JP7765655B2 - 流量センサ - Google Patents

Description

本開示は、流量センサに関する。

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。

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）。

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）。

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）。

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）。

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）。

特開２００４－２５７８７０公報 特開２０１５－２１０１９６公報

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

本開示に係る流量センサの実施形態を示す制御システムの概略図。 図１の制御システムに用いられる物理量検出装置の正面図。 図２の物理量検出装置の右側面図。 図２の物理量検出装置のカバーを取り外した状態の背面図。 図４の物理量検出装置の回路基板の正面図。 図５のVI－VI線に沿う回路基板と流量センサの断面図。 図６の流量センサの流量検出部の平面図。 図７の流量センサの流量検出部の変形例を示す平面図。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

以下、本実施形態の流量センサ１５０の作用を説明する。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (3)

1. 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。
2. 前記放熱パターン、前記ヒータ素子、および前記一対の測温素子は、同一の金属材料によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の流量センサ。
3. 前記流量検出部は、前記薄膜構造体において前記ヒータ素子と前記一対の測温素子と間に設けられたヒータ測温素子と、前記薄膜構造体の外側で前記半導体基板の上に設けられた基準温度測温素子および一対の抵抗素子と、を含むブリッジ回路を有することを特徴とする請求項１に記載の流量センサ。