專利名稱：熱式流量傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使發(fā)熱電阻體發(fā)熱來對在上述發(fā)熱電阻體的周圍流動(dòng)的流體的流量進(jìn)行計(jì)量的熱式流量傳感器，尤其涉及具有用于對發(fā)熱電阻體的發(fā)熱量進(jìn)行控制的發(fā)熱控制單元的熱式流量傳感器。
背景技術(shù)：
作為對汽車等的內(nèi)燃機(jī)的空氣吸入量進(jìn)行檢測的空氣流量傳感器，能夠直接對質(zhì)量流量進(jìn)行測定的熱式空氣流量傳感器正成為主流。近年來，米用MEMS (Micro Electro Mechanical Systems,微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)在硅(Si)等半導(dǎo)體基板上制造熱式流量傳感器的傳感器元件的熱式流量傳感器被提出，這樣的半導(dǎo)體類型的傳感器元件，形成有將半導(dǎo)體基板的一部分呈矩形狀地去除后的空洞部，并在形成于該空洞部的數(shù)微米厚的電絕緣膜上形成有發(fā)熱電阻體(以下稱作“發(fā)熱體(heater)”)。這樣的傳感器元件中，在發(fā)熱體附近形成感溫電阻體(以下稱作“檢測電阻”)，并根據(jù)從在發(fā)熱體上移動(dòng)的流體向檢測電阻的傳熱量來檢測流量的方法成為主流。因此，發(fā)熱體需要相對于周圍溫度始終處于固定的溫度差。作為發(fā)熱體溫度的控制方法，公知有一種在發(fā)熱體附近形成發(fā)熱體溫度監(jiān)視用的感溫電阻體(以下稱作“旁熱電阻”)，按照旁熱電阻的電阻值成為所希望的值的方式對發(fā)熱體驅(qū)動(dòng)電力進(jìn)行反饋控制的旁熱控制方式。上述發(fā)熱體、檢測電阻、以及旁熱電阻的大小微小至數(shù)十 數(shù)百微米，由于形成為數(shù)微米的薄膜狀，故而熱容量小且能夠高速響應(yīng)。因此，有些情況下會(huì)由于反饋控制的響應(yīng)延遲或發(fā)熱體與旁熱電阻之間的傳熱延遲，導(dǎo)致無法適當(dāng)?shù)乜刂茊?dòng)時(shí)的發(fā)熱體溫度。作為解決本課題的現(xiàn)有技術(shù)，有專利文獻(xiàn)I中記載的技術(shù)。專利文獻(xiàn)I中記載的熱式流量傳感器，將根據(jù)旁熱電阻的溫度而產(chǎn)生變化的電壓信號經(jīng)由比較器輸入至上下計(jì)數(shù)器。該上下計(jì)數(shù)器的輸出經(jīng)由數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器(以下稱為DA轉(zhuǎn)換器)以及發(fā)熱體驅(qū)動(dòng)用的晶體管而被轉(zhuǎn)換成電力，并提供給發(fā)熱體。進(jìn)而，其構(gòu)成為，在接通電源時(shí)，將該上下計(jì)數(shù)器的初始值設(shè)定為基準(zhǔn)值(優(yōu)選為該DA轉(zhuǎn)換器的輸出最大指示值)，且通過根據(jù)更高速的時(shí)鐘信號使該上下計(jì)數(shù)器執(zhí)行動(dòng)作，從而能夠盡快地控制發(fā)熱體的發(fā)熱量。(專利文獻(xiàn))專利文獻(xiàn)I :日本特開2009-097925號公報(bào)然而，在現(xiàn)有技術(shù)中，發(fā)熱體或旁熱電阻的熱容量的偏差會(huì)對啟動(dòng)特性產(chǎn)生很大影響。例如，在半導(dǎo)體類型的傳感器元件中，發(fā)熱體或旁熱電阻的熱容量會(huì)產(chǎn)生偏差。由于在啟動(dòng)時(shí)對發(fā)熱體施加了規(guī)定的驅(qū)動(dòng)電力的情況下的熱響應(yīng)根據(jù)熱容量而不同，因此會(huì)在過渡上產(chǎn)生偏差，例如，有可能會(huì)因過渡的增大而導(dǎo)致啟動(dòng)時(shí)間的延長。另外，溫度過渡的增大有可能會(huì)促使傳感器元件劣化。而現(xiàn)有技術(shù)中關(guān)于這些方面都沒有充分考慮。針對這些課題，雖然能考慮對運(yùn)算處理的速度即時(shí)鐘周期進(jìn)行調(diào)整的策略，但調(diào)整工序的增加會(huì)導(dǎo)致成本提高。另外，雖然能考慮通過增大發(fā)熱體或旁熱電阻來抑制熱容量的偏差的策略，但會(huì)使消耗電力增加
發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明鑒于上述各種課題而作，其目的在于提供一種實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的啟動(dòng)特性和傳感器元件的劣化控制，且具有還能夠支持傳感器元件的進(jìn)一步小型化的發(fā)熱體溫度控制單元的熱式流量傳感器。(用于解決課題的手段)為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的熱式流量傳感器的特征在于，具有半導(dǎo)體基板；空洞部，其設(shè)置于上述半導(dǎo)體基板設(shè)置；絕緣膜，其在上述半導(dǎo)體基板上按照覆蓋上述空洞部的方式設(shè)置；薄膜區(qū)域，其通過由上述絕緣膜覆蓋上述空洞部而形成；發(fā)熱電阻體，其設(shè)置在上述絕緣膜上的上述薄膜區(qū)域上；第I感溫電阻體，其設(shè)置在上述絕緣膜上的上述薄膜區(qū)域上，且電阻值根據(jù)溫度而產(chǎn)生變化；發(fā)熱控制單元，其基于上述第I感溫電阻體的溫度對上述發(fā)熱電阻體的溫度進(jìn)行控制；第2感溫電阻體，其設(shè)置在上述發(fā)熱電阻體的附近，且電阻值根據(jù)溫度而產(chǎn)生變化；以及流量檢測單元，其基于上述第2感溫電阻體的溫度對流體的流量進(jìn)行檢測，上述發(fā)熱控制單元基于成為上述第I感溫電阻體的目標(biāo)溫度的第I指標(biāo)溫度和成為上述第I感溫電阻體的保護(hù)溫度的第2指標(biāo)溫度，對上述發(fā)熱電阻體的溫度進(jìn)行控制。(發(fā)明的效果)根據(jù)本發(fā)明，能夠提供一種實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的啟動(dòng)特性和傳感器元件的劣化抑制，且具有還可應(yīng)對傳感器元件的進(jìn)一步小型化的發(fā)熱體溫度控制單元的熱式流量傳感器。


圖I是第I實(shí)施例中的傳感器元件的概略剖面結(jié)構(gòu)。圖2是第I實(shí)施例中的熱式流量傳感器的電路結(jié)構(gòu)。圖3是第2實(shí)施例中的熱式流量傳感器的電路結(jié)構(gòu)。圖4是第3實(shí)施例中的熱式流量傳感器的電路結(jié)構(gòu)。圖5是第4實(shí)施例中的熱式流量傳感器的電路結(jié)構(gòu)。圖6是第5實(shí)施例中的熱式流量傳感器的電路結(jié)構(gòu)。圖7是第6實(shí)施例中的熱式流量傳感器的電路結(jié)構(gòu)。圖8是啟動(dòng)時(shí)的旁熱電阻的溫度變化。圖9是啟動(dòng)時(shí)的中點(diǎn)電位VI的變化。圖10是啟動(dòng)時(shí)對發(fā)熱體施加的驅(qū)動(dòng)電流的變化。圖11是旁熱電阻的經(jīng)時(shí)劣化量的環(huán)境溫度依賴性。圖12是基于熱容量偏差的啟動(dòng)時(shí)特性的偏差。圖13是DSP的運(yùn)算處理內(nèi)容例的框圖標(biāo)記。(符號說明)I半導(dǎo)體基板2空洞部
3半導(dǎo)體基板的一面4電絕緣膜5薄膜區(qū)域6 發(fā)熱體7旁熱電阻8發(fā)熱控制電路9檢測電阻10流量檢測電路11第I溫度控制電路12第2溫度控制電路13反饋控制電路14,21 比較器15限制單元16開關(guān)元件17鉗位元件18負(fù)載電阻體19電阻切換開關(guān)20高速化單元22 DSP23分頻器24時(shí)鐘切換開關(guān)25常數(shù)選擇開關(guān)26、204存儲(chǔ)元件27程序選擇開關(guān)100傳感器元件101 103固定電阻200處理電路201 DA 轉(zhuǎn)換器202晶體管元件203振蕩器301 305 電極401比例放大器402積分放大器403積分器404加法器
具體實(shí)施例方式以下，針對本發(fā)明的實(shí)施方式，參照圖面進(jìn)行說明。(實(shí)施例I)
針對本發(fā)明的第I實(shí)施例，參照圖I、圖2進(jìn)行說明。另外，圖I表示第I實(shí)施例的傳感器元件的概略剖面結(jié)構(gòu)。而且，圖2表示第I實(shí)施例的熱式流量傳感器的電路結(jié)構(gòu)。以下針對第I實(shí)施例的熱式流量傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。第I實(shí)施例中的熱式流量傳感器由傳感器元件(100)以及處理電路(200)構(gòu)成。傳感器元件(100)通過如下方法來構(gòu)成通過在由硅(Si)和陶瓷等熱傳導(dǎo)率良好的材料構(gòu)成的半導(dǎo)體基板(I)的一面(3)上堆積氧化物等來形成電絕緣膜(4)，并通過從半導(dǎo)體基板(I)的另一面的方向起進(jìn)行蝕刻來設(shè)置空洞部(2)，進(jìn)而，在空洞部(2)上的薄膜 區(qū)域(5)上由例如多晶硅(Si)、鉬(Pt)、鑰(Mo)等電阻溫度系數(shù)(以下稱作“TCR”)高的電阻材料來形成發(fā)熱體(6)和旁熱電阻(7)以及檢測電阻(9a) (9d)，進(jìn)而，在薄膜區(qū)域
(5)以外的電絕緣膜⑷上形成固定電阻(101) (103)。另外，為了簡化，雖然將固定電阻(101) (103)的電阻值作為全部相等來進(jìn)行處理，但也可以應(yīng)用分別不同的值。處理電路(200)由進(jìn)行發(fā)熱體(6)的發(fā)熱量控制的發(fā)熱控制電路(8)以及對在發(fā)熱體(6)上移動(dòng)的流體的流量進(jìn)行檢測的流量檢測電路(10)構(gòu)成。發(fā)熱控制電路⑶由按照使旁熱電阻(7)的溫度接近于成為目標(biāo)溫度的第I指標(biāo)溫度的方式進(jìn)行控制的第I溫度控制電路(11)、和按照保持在比第I指標(biāo)溫度高且成為旁熱電阻(X)的保護(hù)溫度的第2指標(biāo)溫度以下的方式進(jìn)行控制的第2溫度控制電路(12)構(gòu)成。第I溫度控制電路(11)由比較器(21)、數(shù)字運(yùn)算處理電路(以下稱作DSP) (22)、DA轉(zhuǎn)換器(201)、以及晶體管元件(202)構(gòu)成。第2溫度控制電路(12)由比較器(14)、開關(guān)元件(16)構(gòu)成。另外，在傳感器元件(100)中設(shè)置有電極(301) (305)，并與處理電路(200)電連接。傳感器元件(100)中，發(fā)熱體(6)與電極(301)以及基準(zhǔn)電位點(diǎn)連接。并且，由旁熱電阻(7)以及固定電阻(101) (103)構(gòu)成橋電路，并將旁熱電阻(7)與固定電阻(101)的中點(diǎn)電位(Vl)與電極(302)連接，將固定電阻(102)與固定電阻(103)的中點(diