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JPH06105178B2 - 質量空気流センサーのための制御および検出回路 - Google Patents

質量空気流センサーのための制御および検出回路

Info

Publication number
JPH06105178B2
JPH06105178B2 JP1501346A JP50134689A JPH06105178B2 JP H06105178 B2 JPH06105178 B2 JP H06105178B2 JP 1501346 A JP1501346 A JP 1501346A JP 50134689 A JP50134689 A JP 50134689A JP H06105178 B2 JPH06105178 B2 JP H06105178B2
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JP
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temperature
sensing element
temperature sensing
sensor
slave
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JP1501346A
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ダブリユ． リー，キー
アール．，ジユニア クツク，チヤールズ
Original Assignee
ジーメンス アクチエンゲゼルシヤフト
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ジーメンス アクチエンゲゼルシヤフト filed Critical ジーメンス アクチエンゲゼルシヤフト
Publication of JPH03500687A publication Critical patent/JPH03500687A/ja
Publication of JPH06105178B2 publication Critical patent/JPH06105178B2/ja
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Description

【発明の詳細な説明】 関連する出願 本出願は、同一日付で提出された「Siを基にした質量空
気流のセンサおよび製造方法」との名称のキー・ウォン
・リー他による米国出願シリアルNo.137299、同一日付
で提出されたキー・ウォン・リーの「シリコンを基にし
たセンサーおよびそれを作る方法」との名称の米国特許
第4870745号、および同一日付で提出されたジョン・Ｓ
・ベルグストロムの「圧力および空気流測定のためのシ
リコンセンサーのプレーナー取り付け」との名称の米国
特許第4864724号と関連している。
本発明の分野 本発明は質量空気流センサーに関するものである。
さらに特定化すれば、本発明は工業用および自動車用
の、マイクロプロセッサーを基にしたリアルタイム制御
装置と両立できる、高流量感度と高応答速度を持つ、環
境温度の変化に比較的に鈍感な、温度制御と検出回路と
を有する、シリコンを基にした質量空気流センサーに関
するものである。
本発明の背景と概要 近年の自動車工業は、車両の特性を改善するために、機
械式の燃料制御装置よりも、電子式燃料管理装置を用い
ることの長所を認めてきた。そのような電子式の燃料管
理装置の発展を見ることによって、総ての大規模自動車
製造者が大半の自動車用サブシステムを監視し、そして
制御するために電子制御装置を採用するのは、それほど
遠いことではないと、予測されている。
燃料効率を向上させるために、そして燃料噴射の要求に
さらに密に適合させるために、そのような次代の電子式
制御装置は、より発達した、そして効果的なコストで製
造できる、より高度に精巧なセンサーを必要とするであ
ろう。そのような電子制御装置の中心であるマイクロプ
ロセッサーは１秒間に100万回程度、命令を実行する能
力を有している。そのため、極めて速い応答時間を持
つ、機械的に頑丈な、そして信頼性の高いセンサーの出
現が望まれている。本発明以前には、そのようなセンサ
ーが、コスト効率の高い集積された自動車用制御装置の
開発と実施における遅れを生じさせてきた制約的要因を
なしていた。
電子式燃料管理制御装置においては、望ましい燃料対空
気比を得るために、制御装置に質量空気流速データーを
供給することが必要である。そのようなデーターを基に
して、制御用マイクロプロセッサーが燃料噴射制御信号
