and a heater element are mounted on one side and the other side of the substrate, respectively. Furthermore, the heater element, the temperature measurement element, and the heat dissipation pattern are thermally connected by a material with high thermal conductivity, and the heater element and the heat dissipation pattern are thermally connected via a through-hole and a heater element circuit pattern, improving heat transfer (paragraph 0119, Figure 8).
特許文献1の流量センサのように、単結晶シリコン基板の空洞部に隣接する薄膜構造体にヒータと温度センサが設けられる流量センサでは、被計測気体の脈動発生時における検出精度のさらなる向上が求められている。このような流量センサの検出精度向上には、薄膜構造体の放熱性の向上が求められる。 In flow sensors such as the one described in Patent Document 1, in which a heater and temperature sensor are provided in a thin-film structure adjacent to a cavity in a single-crystal silicon substrate, further improvements in detection accuracy are required when pulsations occur in the gas being measured. To improve the detection accuracy of such flow sensors, improvements in the heat dissipation properties of the thin-film structure are required.
特許文献2の熱式流速・流量センサの実施例7では、放熱パターンを設けることにより、流体への放熱量の差を減少させることができ、流速検出部の検出感度が無指向性となるように、指向特性を改善することができる。また、放熱パターンを設けることにより、ヒータ素子の個数を減らすことが出来るので、放熱にかかる消費電力を低減することができる(特許文献2、第0120段落等)。In Example 7 of the thermal flow velocity/flow rate sensor in Patent Document 2, the provision of a heat dissipation pattern reduces the difference in the amount of heat dissipated into the fluid, improving the directional characteristics so that the detection sensitivity of the flow velocity detection unit is omnidirectional. Furthermore, the provision of a heat dissipation pattern reduces the number of heater elements, thereby reducing the power consumption required for heat dissipation (Patent Document 2, paragraph 0120, etc.).
しかしながら、特許文献2の熱式流速・流量センサは、特許文献1の流量センサとは構成および計測原理が異なる。そのため、特許文献1に記載された流量センサの薄膜構造体に、特許文献2に記載された放熱パターンを適用することはできない。仮に、特許文献1の流量センサに特許文献2の放熱パターンを適用できたとしても、ヒータ素子と放熱パターンとがスルーホールを介して接続されるため、薄膜構造体の放熱性向上は困難である。However, the thermal flow velocity/flow rate sensor of Patent Document 2 has a different configuration and measurement principle from the flow rate sensor of Patent Document 1. Therefore, the heat dissipation pattern described in Patent Document 2 cannot be applied to the thin-film structure of the flow rate sensor described in Patent Document 1. Even if the heat dissipation pattern of Patent Document 2 could be applied to the flow rate sensor of Patent Document 1, it would be difficult to improve the heat dissipation performance of the thin-film structure because the heater element and the heat dissipation pattern are connected via a through-hole.
本開示は、ヒータ素子と測温素子を含み半導体基板の空洞部に隣接して設けられる薄膜構造体の放熱性を向上させることが可能な流量センサを提供する。 The present disclosure provides a flow sensor that can improve the heat dissipation properties of a thin-film structure that includes a heater element and a temperature measuring element and is arranged adjacent to a cavity in a semiconductor substrate.
本開示の一態様は、被計測気体の流量を検出する流量検出部を備えた流量センサであって、前記流量検出部は、空洞部を有する半導体基板と、前記半導体基板の前記空洞部に隣接して設けられた薄膜構造体と、前記薄膜構造体に設けられたヒータ素子および一対の測温素子と、前記薄膜構造体において前記ヒータ素子および前記一対の測温素子と電気的に絶縁させて設けられた金属製の放熱パターンと、を有することを特徴とする流量センサである。 One aspect of the present disclosure is a flow sensor equipped with a flow rate detection unit that detects the flow rate of a gas to be measured, wherein the flow rate detection unit comprises a semiconductor substrate having a cavity, a thin film structure provided adjacent to the cavity of the semiconductor substrate, a heater element and a pair of temperature measuring elements provided in the thin film structure, and a metallic heat dissipation pattern provided in the thin film structure and electrically insulated from the heater element and the pair of temperature measuring elements.
本開示の上記一態様によれば、ヒータ素子と測温素子を含み半導体基板の空洞部に隣接して設けられる薄膜構造体の放熱性を向上させることが可能な流量センサを提供することができる。 According to the above aspect of the present disclosure, a flow sensor can be provided that includes a heater element and a temperature measuring element and that can improve the heat dissipation properties of a thin film structure that is arranged adjacent to a cavity in a semiconductor substrate.
以下、図面を参照して本開示に係る流量センサの実施形態を説明する。 Below, an embodiment of a flow sensor according to the present disclosure is described with reference to the drawings.
図1は、本開示に係る流量センサの実施形態を示す内燃機関の制御システム1の概略図である。内燃機関の制御システム1は、たとえば、内燃機関10と、物理量検出装置100と、スロットルバルブ25と、スロットル角度センサ26と、アイドルエアコントロールバルブ27と、酸素センサ28と、制御装置4とを備えている。 Figure 1 is a schematic diagram of an internal combustion engine control system 1 illustrating an embodiment of a flow sensor according to the present disclosure. The internal combustion engine control system 1 includes, for example, an internal combustion engine 10, a physical quantity detection device 100, a throttle valve 25, a throttle angle sensor 26, an idle air control valve 27, an oxygen sensor 28, and a control device 4.
詳細については後述するが、本実施形態の流量センサ150(図4参照)は、たとえば、内燃機関の制御システム1に使用される物理量検出装置100の一部を構成している。物理量検出装置100は、たとえば、主通路22である吸気ボディの通路壁に設けられた取り付け孔から主通路22の内部に挿入され、主通路22の通路壁に固定された状態で使用される。 Although details will be described later, the flow sensor 150 of this embodiment (see Figure 4) constitutes part of a physical quantity detection device 100 used, for example, in an internal combustion engine control system 1. The physical quantity detection device 100 is inserted into the main passage 22 through a mounting hole provided in the passage wall of the intake body, which is the main passage 22, and is used in a state where it is fixed to the passage wall of the main passage 22.
物理量検出装置100は、エアクリーナ21を通して取り込まれて主通路22を流れる被計測気体2である吸入空気の物理量を検出して制御装置4へ出力する。物理量検出装置100は、主通路22の通路壁から主通路22を流れる被計測気体2の主流れ方向に沿う主通路22の中心線22aへ向けて主通路22の径方向に突出している。すなわち、主通路22における物理量検出装置100の突出方向は、たとえば、主通路22の中心線22aに直交する方向である。The physical quantity detection device 100 detects the physical quantity of intake air, which is the measurement gas 2 taken in through the air cleaner 21 and flowing through the main passage 22, and outputs the detected physical quantity to the control device 4. The physical quantity detection device 100 protrudes radially from the passage wall of the main passage 22 toward the center line 22a of the main passage 22, which is along the main flow direction of the measurement gas 2 flowing through the main passage 22. In other words, the protruding direction of the physical quantity detection device 100 in the main passage 22 is, for example, a direction perpendicular to the center line 22a of the main passage 22.
以下の各図では、図1に示す主通路22における物理量検出装置100の突出方向に平行なX軸、主通路22の中心線22aに平行なY軸、および物理量検出装置100の厚さ方向に平行なZ軸からなる3次元直交座標系を示す。なお、以下の説明では、主通路22の中心線22a(Y軸)に沿って被計測気体2が流れるものとする。 The following figures show a three-dimensional Cartesian coordinate system consisting of an X axis parallel to the protruding direction of the physical quantity detection device 100 in the main passage 22 shown in Figure 1, a Y axis parallel to the center line 22a of the main passage 22, and a Z axis parallel to the thickness direction of the physical quantity detection device 100. In the following explanation, it is assumed that the measurement gas 2 flows along the center line 22a (Y axis) of the main passage 22.
スロットルバルブ25は、たとえば、被計測気体2の流れ方向において、吸気マニホールド24の上流側に配置されたスロットルボディ23に内蔵されている。制御装置4は、たとえば、アクセルペダルの操作量に基づいてスロットルバルブ25の開度を変化させ、内燃機関10のシリンダ11内の燃焼室へ流入する被計測気体2としての吸入空気の流量を制御する。スロットル角度センサ26は、スロットルバルブ25の開度を計測して制御装置4へ出力する。アイドルエアコントロールバルブ27は、スロットルバルブ25をバイパスする空気量を制御する。 The throttle valve 25 is built into a throttle body 23, which is located upstream of the intake manifold 24 in the flow direction of the measurement gas 2. The control device 4 changes the opening of the throttle valve 25 based on, for example, the amount of accelerator pedal operation, to control the flow rate of intake air, serving as the measurement gas 2, flowing into the combustion chamber in the cylinder 11 of the internal combustion engine 10. The throttle angle sensor 26 measures the opening of the throttle valve 25 and outputs the result to the control device 4. The idle air control valve 27 controls the amount of air bypassing the throttle valve 25.
内燃機関10は、たとえば、シリンダ11と、ピストン12と、点火プラグ13と、燃料噴射弁14と、吸気弁15と、排気弁16と、回転角度センサ17と、を備えている。内燃機関10のピストン12の動作に基づいてエアクリーナ21を通して取り込まれた吸入空気は、主通路22を流れ、スロットルボディ23においてスロットルバルブ25により流量が制御される。スロットルボディ23を通過した吸入空気は、吸気マニホールド24を通過し、さらに吸気ポートに設けられた燃料噴射弁14を通過して、吸気弁15を介してシリンダ11内の燃焼室へ流入する。 The internal combustion engine 10 includes, for example, a cylinder 11, a piston 12, a spark plug 13, a fuel injection valve 14, an intake valve 15, an exhaust valve 16, and a rotation angle sensor 17. Intake air is taken in through an air cleaner 21 based on the movement of the piston 12 of the internal combustion engine 10, flows through a main passage 22, and the flow rate is controlled by a throttle valve 25 in a throttle body 23. After passing through the throttle body 23, the intake air passes through an intake manifold 24, then passes through a fuel injection valve 14 provided in the intake port, and flows into the combustion chamber in the cylinder 11 via the intake valve 15.
制御装置4は、物理量検出装置100から入力された被計測気体2としての吸入空気の物理量に基づいて燃料噴射弁14を制御して、吸入空気へ燃料を噴射させる。これにより、吸気マニホールド24を通過した吸入空気は、燃料噴射弁14から噴射された燃料と混合され、混合気の状態で燃焼室へ導かれる。制御装置4は、点火プラグ13の火花着火により燃焼室内の混合気を爆発的に燃焼させ、内燃機関10に機械エネルギを発生させる。 The control device 4 controls the fuel injection valve 14 based on the physical quantity of the intake air (measured gas 2) input from the physical quantity detection device 100 to inject fuel into the intake air. As a result, the intake air passing through the intake manifold 24 is mixed with the fuel injected from the fuel injection valve 14 and is led to the combustion chamber as an air-fuel mixture. The control device 4 explosively combusts the air-fuel mixture in the combustion chamber by spark ignition from the spark plug 13, causing the internal combustion engine 10 to generate mechanical energy.
回転角度センサ17は、ピストン12、吸気弁15、および排気弁16の位置や状態、さらに内燃機関10の回転速度に関する情報を検出して制御装置4へ出力する。燃焼により発生したガスは、シリンダ11の燃焼室から排気弁16を介して排気管へ排出され、排気ガス3として排気管から車外へ排出される。酸素センサ28は、排気管に設けられ、排気管を流れる排気ガス3の酸素濃度を計測して制御装置4へ出力する。 The rotational angle sensor 17 detects information related to the position and state of the piston 12, intake valve 15, and exhaust valve 16, as well as the rotational speed of the internal combustion engine 10, and outputs this information to the control device 4. Gas generated by combustion is discharged from the combustion chamber of the cylinder 11 through the exhaust valve 16 into the exhaust pipe, and is then discharged outside the vehicle from the exhaust pipe as exhaust gas 3. The oxygen sensor 28 is installed in the exhaust pipe and measures the oxygen concentration of the exhaust gas 3 flowing through the exhaust pipe, and outputs this information to the control device 4.
制御装置4は、物理量検出装置100によって検出された主通路22を流れる被計測気体2としての吸入空気の物理量、たとえば、流量、温度、湿度、圧力などに基づいて、内燃機関の制御システム1の各部を制御する。具体的には、制御装置4がアクセルペダルの操作量に基づいてスロットルバルブ25の開度を制御すると、主通路22を流れる被計測気体2としての吸入空気の流量が変化する。制御装置4は、たとえば、物理量検出装置100によって検出された被計測気体2の流量に基づいて、燃料噴射弁14から噴射する燃料の供給量を制御する。これにより、内燃機関10が発生する機械エネルギが制御される。The control device 4 controls each part of the internal combustion engine control system 1 based on the physical quantities, such as flow rate, temperature, humidity, and pressure, of the intake air serving as the measured gas 2 flowing through the main passage 22, detected by the physical quantity detection device 100. Specifically, when the control device 4 controls the opening of the throttle valve 25 based on the amount of accelerator pedal operation, the flow rate of the intake air serving as the measured gas 2 flowing through the main passage 22 changes. The control device 4 controls the amount of fuel injected from the fuel injection valve 14, for example, based on the flow rate of the measured gas 2 detected by the physical quantity detection device 100. This controls the mechanical energy generated by the internal combustion engine 10.
制御装置4は、物理量検出装置100の出力である吸入空気の物理量と、回転角度センサ17の出力に基づいて計測された内燃機関10の回転速度とに基づいて、燃料噴射量や点火時期を演算する。これらの演算結果に基づいて、制御装置4は、燃料噴射弁14による燃料噴射量や、点火プラグ13の点火時期を制御する。制御装置4は、実際には、さらに被計測気体2の温度、スロットルバルブ25の開度の変化状態、内燃機関10の回転速度の変化状態、排気ガス3の空燃比の状態に基づいて、燃料供給量や点火時期をきめ細かく制御している。 The control device 4 calculates the fuel injection amount and ignition timing based on the physical quantity of the intake air, which is the output of the physical quantity detection device 100, and the rotational speed of the internal combustion engine 10, which is measured based on the output of the rotational angle sensor 17. Based on the results of these calculations, the control device 4 controls the fuel injection amount by the fuel injection valve 14 and the ignition timing of the spark plug 13. In reality, the control device 4 also finely controls the fuel supply amount and ignition timing based on the temperature of the measured gas 2, changes in the opening of the throttle valve 25, changes in the rotational speed of the internal combustion engine 10, and the air-fuel ratio of the exhaust gas 3.
制御装置4は、さらに内燃機関10のアイドル運転状態において、スロットルバルブ25をバイパスする空気量をアイドルエアコントロールバルブ27により制御し、アイドル運転状態での内燃機関10の回転速度を制御する。内燃機関10の主要な制御量である燃料供給量や点火時期は、いずれも物理量検出装置100の出力を主パラメータとして演算される。したがって、物理量検出装置100の測定精度の向上や、経時変化の抑制、信頼性の向上が、車両の制御精度の向上や信頼性の確保に関して重要である。 The control device 4 further controls the amount of air bypassing the throttle valve 25 using the idle air control valve 27 when the internal combustion engine 10 is idling, thereby controlling the rotational speed of the internal combustion engine 10 when idling. The main control variables of the internal combustion engine 10, namely the amount of fuel supplied and ignition timing, are both calculated using the output of the physical quantity detection device 100 as a primary parameter. Therefore, improving the measurement accuracy of the physical quantity detection device 100, suppressing changes over time, and improving reliability are important for improving vehicle control accuracy and ensuring reliability.
特に近年、車両の省燃費に関する要望が非常に高く、また排気ガス浄化に関する要望が非常に高い。これらの要望に応えるには、物理量検出装置100により検出される吸入空気の物理量の検出精度の向上が極めて重要である。また、物理量検出装置100が高い信頼性を維持していることも大切である。物理量検出装置100が搭載される車両は、温度や湿度の変化が大きい環境で使用される。物理量検出装置100は、その使用環境における温度や湿度の変化への対応や、塵埃や汚染物質などへの対応も、考慮されていることが望ましい。 In recent years, in particular, there has been a very strong demand for fuel efficiency in vehicles, as well as for exhaust gas purification. To meet these demands, it is extremely important to improve the detection accuracy of the physical quantities of intake air detected by the physical quantity detection device 100. It is also important that the physical quantity detection device 100 maintains high reliability. Vehicles equipped with the physical quantity detection device 100 are used in environments with large changes in temperature and humidity. It is desirable that the physical quantity detection device 100 be able to respond to changes in temperature and humidity in its usage environment, as well as to dust, pollutants, etc.
また、物理量検出装置100は、内燃機関10からの発熱の影響を受ける吸気管に装着される。このため、内燃機関10の発熱が吸気管を介して物理量検出装置100に伝わる。物理量検出装置100は、被計測気体2と熱伝達を行うことにより被計測気体2の流量を検出するので、外部からの熱の影響をできるだけ抑制することが重要である。 The physical quantity detection device 100 is mounted in an intake pipe that is affected by heat generated by the internal combustion engine 10. Therefore, the heat generated by the internal combustion engine 10 is transmitted to the physical quantity detection device 100 via the intake pipe. Because the physical quantity detection device 100 detects the flow rate of the measured gas 2 by transferring heat with the measured gas 2, it is important to minimize the influence of external heat.
以下、図2から図7を参照して、本実施形態の物理量検出装置100について、より詳細に説明する。図2から図4は、それぞれ、図1の内燃機関の制御システム1に用いられる物理量検出装置100の正面図、右側面図、および、カバー120を取り外した状態の背面図である。物理量検出装置100は、たとえば、ハウジング110とカバー120とを備えている。 The physical quantity detection device 100 of this embodiment will be described in more detail below with reference to Figures 2 to 7. Figures 2 to 4 are a front view, a right side view, and a rear view with the cover 120 removed of the physical quantity detection device 100 used in the internal combustion engine control system 1 of Figure 1, respectively. The physical quantity detection device 100 includes, for example, a housing 110 and a cover 120.
ハウジング110は、たとえば、合成樹脂材料を射出成型することによって製造される。カバー120は、たとえば、金属や合成樹脂を素材とする板状の部材である。カバー120は、たとえば、合成樹脂材料の成形品を使用することができる。ハウジング110とカバー120は、主通路22内に配置される物理量検出装置100の筐体を構成する。ハウジング110は、たとえば、フランジ111と、コネクタ112と、計測部113とを有している。 The housing 110 is manufactured, for example, by injection molding a synthetic resin material. The cover 120 is a plate-shaped member made, for example, of metal or synthetic resin. The cover 120 can be, for example, a molded product made of synthetic resin material. The housing 110 and the cover 120 form the housing of the physical quantity detection device 100, which is placed in the main passage 22. The housing 110 has, for example, a flange 111, a connector 112, and a measuring unit 113.
フランジ111は、物理量検出装置100を突出方向(X軸方向)に見た平面視で、おおむね矩形の板状の形状を有し、対角線上の角部に一対の固定部111aを有している。固定部111aは、中央部にフランジ111を貫通して、固定ねじを挿通させる円筒状の貫通孔を有している。物理量検出装置100を主通路22に固定するには、主通路22に設けられた取り付け孔に計測部113を挿入する。そして、フランジ111の貫通孔に挿通させた固定ねじを主通路22のねじ穴にねじ込んで締結し、フランジ111を主通路22の通路壁に固定する。これにより、物理量検出装置100が吸気ボディである主通路22に固定され、ハウジング110が主通路22に設定される。 When viewed from above in the direction of protrusion (X-axis direction) of the physical quantity detection device 100, the flange 111 has a generally rectangular plate-like shape, with a pair of fixing portions 111a at diagonally opposite corners. The fixing portion 111a has a cylindrical through-hole in the center that passes through the flange 111 and allows a fixing screw to be inserted. To fix the physical quantity detection device 100 to the main passage 22, the measuring unit 113 is inserted into an attachment hole provided in the main passage 22. Then, the fixing screw inserted into the through-hole of the flange 111 is threaded into the threaded hole in the main passage 22 to fasten the flange 111 to the passage wall of the main passage 22. This fixes the physical quantity detection device 100 to the main passage 22, which is the intake body, and the housing 110 is set in the main passage 22.
コネクタ112は、フランジ111から突出し、吸気ボディである主通路22の外部に配置され、外部機器に接続される。図3に示すように、コネクタ112の内部には、複数の外部端子112aと補正用端子112bが設けられている。外部端子112aは、たとえば、物理量検出装置100の計測結果である流量や温度などの物理量の出力端子と、物理量検出装置100を動作させる直流電力を供給するための電源端子とを含む。The connector 112 protrudes from the flange 111, is positioned outside the main passage 22, which is the intake body, and is connected to external equipment. As shown in Figure 3, multiple external terminals 112a and correction terminals 112b are provided inside the connector 112. The external terminals 112a include, for example, output terminals for physical quantities such as flow rate and temperature, which are the measurement results of the physical quantity detection device 100, and power supply terminals for supplying DC power to operate the physical quantity detection device 100.
補正用端子112bは、物理量検出装置100の製造後に物理量の計測を行い、それぞれの物理量検出装置100に対する補正値を求め、物理量検出装置100の内部のメモリに補正値を記憶するのに使用する。その後の物理量検出装置100による物理量の計測では、上記メモリに記憶された補正値に基づく補正データが使用され、補正用端子112bは使用されない。 The correction terminal 112b is used to measure physical quantities after the physical quantity detection device 100 is manufactured, to determine correction values for each physical quantity detection device 100, and to store the correction values in the internal memory of the physical quantity detection device 100. When the physical quantity detection device 100 subsequently measures a physical quantity, correction data based on the correction values stored in the memory is used, and the correction terminal 112b is not used.
計測部113は、主通路22の通路壁に固定されるフランジ111から主通路22の中心線22aに向けて、中心線22aに直交する主通路22の径方向に突出するように延びている。計測部113は、おおむね直方体形状の扁平な角形の形状を有している。計測部113は、主通路22における計測部113の突出方向(X軸方向)に長さを有し、主通路22における被計測気体2の主流れ方向(Y軸方向)に幅を有している。また、計測部113は、突出方向(X軸方向)および被計測気体2の主流れ方向(Y軸方向)に直交する方向(Z軸方向)に厚さを有している。このように、計測部113が被計測気体2の主流れ方向に沿う扁平な形状を有することで、被計測気体2に対する流体抵抗を低減することができる。 The measuring section 113 extends from the flange 111 fixed to the passage wall of the main passage 22 toward the center line 22a of the main passage 22 so as to protrude in the radial direction of the main passage 22 perpendicular to the center line 22a. The measuring section 113 has a generally rectangular, flattened, angular shape. The measuring section 113 has a length in the protruding direction (X-axis direction) of the main passage 22 and a width in the main flow direction (Y-axis direction) of the measurement target gas 2 in the main passage 22. The measuring section 113 also has a thickness in the direction (Z-axis direction) perpendicular to the protruding direction (X-axis direction) and the main flow direction (Y-axis direction) of the measurement target gas 2. As such, the measuring section 113 has a flat shape along the main flow direction of the measurement target gas 2, thereby reducing the fluid resistance to the measurement target gas 2.
計測部113は、正面113a、背面113b、上流側の側面113c、下流側の側面113d、および下面113eを有している。正面113aと背面113bは、計測部113の他の面よりも面積が大きく、計測部113の突出方向(X軸方向)および主通路22の中心線22a(Y軸方向)におおむね平行である。上流側の側面113cと下流側の側面113dは、正面113aと背面113bよりも面積が小さい細長い形状を有し、主通路22の中心線22a(Y軸方向)におおむね直交している。下面113eは、計測部113の他の面よりも面積が小さく、主通路22の中心線22a(Y軸方向)におおむね平行で計測部113の突出方向(X軸方向)におおむね直交している。 The measurement section 113 has a front surface 113a, a back surface 113b, an upstream side surface 113c, a downstream side surface 113d, and a bottom surface 113e. The front surface 113a and the back surface 113b have larger areas than the other surfaces of the measurement section 113 and are generally parallel to the protruding direction of the measurement section 113 (X-axis direction) and the center line 22a of the main passage 22 (Y-axis direction). The upstream side surface 113c and the downstream side surface 113d have elongated shapes with smaller areas than the front surface 113a and the back surface 113b and are generally perpendicular to the center line 22a of the main passage 22 (Y-axis direction). The bottom surface 113e has a smaller area than the other surfaces of the measurement section 113 and is generally parallel to the center line 22a of the main passage 22 (Y-axis direction) and generally perpendicular to the protruding direction of the measurement section 113 (X-axis direction).
計測部113は、上流側の側面113cに副通路入口114を有し、下流側の側面113dに第1出口115および第2出口116を有している。副通路入口114、第1出口115、および、第2出口116は、計測部113の突出方向(X軸方向)における中央よりも先端側の計測部113の先端部に設けられている。これにより、主通路22の内壁面から離れた主通路22の中央部付近の被計測気体2を副通路入口114から取り込むことができる。そのため、物理量検出装置100は、内燃機関10の熱の影響による計測精度の低下を抑制できる。 The measuring unit 113 has a bypass passage inlet 114 on its upstream side surface 113c, and a first outlet 115 and a second outlet 116 on its downstream side surface 113d. The bypass passage inlet 114, first outlet 115, and second outlet 116 are located at the tip of the measuring unit 113, closer to the tip than the center in the protruding direction (X-axis direction) of the measuring unit 113. This allows the measured gas 2 near the center of the main passage 22, away from the inner wall surface of the main passage 22, to be taken in through the bypass passage inlet 114. Therefore, the physical quantity detection device 100 can suppress a decrease in measurement accuracy due to the influence of heat from the internal combustion engine 10.
ハウジング110は、図4に示すように、計測部113の背面113b側に、凹状の副通路溝117と、凹状の回路室118とを有している。回路室118は、回路基板140を収容している。副通路溝117は、開口部がカバー120によって閉鎖されることで、カバー120とともに副通路130を形成する。副通路130は、主通路22を流れる被計測気体2の一部を取り込んで迂回させる。主通路22を流れる被計測気体2の一部は、たとえば、計測部113の上流側の側面113cに開口する副通路入口114から副通路130に取り込まれる。 As shown in FIG. 4, the housing 110 has a concave bypass passage groove 117 and a concave circuit chamber 118 on the rear surface 113b side of the measuring unit 113. The circuit chamber 118 houses a circuit board 140. The opening of the bypass passage groove 117 is closed by the cover 120, thereby forming a bypass passage 130 together with the cover 120. The bypass passage 130 takes in and bypasses a portion of the measurement target gas 2 flowing through the main passage 22. The portion of the measurement target gas 2 flowing through the main passage 22 is taken into the bypass passage 130 from, for example, a bypass passage inlet 114 that opens into the upstream side surface 113c of the measuring unit 113.
副通路溝117は、たとえば、第1副通路溝117aと、第2副通路溝117bとを有している。第1副通路溝117aは、計測部113の上流側の側面113cに開口する副通路入口114から、計測部113の下流側の側面113dに開口する第1出口115まで、主通路22の中心線22a(Y軸方向)に沿って延びている。第1副通路溝117aは、たとえば、図3に示すように、カバー120との間に第1副通路131を形成する。第1副通路131は、副通路入口114から取り込んだ被計測気体2を、第1出口115から主通路22へ戻す。 The bypass passage groove 117 includes, for example, a first bypass passage groove 117a and a second bypass passage groove 117b. The first bypass passage groove 117a extends along the center line 22a (Y-axis direction) of the main passage 22 from a bypass passage inlet 114 opening on the upstream side surface 113c of the measuring section 113 to a first outlet 115 opening on the downstream side surface 113d of the measuring section 113. As shown in FIG. 3, for example, the first bypass passage groove 117a forms a first bypass passage 131 between itself and the cover 120. The first bypass passage 131 returns the measurement gas 2 taken in through the bypass passage inlet 114 to the main passage 22 through the first outlet 115.
第2副通路溝117bは、図4に示すように、第1副通路溝117aの途中から分岐して、計測部113の突出方向(X軸方向)に沿ってフランジ111へ向けて延びている。さらに、第2副通路溝117bは、反対方向へ折り返すようにU字状にカーブして計測部113の突出方向(X軸方向)に沿って計測部113の先端部へ向けて延びている。 As shown in Figure 4, the second bypass passage groove 117b branches off midway from the first bypass passage groove 117a and extends toward the flange 111 along the protruding direction (X-axis direction) of the measurement section 113. Furthermore, the second bypass passage groove 117b curves in a U-shape, folding back in the opposite direction, and extends toward the tip of the measurement section 113 along the protruding direction (X-axis direction) of the measurement section 113.
第2副通路溝117bは、計測部113の先端部で主通路22の中心線22a(Y軸方向)に沿う方向へカーブして、計測部113の下流側の側面113dに開口する第2出口116に接続されている。第2副通路溝117bは、たとえば、図3に示すように、開口部がカバー120によって閉鎖されることで、カバー120との間に第2副通路132を形成する。副通路130は、第1副通路131と第2副通路132とを含む。 The second bypass passage groove 117b curves in a direction along the center line 22a (Y-axis direction) of the main passage 22 at the tip of the measuring section 113 and is connected to a second outlet 116 that opens into the downstream side surface 113d of the measuring section 113. For example, as shown in FIG. 3, the opening of the second bypass passage groove 117b is closed by the cover 120 to form a second bypass passage 132 between the cover 120 and the second bypass passage 132. The bypass passage 130 includes a first bypass passage 131 and a second bypass passage 132.
回路室118は、ハウジング110の計測部113の背面113b側で、フランジ111に接続された計測部113の基端側に凹状に設けられ、回路基板140を収容している。回路室118は、副通路溝117の第1副通路溝117aよりも計測部113の基端側で、主通路22を流れる被計測気体2の主流れ方向(Y軸方向)における第2副通路溝117bの上流側に隣接して設けられている。 The circuit chamber 118 is recessed on the rear surface 113b side of the measuring section 113 of the housing 110, on the base end side of the measuring section 113 connected to the flange 111, and houses the circuit board 140. The circuit chamber 118 is located closer to the base end of the measuring section 113 than the first bypass passage groove 117a of the bypass passage groove 117, and adjacent to the upstream side of the second bypass passage groove 117b in the main flow direction (Y-axis direction) of the measurement target gas 2 flowing through the main passage 22.
図5は、図4の物理量検出装置100の回路基板140の正面図である。回路基板140には、たとえば、流量センサ150と、温度センサ160と、圧力センサ170と、湿度センサ180とが実装されている。 Figure 5 is a front view of the circuit board 140 of the physical quantity detection device 100 of Figure 4. The circuit board 140 is mounted with, for example, a flow sensor 150, a temperature sensor 160, a pressure sensor 170, and a humidity sensor 180.
温度センサ160は、たとえば、たとえば、回路基板140に実装されたチップ型の温度センサである。温度センサ160は、たとえば、図5に示すように、計測部113の突出方向(X軸方向)において計測部113の先端へ向けて延びる回路基板140の延出部140cの先端部に配置されている。温度センサ160は、図2および図4に示す計測部113の温度計測通路190に配置され、主通路22から温度計測通路190に取り込まれた被計測気体2の温度を測定する。 The temperature sensor 160 is, for example, a chip-type temperature sensor mounted on the circuit board 140. For example, as shown in FIG. 5, the temperature sensor 160 is disposed at the tip of the extension portion 140c of the circuit board 140, which extends toward the tip of the measurement portion 113 in the protruding direction (X-axis direction) of the measurement portion 113. The temperature sensor 160 is disposed in the temperature measurement passage 190 of the measurement portion 113 shown in FIGS. 2 and 4, and measures the temperature of the measurement gas 2 taken into the temperature measurement passage 190 from the main passage 22.
圧力センサ170は、たとえば、図4および図5に示すように、回路基板140の表面に実装されて回路室118内に配置されている。回路室118は、フランジ111の近傍でU字状にカーブする第2副通路溝117bの折り返し部、すなわち第2副通路132の折り返し部に連通している。これにより、副通路130に取り込まれた被計測気体2の圧力を、回路室118に配置された圧力センサ170によって測定することが可能になる。 As shown in Figures 4 and 5, the pressure sensor 170 is mounted on the surface of the circuit board 140 and disposed within the circuit chamber 118. The circuit chamber 118 is connected to the folded portion of the second bypass passage groove 117b, which curves in a U-shape near the flange 111, i.e., the folded portion of the second bypass passage 132. This makes it possible to measure the pressure of the measurement gas 2 taken into the bypass passage 130 by the pressure sensor 170 disposed in the circuit chamber 118.
湿度センサ180は、たとえば、図4および図5に示すように、回路基板140の表面に実装され、回路室118よりも計測部113の先端側の区画された領域に配置されている。この区画された領域は、たとえば、副通路130の第2副通路132に連通している。これにより、湿度センサ180は、副通路130に取り込まれた被計測気体2の湿度を検出する。 As shown in Figures 4 and 5, the humidity sensor 180 is mounted on the surface of the circuit board 140 and is disposed in a partitioned area closer to the tip of the measuring unit 113 than the circuit chamber 118. This partitioned area is connected to, for example, the second sub-passage 132 of the sub-passage 130. This allows the humidity sensor 180 to detect the humidity of the measurement gas 2 taken into the sub-passage 130.
図6は、図5のVI-VI線に沿う回路基板140と流量センサ150の断面図である。流量センサ150は、たとえば、回路基板140の表面に実装されるチップパッケージである。流量センサ150は、第1樹脂部150aと、第2樹脂部150bと、を有している。 Figure 6 is a cross-sectional view of the circuit board 140 and the flow sensor 150 taken along line VI-VI in Figure 5. The flow sensor 150 is, for example, a chip package mounted on the surface of the circuit board 140. The flow sensor 150 has a first resin part 150a and a second resin part 150b.
第1樹脂部150aおよび第2樹脂部150bは、たとえば、熱硬化性樹脂のトランスファーモールドによって一体に成形された樹脂封止部である。図4に示すように、第1樹脂部150aは、ハウジング110に副通路を形成する第2副通路溝117bに配置され、第2樹脂部150bは、ハウジング110の回路室118に配置される。The first resin part 150a and the second resin part 150b are resin-sealed parts molded integrally, for example, by transfer molding using a thermosetting resin. As shown in FIG. 4, the first resin part 150a is disposed in the second bypass passage groove 117b that forms a bypass passage in the housing 110, and the second resin part 150b is disposed in the circuit chamber 118 of the housing 110.
流量センサ150は、図6に示すように、流量検出部151を有している。流量検出部151は、第1樹脂部150aに設けられ、副通路130を流れる被計測気体2の流量を検出する。流量センサ150は、たとえば、熱式流量センサであり、流量検出部151は、空洞部151bを有する半導体基板151aと、その半導体基板151aの空洞部151bに隣接して設けられた薄膜構造体151dと、を有している。 As shown in Figure 6, the flow sensor 150 has a flow rate detection portion 151. The flow rate detection portion 151 is provided in the first resin portion 150a and detects the flow rate of the measurement gas 2 flowing through the secondary passage 130. The flow rate sensor 150 is, for example, a thermal flow rate sensor, and the flow rate detection portion 151 has a semiconductor substrate 151a having a cavity 151b and a thin film structure 151d provided adjacent to the cavity 151b of the semiconductor substrate 151a.
半導体基板151aは、たとえば、単結晶シリコン基板である。空洞部151bおよび薄膜構造体151dは、たとえば、半導体製造技術によって次のように製作することができる。まず、単結晶シリコン基板の上に、電気絶縁層としての二酸化シリコン層を熱酸化または化学蒸着(CVD)等によって形成する。さらにその上にCVD等によって多結晶シリコン層を形成し、さらにリン(P)などの不純物をドーピングして所望の抵抗値の多結晶シリコン層を得る。 Semiconductor substrate 151a is, for example, a single-crystal silicon substrate. Cavity 151b and thin-film structure 151d can be fabricated, for example, using semiconductor manufacturing techniques as follows: First, a silicon dioxide layer is formed as an electrically insulating layer on the single-crystal silicon substrate by thermal oxidation, chemical vapor deposition (CVD), or similar techniques. A polycrystalline silicon layer is then formed on top of this by CVD or similar techniques, and an impurity such as phosphorus (P) is then doped into the polycrystalline silicon layer to obtain the desired resistance value.
その後、半導体基板151aの表面に形成された電気絶縁層の上の多結晶シリコン層をパターニングする。これにより、後述するヒータ素子および一対の測温素子、これらの素子にそれぞれ接続されるヒータ配線および測温配線、ヒータ測温素子、ならびに、基準温度測温素子および一対の抵抗素子などを、電気絶縁層の上に形成することができる。 Then, the polycrystalline silicon layer on the electrical insulating layer formed on the surface of the semiconductor substrate 151a is patterned. This allows the heater element and pair of temperature measuring elements, the heater wiring and temperature measuring wiring respectively connected to these elements, the heater temperature measuring element, the reference temperature measuring element and pair of resistance elements, etc., to be formed on the electrical insulating layer.
なお、上記の素子や配線は、たとえば、電気絶縁層の上に白金(Pt)やモリブデン(Mo)等の金属層をCVD等によって形成してパターニングすることで製作してもよい。次に、上述の素子や配線が形成された電気絶縁層の上に、保護層としての窒化シリコン層や二酸化シリコン層をCVD等によって形成する。その後、保護層をパターニングして、電極パッドを形成する部分の保護層を取り除く。 The above elements and wiring may also be fabricated by forming a metal layer such as platinum (Pt) or molybdenum (Mo) on an electrical insulating layer using CVD or other methods and then patterning it. Next, a silicon nitride layer or silicon dioxide layer is formed as a protective layer using CVD or other methods on the electrical insulating layer on which the above elements and wiring are formed. The protective layer is then patterned and removed from the areas where the electrode pads will be formed.
次に、CVD等によって金属層を形成してパターンニングすることで、電極パッドや、後述する放熱パターンなどを形成する。そして、半導体基板151aに空洞部151bを形成するために、半導体基板151aの電気絶縁層や素子などを形成していない面にCVD等によりマスクとなる窒化シリコン層を形成してパターニングする。その後、異方性エッチングによって半導体基板151aに空洞部151bを形成する。Next, a metal layer is formed by CVD or the like and patterned to form electrode pads and heat dissipation patterns, which will be described later. Then, to form cavity 151b in semiconductor substrate 151a, a silicon nitride layer that serves as a mask is formed by CVD or the like on the surface of semiconductor substrate 151a that does not have an electrical insulating layer or elements formed thereon, and then patterned. After that, cavity 151b is formed in semiconductor substrate 151a by anisotropic etching.
このように、半導体基板151aを空洞化することで、半導体基板151aの上に形成された電気絶縁層および保護層の素子や配線を含む領域は、空洞部151bに隣接し、半導体基板151aから熱的に絶縁された薄膜構造体151dとなる。最後に、半導体基板151aをダイシングして複数の流量検出部151に分割する。各々の流量検出部151は、たとえば、長辺が5mm、短辺が2.5mm程度の長方形の板状である。 By hollowing out the semiconductor substrate 151a in this way, the region containing the elements and wiring of the electrical insulating layer and protective layer formed on the semiconductor substrate 151a is adjacent to the cavity 151b and becomes a thin film structure 151d that is thermally insulated from the semiconductor substrate 151a. Finally, the semiconductor substrate 151a is diced into multiple flow rate detection units 151. Each flow rate detection unit 151 is, for example, a rectangular plate with long sides measuring approximately 5 mm and short sides measuring approximately 2.5 mm.
図7は、図6の流量センサ150の流量検出部151の平面図である。図7は、図6に示す回路基板140の厚さ方向(Z軸方向)において、半導体基板151aの薄膜構造体151dを、空洞部151bの反対側から見た平面図である。なお、図7では、半導体基板151aの表面に形成された電気絶縁層151cの上の素子や配線を覆う保護層の図示を省略している。 Figure 7 is a plan view of the flow detection unit 151 of the flow sensor 150 of Figure 6. Figure 7 is a plan view of the thin film structure 151d of the semiconductor substrate 151a, viewed from the opposite side of the cavity 151b in the thickness direction (Z-axis direction) of the circuit board 140 shown in Figure 6. Note that Figure 7 does not show the protective layer that covers the elements and wiring on the electrical insulation layer 151c formed on the surface of the semiconductor substrate 151a.
前述のように、流量検出部151は、空洞部151bを有する半導体基板151aと、その半導体基板151aの空洞部151bに隣接して設けられた薄膜構造体151dと、を有している。また、流量検出部151は、薄膜構造体151dに設けられたヒータ素子151eおよび一対の測温素子151fと、を有している。ヒータ素子151eは、たとえば、被計測気体2の流れ方向(X軸方向)に沿う薄膜構造体151dの長さ方向Dl、および、その長さ方向Dlに直交する薄膜構造体151dの幅方向Dwにおける中央部に設けられている。As described above, the flow rate detection unit 151 includes a semiconductor substrate 151a having a cavity 151b and a thin-film structure 151d provided adjacent to the cavity 151b of the semiconductor substrate 151a. The flow rate detection unit 151 also includes a heater element 151e and a pair of temperature measuring elements 151f provided in the thin-film structure 151d. The heater element 151e is provided, for example, at the center of the length direction Dl of the thin-film structure 151d, which is aligned with the flow direction (X-axis direction) of the measurement target gas 2, and in the width direction Dw of the thin-film structure 151d, which is perpendicular to the length direction Dl.
ヒータ素子151eは、一対のヒータ配線151hに接続されている。ヒータ素子151eは、ヒータ配線151hを介して電力が供給されることで発熱し、薄膜構造体151dに沿って流れる被計測気体2を加熱する。また、ヒータ素子151eが発熱することで、薄膜構造体151dに温度分布が生じる。ヒータ素子151eおよびヒータ配線151hの材料は、たとえば、熱伝導率が約142[W/mK]程度のモリブデン(Mo)である。 The heater element 151e is connected to a pair of heater wires 151h. When power is supplied to the heater element 151e via the heater wires 151h, the heater element 151e generates heat and heats the measurement gas 2 flowing along the thin film structure 151d. Furthermore, the heat generated by the heater element 151e creates a temperature distribution in the thin film structure 151d. The heater element 151e and the heater wires 151h are made of molybdenum (Mo), for example, which has a thermal conductivity of approximately 142 W/mK.
一対の測温素子151fは、被計測気体2の流れ方向(X軸方向)に沿う薄膜構造体151dの長さ方向Dlにおいて、ヒータ素子151eの両側に配置されている。すなわち、薄膜構造体151dの長さ方向Dlにおいて、一対の測温素子151fの間にヒータ素子151eが配置されている。各々のヒータ素子151eは、たとえば、互いに並行して延び、繰り返し屈曲して蛇行する2本の抵抗線を有している。各々の測温素子151fは、各々の抵抗線の一端と他端に、それぞれ、測温配線151iが接続されている。 The pair of temperature measuring elements 151f are arranged on both sides of the heater element 151e in the length direction Dl of the thin film structure 151d along the flow direction (X-axis direction) of the measurement target gas 2. That is, the heater element 151e is arranged between the pair of temperature measuring elements 151f in the length direction Dl of the thin film structure 151d. Each heater element 151e has, for example, two resistance wires that extend parallel to each other and are repeatedly bent and meandering. Each temperature measuring element 151f has a temperature measuring wiring 151i connected to one end and the other end of the resistance wire.
一対の測温素子151fは、被計測気体2の流れ方向(X軸方向)におけるヒータ素子151eの上流側と下流側に生じる温度差を検出する。このヒータ素子151eの上流側と下流側の温度差は、ヒータ素子151eによって加熱された被計測気体2が、薄膜構造体151dの長さ方向Dlに沿って流れることによって生じる。測温素子151fおよび測温配線151iの材料は、たとえば、ヒータ素子151eと同様にモリブデン(Mo)等の金属である。 The pair of temperature measuring elements 151f detects the temperature difference occurring between the upstream and downstream sides of the heater element 151e in the flow direction (X-axis direction) of the measurement target gas 2. This temperature difference between the upstream and downstream sides of the heater element 151e occurs when the measurement target gas 2 heated by the heater element 151e flows along the length direction Dl of the thin film structure 151d. The material of the temperature measuring elements 151f and the temperature measuring wiring 151i is, for example, a metal such as molybdenum (Mo), similar to the heater element 151e.
また、流量検出部151は、薄膜構造体151dにおいて、ヒータ素子151eおよび一対の測温素子151fと電気的に絶縁させて設けられた金属製の放熱パターン151gを有している。より具体的には、本実施形態では、薄膜構造体151dの長さ方向Dlに直交する幅方向Dwにおいて、一対の測温素子151fの両側に、二対の放熱パターン151gが配置されている。 The flow rate detection unit 151 also has a metallic heat dissipation pattern 151g in the thin film structure 151d that is electrically insulated from the heater element 151e and the pair of temperature measuring elements 151f. More specifically, in this embodiment, two pairs of heat dissipation patterns 151g are arranged on both sides of the pair of temperature measuring elements 151f in the width direction Dw, which is perpendicular to the length direction Dl of the thin film structure 151d.
これらの4つの放熱パターン151gは、たとえば、ヒータ素子151e、測温素子151f、ヒータ配線151h、および測温配線151iを含む周囲の素子や配線との間に間隔を有し、これら周囲の素子や配線に対して電気的に絶縁されている。なお、各々の放熱パターン151gは、グランド配線またはグランドパターンに接続されていてもよい。These four heat dissipation patterns 151g are electrically insulated from surrounding elements and wiring, including, for example, heater element 151e, temperature measurement element 151f, heater wiring 151h, and temperature measurement wiring 151i, by providing spacing between them. Each heat dissipation pattern 151g may be connected to a ground wiring or ground pattern.
また、各々の放熱パターン151gは、たとえば、三角形の形状を有し、薄膜構造体151dの幅方向Dwにおける寸法が、薄膜構造体151dの長さ方向Dlにおいてヒータ素子151eから遠ざかるほど減少している。また、放熱パターン151g、ヒータ素子151e、および一対の測温素子151fは、たとえば、モリブデン(Mo)等の同一の金属材料によって形成されている。 Furthermore, each heat dissipation pattern 151g has, for example, a triangular shape, and the dimension in the width direction Dw of the thin film structure 151d decreases as it moves away from the heater element 151e in the length direction Dl of the thin film structure 151d. Furthermore, the heat dissipation pattern 151g, the heater element 151e, and the pair of temperature measuring elements 151f are formed from the same metal material, for example, molybdenum (Mo).
また、流量検出部151は、たとえば、ヒータ測温素子151jと、基準温度測温素子151mと、一対の抵抗素子151nとをさらに有している。ヒータ測温素子151jは、たとえば、薄膜構造体151dにおいて、ヒータ素子151eと一対の測温素子151fと間に設けられ、ヒータ素子151eの温度を検出する。ヒータ測温素子151jは、たとえば、ヒータ素子151eの三方を囲むように屈曲する抵抗線を有し、この抵抗線の一端と他端がそれぞれヒータ測温配線151kに接続されている。 The flow rate detection unit 151 also includes, for example, a heater temperature measuring element 151j, a reference temperature temperature measuring element 151m, and a pair of resistance elements 151n. The heater temperature measuring element 151j is provided, for example, in the thin film structure 151d, between the heater element 151e and the pair of temperature measuring elements 151f, and detects the temperature of the heater element 151e. The heater temperature measuring element 151j includes, for example, a resistance wire bent to surround three sides of the heater element 151e, with one end and the other end of this resistance wire each connected to the heater temperature measuring wiring 151k.
基準温度測温素子151mは、たとえば、薄膜構造体151dの外側で、薄膜構造体151dの近傍の半導体基板151aの上に設けられ、基準温度を測定する。基準温度は、たとえば、空洞部151bに隣接する薄膜構造体151dの外側のヒータ素子151eの影響を受けない半導体基板151aの温度である。基準温度測温素子151mは、ヒータ測温素子151jの一端に接続されたヒータ測温配線151kの途中に設けられ、ヒータ測温配線151kを介してヒータ測温素子151jの一端に直列に接続されている。 The reference temperature measuring element 151m is provided, for example, on the semiconductor substrate 151a near the thin film structure 151d outside the thin film structure 151d and measures a reference temperature. The reference temperature is, for example, the temperature of the semiconductor substrate 151a that is not affected by the heater element 151e outside the thin film structure 151d adjacent to the cavity 151b. The reference temperature measuring element 151m is provided midway along the heater temperature measuring wiring 151k that is connected to one end of the heater temperature measuring element 151j, and is connected in series to one end of the heater temperature measuring element 151j via the heater temperature measuring wiring 151k.
一対の抵抗素子151nは、たとえば、薄膜構造体151dから離隔した半導体基板151aの一側に設けられた複数の電極パッド151pの近傍に設けられ、互いに直列に接続されている。一対の抵抗素子151nの一端は、共通の電極パッド151pに接続され、一対の抵抗素子151nの他端は、それぞれ、異なる電極パッド151pに接続されている。 The pair of resistor elements 151n are provided, for example, near a plurality of electrode pads 151p provided on one side of the semiconductor substrate 151a, spaced apart from the thin-film structure 151d, and are connected in series with each other. One end of the pair of resistor elements 151n is connected to a common electrode pad 151p, and the other ends of the pair of resistor elements 151n are each connected to a different electrode pad 151p.
流量検出部151において、直列に接続されたヒータ測温素子151jおよび基準温度測温素子151mと、直列に接続された一対の抵抗素子151nとが並列に接続され、温度制御用のブリッジ回路を構成している。一対の抵抗素子151nに接続された各々の電極パッド151pは、たとえば、ブリッジ回路の電源またはグランドに接続されている。 In the flow rate detection unit 151, a heater temperature measuring element 151j and a reference temperature measuring element 151m are connected in series, and a pair of resistor elements 151n are connected in parallel to form a bridge circuit for temperature control. Each electrode pad 151p connected to the pair of resistor elements 151n is connected, for example, to the power supply or ground of the bridge circuit.
流量検出部151は、たとえば、図6に示すように、回路基板140と流量センサ150の凹溝150cとの間に形成された計測流路132aを流れる被計測気体2の流量を計測する。計測流路132aは、たとえば、図4に示すように、副通路溝117の第2副通路溝117b内、すなわち、副通路130の第2副通路132内に形成される。6, the flow rate detection unit 151 measures the flow rate of the measurement gas 2 flowing through the measurement flow path 132a formed between the circuit board 140 and the recessed groove 150c of the flow sensor 150. For example, as shown in FIG. 4, the measurement flow path 132a is formed within the second bypass passage groove 117b of the bypass passage groove 117, i.e., within the second bypass passage 132 of the bypass passage 130.
図6に示すように、流量センサ150は、たとえば、電子部品152と、リードフレーム153、とを有している。電子部品152は、流量検出部151とともにリードフレーム153に実装される。電子部品152は、たとえば、LSIであり、ボンディングワイヤを介して流量検出部151に接続され、流量検出部151を駆動させる。流量センサ150は、たとえば、流量検出部151の一対の測温素子151fの温度差を検出することで、被計測気体2の流量を検出する。 As shown in FIG. 6, the flow sensor 150 has, for example, an electronic component 152 and a lead frame 153. The electronic component 152 is mounted on the lead frame 153 together with the flow detection unit 151. The electronic component 152 is, for example, an LSI, and is connected to the flow detection unit 151 via bonding wires to drive the flow detection unit 151. The flow sensor 150 detects the flow rate of the measured gas 2, for example, by detecting the temperature difference between a pair of temperature measuring elements 151f of the flow detection unit 151.
以下、本実施形態の流量センサ150の作用を説明する。 The function of the flow sensor 150 of this embodiment is described below.
前述のように、本実施形態の流量センサ150は、被計測気体2の流量を検出する流量検出部151を備えている。流量検出部151は、空洞部151bを有する半導体基板151aと、その半導体基板151aの空洞部151bに隣接して設けられた薄膜構造体151dと、その薄膜構造体151dに設けられたヒータ素子151eおよび一対の測温素子151fと、を有している。さらに、流量検出部151は、薄膜構造体151dにおいてヒータ素子151eおよび一対の測温素子151fと電気的に絶縁させて設けられた金属製の放熱パターン151gを有している。As described above, the flow sensor 150 of this embodiment includes a flow rate detection unit 151 that detects the flow rate of the measurement gas 2. The flow rate detection unit 151 includes a semiconductor substrate 151a having a cavity 151b, a thin-film structure 151d provided adjacent to the cavity 151b of the semiconductor substrate 151a, and a heater element 151e and a pair of temperature measuring elements 151f provided on the thin-film structure 151d. Furthermore, the flow rate detection unit 151 includes a metal heat dissipation pattern 151g provided on the thin-film structure 151d so as to be electrically insulated from the heater element 151e and the pair of temperature measuring elements 151f.
このような構成により、本実施形態の流量センサ150によれば、ヒータ素子151eによって加熱された薄膜構造体151dの熱を、熱抵抗の小さい金属製の放熱パターン151gに伝導させて放熱することができる。ここで、放熱パターン151gは、ヒータ素子151eおよび一対の測温素子151fと電気的に絶縁され、周囲の素子や配線と独立して設けられている。そのため、薄膜構造体151dの放熱性をより向上させることができる。 With this configuration, the flow sensor 150 of this embodiment can dissipate heat from the thin-film structure 151d heated by the heater element 151e by conducting it to the metal heat dissipation pattern 151g, which has low thermal resistance. Here, the heat dissipation pattern 151g is electrically insulated from the heater element 151e and the pair of temperature measuring elements 151f, and is provided independently from the surrounding elements and wiring. This further improves the heat dissipation properties of the thin-film structure 151d.
また、放熱パターン151gのレイアウトの自由度が向上し、放熱パターン151gの面積を広くすることができ、薄膜構造体151dの放熱性をより向上させることができる。また、薄膜構造体151dの放熱性が向上することで、一対の測温素子151fの温度差に基づいて被計測気体2の流量を検出する流量センサ150の流量検出の応答性が向上する。したがって、本実施形態の流量センサ150によれば、被計測気体2の脈動発生時における流量の検出精度を向上させることができる。 In addition, the degree of freedom in the layout of the heat dissipation pattern 151g is improved, allowing the area of the heat dissipation pattern 151g to be increased, further improving the heat dissipation properties of the thin film structure 151d. Furthermore, the improved heat dissipation properties of the thin film structure 151d improve the flow rate detection responsiveness of the flow sensor 150, which detects the flow rate of the measured gas 2 based on the temperature difference between the pair of temperature measuring elements 151f. Therefore, the flow sensor 150 of this embodiment can improve the flow rate detection accuracy when pulsation occurs in the measured gas 2.
また、本実施形態の流量センサ150は、被計測気体2の流れ方向(X軸方向)に沿う薄膜構造体151dの長さ方向Dlにおいて、一対の測温素子151fの間にヒータ素子151eが配置されている。そして、薄膜構造体151dの長さ方向Dlに直交する幅方向Dwにおいて、一対の測温素子151fの両側に二対の放熱パターン151gが配置されている。 In addition, in the flow sensor 150 of this embodiment, a heater element 151e is arranged between a pair of temperature measuring elements 151f in the length direction Dl of the thin film structure 151d along the flow direction (X-axis direction) of the measurement target gas 2. Furthermore, two pairs of heat dissipation patterns 151g are arranged on both sides of the pair of temperature measuring elements 151f in the width direction Dw perpendicular to the length direction Dl of the thin film structure 151d.
このような構成により、本実施形態の流量センサ150によれば、ヒータ素子151eによって加熱される薄膜構造体151dの放熱性をより向上させることができる。より具体的には、被計測気体2の流れ方向におおむね直交する薄膜構造体151dの幅方向Dwにおいて、放熱パターン151gは、各々の測温素子151fの両側に配置され、片側のみに配置される場合と比較して面積が拡大される。With this configuration, the flow sensor 150 of this embodiment can further improve the heat dissipation of the thin film structure 151d heated by the heater element 151e. More specifically, in the width direction Dw of the thin film structure 151d, which is generally perpendicular to the flow direction of the measurement gas 2, the heat dissipation patterns 151g are arranged on both sides of each temperature measuring element 151f, thereby increasing the area compared to when they are arranged on only one side.
そのため、ヒータ素子151eで発生した熱は、薄膜構造体151dの幅方向Dwにおいて、各々の測温素子151fの両側の面積が拡大された放熱パターン151gへ伝導し、さらに薄膜構造体151dの外側の半導体基板151aへ伝導して放熱される。したがって、薄膜構造体151dの放熱性をより向上させることができる。 As a result, heat generated by the heater elements 151e is conducted to the heat dissipation patterns 151g, which have enlarged areas on both sides of each temperature measuring element 151f, in the width direction Dw of the thin film structure 151d, and is then conducted to the semiconductor substrate 151a outside the thin film structure 151d and dissipated. This further improves the heat dissipation properties of the thin film structure 151d.
また、本実施形態の流量センサ150において、薄膜構造体151dの幅方向Dwにおける放熱パターン151gの寸法は、薄膜構造体151dの長さ方向Dlにおいてヒータ素子151eから遠ざかるほど減少している。 In addition, in the flow sensor 150 of this embodiment, the dimensions of the heat dissipation pattern 151g in the width direction Dw of the thin film structure 151d decrease as it moves away from the heater element 151e in the length direction Dl of the thin film structure 151d.
このような構成により、本実施形態の流量センサ150によれば、薄膜構造体151dの長さ方向Dlにヒータ素子151eに近づくほど、放熱パターン151gによる流量検出部151の幅方向Dwへの放熱性を向上させることができる。また、薄膜構造体151dの長さ方向Dlにヒータ素子151eから離れた一対の測温素子151fに対する放熱パターン151gの影響を低減させ、流量センサ150による流量検出の感度低下を抑制することができる。したがって、流量センサ150による流量検出の応答性を向上させつつ、流量検出の感度低下を抑制することができる。 With this configuration, the flow sensor 150 of this embodiment can improve the heat dissipation performance of the heat dissipation pattern 151g in the width direction Dw of the flow detection portion 151 the closer it is to the heater element 151e in the length direction Dl of the thin film structure 151d. Furthermore, the effect of the heat dissipation pattern 151g on a pair of temperature measuring elements 151f that are farther away from the heater element 151e in the length direction Dl of the thin film structure 151d can be reduced, thereby suppressing a decrease in the sensitivity of flow detection by the flow sensor 150. Therefore, the responsiveness of flow detection by the flow sensor 150 can be improved while suppressing a decrease in the sensitivity of flow detection.
また、本実施形態の流量センサ150において、放熱パターン151g、ヒータ素子151e、および一対の測温素子151fは、同一の金属材料によって形成されている。 In addition, in the flow sensor 150 of this embodiment, the heat dissipation pattern 151g, the heater element 151e, and the pair of temperature measuring elements 151f are formed from the same metal material.
このような構成により、本実施形態の流量センサ150によれば、前述の半導体製造技術によって、流量検出部151の放熱パターン151g、ヒータ素子151e、および一対の測温素子151fを同時に製作することができる。したがって、流量センサ150の流量検出部151の構造簡略化および生産性向上を実現することができる。 With this configuration, the flow sensor 150 of this embodiment can simultaneously manufacture the heat dissipation pattern 151g, heater element 151e, and pair of temperature measuring elements 151f of the flow detection unit 151 using the semiconductor manufacturing technology described above. This allows for a simplified structure and improved productivity of the flow detection unit 151 of the flow sensor 150.
また、本実施形態の流量センサ150において、流量検出部151は、ヒータ測温素子151j、基準温度測温素子151m、および一対の抵抗素子151nを含むブリッジ回路を有している。ヒータ測温素子151jは、薄膜構造体151dにおいてヒータ素子151eと一対の測温素子151fと間に設けられる。基準温度測温素子151mおよび一対の抵抗素子151nは、薄膜構造体151dの外側で半導体基板151aの上に設けられる。 In addition, in the flow sensor 150 of this embodiment, the flow detection unit 151 has a bridge circuit including a heater temperature measuring element 151j, a reference temperature temperature measuring element 151m, and a pair of resistor elements 151n. The heater temperature measuring element 151j is provided between the heater element 151e and the pair of temperature measuring elements 151f in the thin film structure 151d. The reference temperature temperature measuring element 151m and the pair of resistor elements 151n are provided on the semiconductor substrate 151a outside the thin film structure 151d.
このような構成により、本実施形態の流量センサ150によれば、ヒータ測温素子151j、基準温度測温素子151m、および一対の抵抗素子151nを含むブリッジ回路によって、ヒータ素子151eの温度制御を行うことができる。 With this configuration, the flow sensor 150 of this embodiment can control the temperature of the heater element 151e using a bridge circuit including a heater temperature measuring element 151j, a reference temperature temperature measuring element 151m, and a pair of resistance elements 151n.
以上説明したように、本実施形態によれば、ヒータ素子151eと測温素子151fを含み半導体基板151aの空洞部151bに隣接して設けられる流量検出部151の放熱性を向上させることが可能な流量センサ150を提供することができる。 As described above, according to this embodiment, a flow sensor 150 can be provided that includes a heater element 151e and a temperature measuring element 151f and is capable of improving the heat dissipation properties of the flow detection unit 151 that is arranged adjacent to the cavity 151b of the semiconductor substrate 151a.
図8は、図7に示す流量センサ150の流量検出部151の変形例を示す平面図である。本変形例に係る流量センサ150の流量検出部151は、薄膜構造体151dの幅方向Dwにおけるヒータ素子151eおよび一対の測温素子151fの片側のみに設けられた放熱パターン151gが薄膜構造体151dの外側まで延びている。本変形例に係る物理量検出装置100の流量検出部151のその他の構成は、図7に示す前述の実施形態に係る流量センサ150の流量検出部151と同様であるので、同様の部分には同一の符号を付して説明を省略する。 Figure 8 is a plan view showing a modified example of the flow rate detection unit 151 of the flow sensor 150 shown in Figure 7. In the flow rate detection unit 151 of the flow sensor 150 according to this modified example, the heater element 151e and the heat dissipation pattern 151g provided on only one side of the pair of temperature measuring elements 151f in the width direction Dw of the thin film structure 151d extend to the outside of the thin film structure 151d. The other configuration of the flow rate detection unit 151 of the physical quantity detection device 100 according to this modified example is the same as that of the flow rate detection unit 151 of the flow sensor 150 according to the previously described embodiment shown in Figure 7, and therefore similar parts are given the same reference numerals and descriptions thereof will be omitted.
本変形例の流量センサ150の流量検出部151において、放熱パターン151gは、薄膜構造体151dのヒータ素子151eの近傍から、薄膜構造体151dの外側の半導体基板151aの上まで延びている。このような構成により、ヒータ素子151eによって加熱された薄膜構造体151dの熱を、放熱パターン151gを介して薄膜構造体151dの外側の半導体基板151aへ放熱することができる。 In the flow detection unit 151 of the flow sensor 150 of this modified example, the heat dissipation pattern 151g extends from near the heater element 151e of the thin film structure 151d to above the semiconductor substrate 151a outside the thin film structure 151d. With this configuration, heat from the thin film structure 151d heated by the heater element 151e can be dissipated to the semiconductor substrate 151a outside the thin film structure 151d via the heat dissipation pattern 151g.
したがって、本変形例に係る流量センサ150においても、前述の実施形態に係る流量センサ150と同様に、薄膜構造体151dの放熱性を向上させることができる。その結果、流量センサ150の流量検出の応答性を向上させ、被計測気体2の脈動発生時における流量の検出精度を向上させることができる。Therefore, in the flow sensor 150 according to this modified example, as in the flow sensor 150 according to the previously described embodiment, the heat dissipation properties of the thin film structure 151d can be improved. As a result, the responsiveness of the flow sensor 150 in detecting the flow rate can be improved, and the accuracy of detecting the flow rate when pulsation occurs in the measurement gas 2 can be improved.
以上、本開示に係る流量センサの実施形態およびその変形例を説明したが、本開示に係る流量センサは上記の実施形態に限定されることはなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。 The above describes embodiments of the flow sensor according to the present disclosure and variations thereof, but the flow sensor according to the present disclosure is not limited to the above embodiments, and additions, omissions, substitutions, and other modifications to the configuration are possible within the scope of the spirit of the present invention.
2 被計測気体
150 流量センサ
151 流量検出部
151a 半導体基板
151b 空洞部
151d 薄膜構造体
151e ヒータ素子
151f 測温素子
151g 放熱パターン
151h ヒータ配線
151i 測温配線
151j ヒータ測温素子
151m 基準温度測温素子
151n 抵抗素子
Dl 長さ方向
Dw 幅方向
2 Measurement target gas 150 Flow sensor 151 Flow rate detection portion 151a Semiconductor substrate 151b Cavity portion 151d Thin film structure 151e Heater element 151f Temperature measurement element 151g Heat dissipation pattern 151h Heater wiring 151i Temperature measurement wiring 151j Heater temperature measurement element 151m Reference temperature temperature measurement element 151n Resistance element Dl Length direction Dw Width direction
Claims (3)
前記流量検出部は、空洞部を有する半導体基板と、前記半導体基板の前記空洞部に隣接して設けられた薄膜構造体と、前記薄膜構造体に設けられたヒータ素子および一対の測温素子と、前記薄膜構造体において前記ヒータ素子および前記一対の測温素子と電気的に絶縁させて設けられた金属製の放熱パターンと、を有し、
前記被計測気体の流れ方向に沿う前記薄膜構造体の長さ方向において、前記一対の測温素子の間に前記ヒータ素子が配置され、
前記薄膜構造体の前記長さ方向に直交する幅方向において、前記一対の測温素子の両側に二対の前記放熱パターンが配置され、
前記薄膜構造体の前記幅方向における前記放熱パターンの寸法は、前記薄膜構造体の前記長さ方向において前記ヒータ素子から遠ざかるほど減少している
ことを特徴とする流量センサ。 A flow rate sensor including a flow rate detection unit that detects the flow rate of a measurement target gas,
the flow rate detection unit includes a semiconductor substrate having a cavity, a thin film structure provided adjacent to the cavity of the semiconductor substrate, a heater element and a pair of temperature measuring elements provided in the thin film structure, and a metal heat dissipation pattern provided in the thin film structure so as to be electrically insulated from the heater element and the pair of temperature measuring elements ;
the heater element is disposed between the pair of temperature measuring elements in a length direction of the thin film structure along a flow direction of the measurement target gas,
two pairs of the heat dissipation patterns are arranged on both sides of the pair of temperature measuring elements in a width direction perpendicular to the length direction of the thin film structure,
The dimension of the heat dissipation pattern in the width direction of the thin film structure decreases as it moves away from the heater element in the length direction of the thin film structure.
A flow sensor characterized by:
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