を発生するために、次に存在する動作条件の下で必要と
される燃料の量を計算する。
標準的には、従来技術による多量空気流センサーは、細
い線、または薄いフィルム型であった。細い線の型のセ
ンサーはセラミックリボン上に巻かれたプラチナまたは
タングステンのような細い抵抗性の電線である。動作上
は、抵抗性の電源をプリセットされた温度にまで加熱す
るために電線を通して、前もって決められた電流が流さ
れる。どのように空気流が変化しても、加熱された電線
からの熱の移動の割合い（熱伝導率）が変化するので、
それによって電線の温度／抵抗変化が生ずる。読み出し
用の電子回路は、この温度／抵抗変化を電流または電圧
変化に変換し、これから空気流の割合い（エアーフロー
レート）が、当業技術者によく知られている方法によっ
て、求められる。
細い電線の型式のセンサーは、電子式の燃料管理制御適
用例においては臨界的な制約をもたらす。これに関して
は、センサーの熱的質量が重要であって、その応答速度
は、効果的なマイクロプロセッサーを基にしたリアルタ
イムの流量制御のためには、遅すぎる。加えて、そのよ
うな細い線の型式のセンサーの使用は、センサー全体
が、望ましい大きさよりもさら嵩ばって大きくなること
に結びつきやすい。雑音の多い環境下では、この細い線
の型式のセンサーは外部回路に雑音を伝送することがあ
るため、センサーの流量分解能および正確さが制限され
る。
例示従来技術による薄いフィルム型のセンサーはハニウ
ェル社で製造されており、マイクロスイッチと質量空気
流センサーとして知られている。このセンサーは装置の
前側に設けられた「ブリッジ」を有しており、これはウ
ェファ基板を、ウェファの前側から、くり抜くことによ
って製造される。
この「ブリッジ」型式の薄いフィルム型センサーは、い
くつかの不都合を有している。このセンサーは、ブリッ
ジ上を流れる空気流の方向および、センサー機器が取り
付けられている方法に、極めて敏感である。このため、
個々のセンサーに正確な再現性を持たせることが難し
く、このセンサーは校正が容易でないということにな
る。しかも、ブリッジ構造は、本発明のセンサーとして
は、構造的に強く、堅固であるとは言えない。加えて、
この「ブリッジ」型薄いフィルムセンサーは、シリコン
ウェファ内に作られた空気チャンネルを有している。こ
の小さな空気チャンネル（これは「ブリッジ」型センサ
ーの設計上、要求されるもの）は、センサーのダイナミ
ックレンジを次のように制限する、即ち、極めて速い空
気流速は正確には検出できないという形で、制限する。
本実施例は、自動車用および他の工業用の流量制御装置
（例えば、ガス流速の感知は、ガス流制御に用いられ
る）において十分に適用できるような、高い流量感度、
高い応答速度および十分な機械的強度と信頼性を持つ、
シリコンを基にした質量空気流センサーである。本発明
の質量空気流センサーは、シリコンのマイクロマシニン
グおよび集積回路技術を用いて製造され、それらはセン
サーを高信頼度、コンパクトそして低価格に製造するこ
とを可能にする。
本発明は、前に述べた特性を持つ従来技術のセンサーに
対して大きな利点を有する、薄いフィルム型のセンサー
を提供するためのものである。本発明は、薄いフィルム
の加熱用と温度感知用素子とに関して良好な温度絶縁を
提供する、小さな、薄い誘電体のダイヤフラムを用いる
ものであって、結果的に高い流量感度と加熱素子の低電
流動作を可能とするものである。誘電体ダイヤフラムは
Ｐ型エッチストップされたシリコンリムによって区切ら
れる。ダイヤフラムの熱質量は小さいので、空気流の変
化に対するセンサー応答の速度は、従来技術のセンサー
応答時間より大幅に速い。加熱および温度感知用の薄い
フィルムは、環境大気の温度変化に関係なく正確な読取
りが得られるように、改善的に形成され、そして制御さ
れている。
「ブリッジ」型センサーと対照的に、本発明は正確に検
出できる、空気流の広いダイナミックレンジを有してい
る（その１つの理由として、本発明は小さな空気流チャ
ンネルのようなものを必要としない）。加えて、本発明
は「ブリッジ」型センサーのように空気流の方向に敏感
であるということが、ほとんどない。
質量空気流センサーは、環境外気温が広い範囲にわたる
ような環境で動作する。当然、外気温が０℃または100
℃であっても質量空気流が正確な読取り値を発生させる
ことが重要である。
従来技術の空気流センサーは外気温に極めて大きく依存
していた。標準的に、そのようなセンサーは加熱された
抵抗性素子を使用している。付加的に、そのようなセン
サーは、加熱された抵抗性素子の近くに設けられた温度
感知素子を利用することもできる。そのようなセンサー
においては、感知素子は空気中の熱の流れによる熱の損
失または移動を検出する。そのようなセンサーは高度
に、外部空気の温度に依存し、そして外部空気における
変動を補正するための付加的な回路を必要とする。
反対に、本発明は、その独特な設計が比較的に外部空気
温度の変動に無関係であるため、普通は付加的な外部空
気温度補正回路を要しない。本発明においては、１次セ
ンサー回路が、加熱用の、または加熱される素子と外部
空気温度感知用素子とを、一定の温度差に維持する。こ
れもまた温度感知用素子を含むスレーブセンサー回路
は、ダイヤフラム上の特別の場所における流れによる熱
損失をモニターする。このスレーブ回路の温度感知素子
は加熱用素子から空気へと移動した熱の総量をモニター
するわけではなく、以下に詳しく説明される方法によっ
て、空気流の関数としての温度差をモニターするのに用
いられるのである。
加熱用または加熱される素子と外部空気温度感知用素子
との間の温度差を前もって決められた一定値に維持する
ことによって、１次回路は加熱用または加熱される素子
を、外部空気温度の上に、固定された温度（TFIXED）に
保つ。同時に１次回路はスレーブ回路の温度感知素子の
温度を、外部気温から直接的に空気流による温度変化分
を減じた温度の上に、固定された温度オフセット（T
FIXEDに関して）にあるように保つために機能する。
スレーブ回路は、その反転および非反転入力がそれぞれ
外部空気温度に関連した信号を受けるような演算増幅器
を用いて、外部空気温度の影響をキャンセルする。スレ
ーブ回路の出力電圧は主として空気流を表わす信号であ
る。
１次センサー回路は、（多くの従来技術センサーの標準
であるような）抵抗性加熱用素子を流れる電流をモニタ
ーするのではなく、１次の外部温度感知素子と加熱され
た素子との間の、前もって決められた温度差をモニター
し、そしてそれを維持する。この構成は、ダイヤフラム
の熱特性、ごみの集積、または経時的な加熱用抵抗の材
質変化などによって生じる、長時間のセンサードリフト
の問題を比較的に受けにくい回路構成とするのに役立
つ。加熱用抵抗を通る電流をモニターするセンサーは、
逆に、経時的なごみの集積問題やまたは加熱用素子抵抗
の変化などに、極めて敏感である。
さらに、本実施例においては、センサー構造内に組み立
てられた回路素子は温度依存性のコモンモード除去を実
行できるように選択されている。これに関しては、同等
な薄いフィルムの温度感知抵抗器が、同じ「冷時」抵抗
値を持つように用いられている。このため、これらの良
好に整合した素子は一様な方法で外部温度の変化に反応
する。このセンサーにおいては、そのような良く整合さ
れた素子は、外部温度が０℃または100℃であっても、
正確な空気流測定をもたらす。
図面の簡単な説明 本発明の他の特徴点は、添付図面に取り上げられた望ま
しい実施例に関する以下の詳細な説明を読むことによ
り、さらに明白になるのであって、 第１図は本発明の実施例として構成された加熱用および
温度感知用素子を描いた、質量空気流センサーの平面図
であり、 第２図は第１図に示された本発明の実施例の質量空気流
センサーの単純化した断面図であり、 第３図は本発明の読出しおよび検出回路と共に、第１図
に示された加熱用および温度感知用素子の回路を表わす
回路図であり、 第４図はチップの読出し回路上に含まれる空気流感知装
置の概略図である。
図面の詳細な説明 第１図を見ると、本発明の実施例としての質量空気流セ
ンサーが示されている。例えば、2mm幅で４〜8mmの長さ
の、このセンサーは、２酸化シリコンとシリコンニトリ
ドのサンドイッチ構造を有している。
センサーの長さ方向に延びている、このサンドイッチ構
造は都合の良いことに、熱的ストレスの軽減、機械的な
堅固さ、および構造的集約化（統合化）に役立つ。
この薄い誘電体ダイヤフラム構造は良好な電気的絶縁を
提供すると共に、以下に説明される、加熱用素子RHおよ
び外部空気感知用素子RC1およびRC2の間の必要な熱的絶
縁を提供する。そのような熱的絶縁はセンサーに、高い
流量感度を与え、そして加熱用素子RHの低電流動作を可
能とさせる。前に指摘したように、ダイヤフラム構造の
熱質量（慣性）が小さいので、空気流の変化に対するセ
ンサーの応答速度は極めて速く、そしてリアルタイムの
マイクロプロセッサーを基にした燃料管理制御装置の必
要に適合している。
ダイヤフラムウインドー１は、シリコン基板８中に埋め
られた強度にＰ添加されたシリコンリム２によって囲ま
れている。以下にさらに詳細に説明されるように、強度
にＰ添加（ドーピング）されたシリコンリム２は、ダイ
ヤフラムウインドー１を望み通りに形成させ、そしてシ
リコン基板の厚さ変動に関わりなくダイヤフラム寸法を
正確に制御することを可能とする。さらにシリコンリム
２は、前方−後方への平版的な整列不良に関するセンサ
ーの特性感度を減少させる働きもする。
金属の薄いフィルム素子RH,RS2,RS1,RC1,RC2および９
は、センサー表面の上部に形成され、金属の線RH,RS2お
よびRS1は絶縁ダイヤフラム１の上部に直接的に設けら
れる。第１図に示されるように、薄いフィルムRHは実質
的にセンサーの長さ方向軸に沿って設けられる。例え
ば、金属の薄いフィルムの線は金およびクロムを基にし
たもので、数ミクロン程度の厚さである。クロム層が、
ダイヤフラム構造の２酸化シリコンと金との間の接着材
として用いられる。エッチされた薄いフィルムの線は、
結合した接続パッド11を有している。加えて、その金属
の線は受動化（パッシベーション）のために、プラズマ
沈着されたシリコンニトリドで覆われている。
機能的には、ダイヤフラム上の金属パターンRHは加熱用
素子として働き、そして金属パターンRS1およびRS2はそ
れぞれ、下方および上方の温度感知素子として働く。普
通、センサーはセンサーの上部から底部へと空気が流れ
るように設けられるため、感知素子RS1に比べて、金属
パターンRS2が上方感知素子と考えられる。こうして、
空気流は素子RS1の前に素子RS2に当たる。金属パターン
RC1およびRC2は、外部の空気温度を決めるために（そし
てそれを補償するために）用いられる温度感知素子とし
て働く。全体的にシリコンリム２を、または基板８を、
または見られるように覆って設けられている金属パター
ン９は、総ての薄いフィルム素子がこれに接続される共
通グランドとして働く。共通グランド素子９は普通、他
の薄いフィルム素子よりもさらに多くの電流を運ぶの
で、それらが望ましくない程度に加熱されないように、
そのような素子はより幅広くなっている。
金は環境的な腐食や処理用のエッチング剤に対して良好
な抵抗性を持っているために、金を基にした金属装置が
加熱用および温度感知用素子として用いられる（そのこ
とは製造工程を簡単にし、しかも生産量を改善させ
る）。クロム、モリブデン、またはチタンのような付加
的な金属が金の層と酸化シリコン層との間の必要な良好
な接着力を得るために用いられるのは望ましいことであ
る。この金属装置はシリコンに対して良好な電気抵抗性
の接触を保ち、そして以下にさらに詳しく説明されるよ
うに、チップ上のセンサーの読出し回路に関する相互接
続装置として用いられることが可能な程度の低抵抗を有
している。
第２図は第１図に示した多量空気流センサーの簡略化し
た断面図である。強度にＰ型添加されたシリコンリム２
は、（100）（結晶）方向のシリコン基板８と薄い誘電
ダイヤフラムウインドー１とのインターフェースにおい
て、サンドイッチ構造32と感知用素子RC1およびRC2の下
に設けられているように示されている。前に指摘したよ
うに、強度にＰ型添加されたシリコンリム２は温度感知
素子RC1およびRC2を外部空気温度に保つと共に、誘電ダ
イヤフラムウインドーを正確に規定するように働く。セ
ンサーの製造においては、ダイヤフラムウインドー１は
シリコンウェファの背面からエッチングされて規定され
る。強度にＰ型添加されたシリコンリム２は、化学的エ
ッチング溶液によってはエッチングされず、こうして精
密に規定される。
第２図においても、ダイヤフラムウインドー１の上部に
設けられている薄い金属の層は、薄いフィルムの加熱用
素子RHおよび温度感応抵抗RS2およびRS1を形成すること
が示されている。抵抗RC1とRC2とは、高度に温度的に良
導体であるシリコンリム２およびシリコン基板８の上に
設けられ、そして基板温度（これは、ほとんどの場合、
外部空気温度に極めて近い）を測定するために用いられ
ている。温度感知用および加熱用の素子のための望まし
い抵抗値によっては、１つ以上の薄いフィルム素子が単
独の素子RH,RS1,RS2,RC1およびRC2の代わりに設けられ
ることも可能であることを指摘しておきたい。
総ての薄いフィルムの金属抵抗器、受動層17によって覆
われている。この受動（パッシベーション）層17は、経
時的に装置の応答時間を変化させる外気による汚れか
ら、薄いフィルムの金属抵抗を保護する（例えば、それ
ら素子上にほこりの粒が堆積することを防ぐことによっ
て）。この方法によって、センサーの長期間の信頼性が
向上する。
第２図に示されるように、センサーチップのエッジ18
は、空気流の中にセンサーが置かれることによって生じ
る、あらゆる望ましくない影響を最少にするよう、先が
細くなっている（テーパが付されている）。これに関し
ては、初期的にチップエッジに当たる空気の擾乱の影響
は、センサーの上部表面に垂直なサイドエッジの設計と
比較して、大幅に減少する。先細り（テーパ付き）のエ
ッジ18の下側で、センサーはマスキング材７の上に支え
られており、例えばこれはダイヤフラム１を製造するの
に用いられるシリコンニトリドサンドイッチ構造であっ
てもよい。
第１図と第２図および第４図に示されている質量空気流
センサーを製造する方法は、前に示した、リー他による
「シリコンを基にした質量空気流センサーおよび製造方
法」との名称の出願の中で詳しく説明されている。リー
他の出願において説明されている製造方法は、本出願の
参考として明確に導入されている。
このリー他の出願において（その第３図に関連して）説
明された製造方法は、シリコンIC製造に関して用いられ
る技術に十分に適合している。この点で、リー他によっ
て説明されたいくつかの製造段階は、同時に、標準的な
MOSまたはバイポーラICの製造段階においても活用でき
る。こうして、金属フィルムRH,RS1,RS2,RC1およびRC2
が形成される前に、MOSまたはバイポーラ装置を、セン
サー構造に従って同一チップ上に製造することもでき
る。その結果、本発明は、第３図に示す制御および検出
回路が第１図および第２図に示される素子と同じセンサ
ーチップ上に製造されることも意図したものである。
動作においては、第１図および第２図に示したセンサー
は、空気流が第１図においてセンサーの上方から下方に
（そして第２図においては左から右に）流れるように、
電子式燃料管理制御装置の適切な空気チャンネル内に設
けられる。読出し回路は初期的には、加熱用素子RHを通
る、前もって決められた量の電流を発生させる。この電
流は加熱用素子の温度を、加熱用素子RHと加熱されてい
ない、または外部空気の、温度感知素子RC1との間に前
もって決められた温度差が存在するようなレベルにセッ
トする。（第３図に関連して以下に説明される）１次回
路は、温度差を一定に保つ。当業技術者にとっては明白
なことであるが、１次およびスレーブ側の素子RH,RS1,R
S2,RC1およびRC2の抵抗特性は、温度変化の関数として
変化する。（第３図に関連して以下に説明される）スレ
ーブ回路は、流量の関数として変動する温度変化を基に
して、RS2における抵抗変化を求めるものである。
以下に説明されるように、（本実施例では実質的にRHと
同じ温度の）１次側感知用素子RS1と外部空気温度感知
用素子RC1との間に、前もって決められた一定の温度差
を維持することによって、１次回路は、１次感知用素子
RS1を外部空気温度よりも、固定された温度（TFIXED）
だけ上にあるように保つ。同時に、１次回路はスレーブ
回路の温度感知用素子RS2の温度を、空気流がない時
に、外部空気温度よりも上に（TFIXEDに対して）固定さ
れた温度オフセットを保つように機能する。
空気流は、RS2における変化を引き起こす、ダイヤフラ
ム両端間の温度勾配を変化させる。
スレーブ回路は、その反転および非反転入力が各々、外
部空気温度の影響をキャンセルするように、外部空気温
度に関連した信号を受ける。スレーブ回路の出力電圧
は、空気流を表わす信号である。
電子式燃料管理制御装置に配属されたマイクロプロセッ
サーは、スレーブ回路出力データーを基に空気流を求め
る。空気流を基に、マイクロプロセッサーは望ましい燃
料対空気比を得るのに必要な燃料の量を（例えば、よく
知られている表を参照する技術を用いて）決定する。必
要な燃料の量を決めるに際し、マイクロプロセッサーは
相応する信号を、必要な燃料の正確な量を供給する燃料
噴射装置に送る。
次に、第３図に移ると、この回路は第１図と第２図にお
ける薄いフィルムの加熱用および温度感知用素子が、ど
のように読出しおよび制御素子と結び付けられて、本発
明の１次およびスレーブ空気流センサー部を形成するの
かを示している。第３図に示されている薄いフィルムの
抵抗素子は、第１図および第２図に示されている同様に
ラベル付けされた薄いフィルムの抵抗素子に相当してい
る。以下に説明され、そして第３図に示されている抵抗
値は、単に説明のためのものであって、本発明を制約す
るものと解釈することはできない。
第３図においては、RHは加熱用抵抗であって、これは単
に例として示せば、外部空気中において、または非加熱
条件において11オームの抵抗値を持っている。抵抗RS1
は１次センサー抵抗であり、33オームの非加熱時抵抗を
持っている。抵抗RC1は１次回路の非加熱、または
「冷」抵抗である。この抵抗はダイヤフラム１の上より
はむしろシリコンリム２の上に設けられ、33オームの抵
抗を持っている。抵抗RS2はスレーブ回路の温度感知用
抵抗であって、そして33オームの非加熱時抵抗を持って
いる。最後に、抵抗RC2はスレーブ回路の「冷」抵抗で
あって、RC1と同様、シリコンリム２の上に設けられて
いて、33オームの抵抗を持っている。
１次センサー回路の詳細を説明すると、単に例として3.
3Kオームとして示されている抵抗16および18は、それぞ
れRC1およびRS1を通る電流を制限するための電流制限抵
抗である。こうして、抵抗16の抵抗値を選択することに
よって、１次センサー回路に加えられる与えられた電圧
Vinに関して、RC1を流れる電流を望み通りに制御するこ
とができる。
抵抗16に結合している抵抗RD1は、RS1とRC1との間の前
もって決められた一定の温度差を維持するために必要
な、RC1とRS1の抵抗値間のオフセットを設けるために挿
入されている。これに関しては、（RS2とRC2も同じよう
に）RC1とRS1とが同じ非加熱時抵抗値を持っていること
に再び注目しておきたい。
抵抗RD1と抵抗16とは演算増幅器10の正入力に結合して
いる。１次側温度感知用抵抗RS1と抵抗18とは演算増幅
器10の負、または反転入力に結合している。演算増幅器
10の出力は、65オーム、この値は加熱用素子RHを通る電
流を制限するためのあらゆる望ましい値をとり得る、と
して示されている電流制限用抵抗14を通して加熱用素子
RHに結合している。
回路のスレーブ部に移って、初めに、１次回路の温度制
御回路は、スレーブ回路中の検出回路からは完全に電気
的に分離されていることを指摘しておく。この形式は、
後にさらに説明されるように、外部空気温度における変
化から、センサーを相対的に独立させる点で貢献する。
スレーブ回路においては、（１次回路の抵抗16および18
と同様に）抵抗20および22は電流制限抵抗であって、そ
れらは各々、スレーブ温度感知用素子RS2と、スレーブ
の非加熱、外部空気温度感知用素子RC2とを流れる電流
を制限するものである。抵抗20はスレーブ温度感知用素
子RS2と結合しており、その接合点は増幅器12の負また
は反転入力に結合している。増幅器12は１般的な（抵抗
24を介した）ネガティブフィードバックを持つ定利得演
算増幅器である。
抵抗22は、RS2を、RC2より異なる温度にセットすること
によって生ずるオフセットを作るための抵抗RD2に結合
している。示されているRD1およびRD2に関する値は、単
に例として描かれており、さらにRS1とRS2とは空気流の
ない時には同じ温度であると考えられる。外部空気温度
感知用素子RC2と抵抗RD2の直列抵抗は１次回路の相応す
る抵抗回路RD1とRC1のそれと同等（例えば39オーム）で
ある。抵抗22と抵抗RD2の接合点は増幅器12の正または
非反転入力に結合している。演算増幅器12の出力は空気
流を表わす電圧である。
次に、第３図の回路の動作に入るが、初めに、固定され
た温度差が、RD1によって１次回路において60℃の温度
差を維持するようにセットされているとする。RD2は、
空気流のない時に、例えば２ボルトの出力電圧があるよ
うに調節されている。60℃の温度差を維持するために、
十分な量の電流がRHの中を流れるようにされ、これによ
ってRS1の温度は外部温度より60℃だけ上昇する。第１
図に示したようにシリコンリム２の上に設けられたRC1
の温度は外部の温度である。演算増幅器12の利得は最大
流量において最大出力が得られるように調節されてい
る。
RC1が33オームの抵抗値を持ち、そしてRD1が６オームの
抵抗値を持つという、前に説明した一つの例としての抵
抗値を用いるとすれば、RC1およびRD1の直列抵抗は39オ
ームである。初期的には１次側のセンサー抵抗RS1は33
オームの抵抗値を持っているが、しかしその抵抗値はRH
を通る電流によって加熱されて増加する。RS1が、その
抵抗値が39オームに増加するまで加熱された時に、RHを
通る電流は自動的に、39オームの抵抗値を維持するよう
に、調節される。
空気流が素子RHおよびRS1に当たると、１次回路はRS1を
近似的に一定の温度に保つように動作する。RHとRS1と
は、その接近した物理的位置関係によって、熱的に結合
している。こうしてRHが加熱されると、RS1が同様に温
度上昇する。この温度上昇は演算増幅器10によって感知
されて、RHの温度を減じるように、RHを流れる電流が減
少する。１次回路は、RS1とRC1との間のオリジナルな温
度差を保つように動作する。
外部の温度が変化すると、RC1の抵抗値もまた変化す
る。これに応じて、RHを通る電流が演算増幅器10の出力
によって調節され、RS1と外部温度との間に、同じ温度
差を維持する。
スレーブ回路の動作に関しては、温度感知用素子RS2は
ダイヤフラムを通して加熱用素子RHによって加熱され
る。センサに空気流が当たると、感知用素子RS2はそれ
が流れの先端にあって、しかも１次回路の熱的なフィー
ドバックループの１部となっていないために、温度を変
化させる。
温度感知用素子RS2はダイヤフラム上の与えられた点に
おける、空気流によって変化する温度を検出する。スレ
ーブ回路は演算増幅器12を通して、RC2およびRD2端の電
圧とRS2両端の電圧との間の差異を検出する。この電圧
差はRS2と、外部温度であるRC2との間の温度差に相当す
る。この方法によって、オリジナルな温度勾配が空気流
の関数として変調され、そして出力電圧Voutに反映され
る。
空気流のない条件下では、RS2は、それがダイヤフラム
上のどこに設けられているかに正確に依存して、RHおよ
びRC1の温度の間のある点の温度になっている。大雑把
に言えば、RS2の温度は抵抗RHからのその離れた距離の
関数として極めて線形に変化する。この点では、素子RH
がRHとRC1との中間にあるならば、RS2の温度は大略、外
部温度とRHの温度との中間にある。こうして、スレーブ
回路によって検出される温度差は１次回路の固定された
温度差に対し、前もって決められた関係を持っている。
しかしRS2の温度は流量の関数として変化する。RS2がダ
イヤフラム上の特別の場所における熱損失をモニターす
るとしても、その熱損失の量はダイヤフラム上における
それの位置と流速に依存しているのであって、空気を通
して加熱用素子RHから放散された熱の量に依存している
のではない。
流れのある条件下では、スレーブ回路において検出され
た温度差は、流れのない条件における温度差よりも少な
いのであって、すなわちRC2とRS2との間の温度差は、流
れのない条件におけるよりも少ないのである。RS2が演
算増幅器12の負入力に接続されているので、より速い流
速はより高いVoutをもたらす結果となり、例えば流れの
ない時に２ボルトの出力が得られるのに比べ、2.5また
は３ボルトの出力となる。
例えば、流れのない条件下で抵抗RS2が75゜の温度（例
えば、25℃の外部空気温度と125℃のRHの温度の中間）
であるとすれば、流れのある条件下ではRS2の温度は、
例えば70℃まで降下すると予期され、これによってより
小さな温度差が得られる結果となる。RS2におけるこの
温度変化はRS2の抵抗値を変化させる。RS2両端と、RD2
とRC2の端との電圧差は演算増幅器12によって増幅さ
れ、そして空気流を表わす、そして外部温度の変化に無
関係な出力電圧が得られる。
１次およびスレーブ回路が独創的に、外部空気温度に無
関係となるように設定されている様子は、以下の分析に
よってさらに理解することができる。（本実施例におい
ては実質的にRHの温度に等しい）１次側の感知用素子RS
1と、外部空気温度感知用素子RC1との間に前もって決め
られた一定の温度差を維持することにより、１次回路は
素子RS1を、外部空気温度（TAMBIENT）の上に固定され
た温度（TFIXED）だけ高く保つことになり、すなわちRS
1の温度＝TFIXED＋TAMBIENTとなる。同時に１次回路は
スレーブ温度感知用素子RS2を、直接的な空気流による
温度変化（TFLOW）を減じた外部空気温度の上に、（T
FIXEDに関する）前もって決められた固定された温度オ
フセットを保つように機能するので、すなわちRS2の温
度＝TAMBIENT＋TFIXED OFFSET−TFLOWとなる。RHはRS1
の温度を維持するように熱を供給することに注意すべき
である。その温度抵抗を変えるような、ほこりや他の何
らかの材料の堆積があったとしても、RHの温度はその温
度を維持するのに必要なだけ常に熱くなっている。
（素子RS2の温度に比例する）素子RS2両端の電圧はスレ
ーブ回路演算増幅器12の反転入力に加えられ、その非反
転入力は外部空気温度の関数として変化している。演算
増幅器12の反転および非反転の両入力に外部空気温度を
表わす信号を入力することによって、外部空気温度の影
響がキャンセルできる。スレーブ回路の出力電圧は空気
流のみを主として表わす信号となる。
外部空気温度から相対的に独立しているセンサーにさら
に貢献しているのは、センサー構造内に組み立てられて
いる回路素子が温度依存のコモンモード除去を行なうよ
うに選択されているという事実である。この点に関して
は、薄いフィルムの温度感知用抵抗器が同じ抵抗値を持
つように選択され、そして同じ材料で作られている。こ
れらの良く整合した素子はこうして、一様な方法で外部
温度変化に反応する。本発明のセンサーでは、そのよう
に良く整合した素子は、外部温度が０℃または100℃で
あっても正確な空気流測定を実現させる。加えて、この
センサー回路は良く整合した回路要素によって良好な電
源除去比を持っている。こうして、電源電圧の変化があ
ったとしても、センサー素子抵抗を流れる電流は一様に
変化して、電源変動の影響を最小とする。
次に第４図を見ると、この図はオンチップの読出し回路
を含む空気流感知サブシステムを示している。この点
で、第１図および第２図に示した空気流センサーは第４
図では19として概略的に表わされており、そしてオンチ
ップの読出し回路は20で表わされている。このオンチッ
プ読出し回路20は、電気的接続部21aを通して、（示さ
れていない）外部のマイクロプロセッサー制御回路およ
び電源に接続される。破線の長方形24と実線の長方形23
との間には、Ｐ型エッチストップ領域２が存在する。長
方形23の内部にはダイヤフラムウインドー１がある。こ
のセンサーチップは、電気的接続部21bを含むセラミッ
ク基板22によって支持されている。次に完全な装置が適
当な空気チャンネル内に置かれる。
第４図の形状は、半田付け、またはテープ自動化のボン
ディングが、セラミック基板内の電気的接続部21bをチ
ップ上の電気的接続部21aに直接的に接続するために利
用できることを意図している。こうして、この装置にお
いては配線によるボンディングは不要であるが、あらゆ
るボンディング方法が本発明に適用することができる。
この全体的な形状は、向上された耐雑音性、節減された
全体的なパッキングコスト、および改善された製造性を
含む、従来型の多量空気流センサーを越える多くの利点
を有している。
本発明は、最も実際的で望ましい実施例であると現在考
えられるものに関連して説明されてきたが、本発明は開
示された実施例に制約されるのではなく、その逆に、添
付された請求の範囲の思想と観点に含まれる種々の変形
や等価な装置をカバーしていると理解すべきである。

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ダイヤフラムと、加熱用の素子（RH）と、 １次側外部空気温度感知用の素子（RC1）と、 前記加熱用素子（RH）に熱的に結合した１次側温度感知
    用素子（RS1）とを有し、前記１次側温度感知用素子（R
    S1）は、該１次側温度感知用素子（RS1）が実質的に前
    記加熱用素子（RH）と同じ温度に加熱されるように、前
    記加熱用素子（RH）との熱的結合のため前記ダイヤフラ
    ム上に取付けられており、更に、前記ダイヤフラムを介
    して前記加熱素子（RH）により加熱されるスレーブ側温
    度感知用素子（RS2）と、 前記１次側温度感知用素子（RS1）の温度と前記外部空
    気温度感知用素子（RC1）の温度との間に一定の温度差
    を維持するために、前記加熱用素子（RH）および前記１
    次側外部空気温度感知用素子（RC1）並びに前記１次側
    温度感知用素子（RS1）に結合した１次回路装置と、 スレーブ側温度感知用素子（RS2）および外部空気との
    間の温度変動を検出し、そして外部空気温度に無関係の
    空気流を表わす出力信号（VOUT）を発生するために、ス
    レーブ温度感知用素子（RS2）と結合したスレーブ回路
    装置、とを有することを特徴とする質量空気流センサ
    ー。
  2. 【請求項２】さらに、誘電体のダイヤフラム（１）を含
    み、前記加熱用素子（RH）と前記スレーブ温度感知用素
    子（RS2）とが、前記誘電体ダイヤフラム（１）上に設
    けられているような、請求項１記載のセンサー。
  3. 【請求項３】さらに、前記誘電体ダイヤフラム（１）の
    周りに、高程度に添加（ドーピング）された、熱的良導
    体の半導体リム（２）を含むような、請求項２記載のセ
    ンサー。
  4. 【請求項４】前記１次回路装置は、前記１次側温度感知
    用素子（RS1）の温度と１次側外部空気温度感知用素子
    （RC1）の温度との間の温度差を感知（10）し、そして
    前記温度差を一定に維持するよう前記加熱用素子を流れ
    る電流を制御するために、前記１次側外部空気温度感知
    用素子（RC1）に結合した第１入力と、前記１次側温度
    感知用素子（RS1）に結合された第２入力と、前記加熱
    用素子（RH）に結合した出力とを持つ装置を含むよう
    な、請求項１記載のセンサー。
  5. 【請求項５】前記１次側外部空気温度感知用素子（RC
    1）はオフセット装置（RD1）を通して前記第１入力に結
    合して、前記加熱用素子（RH）と前記１次側外部空気温
    度感知用素子（RC1）との間に前もって決められた温度
    差を設けるような、請求項４記載のセンサー。
  6. 【請求項６】当該出力信号を発生するための前記回路
    は、前記出力信号（VOUT）を発生するためにスレーブ温
    度差感知用装置（12）を含み、前記出力信号は空気流を
    表わすものであるような、請求項１記載のセンサー。
  7. 【請求項７】前記スレーブ温度差感知用装置は、前記ス
    レーブ温度感知用素子（RS2）に結合した第１入力を含
    むような、請求項６項記載のセンサー。
  8. 【請求項８】さらにスレーブ外部空気温度感知用装置
    （RC2）を含み、前記スレーブ外部空気温度感知用装置
    が前記スレーブ温度差感知用装置（12）の第２入力に結
    合されているような、請求項７記載のセンサー。
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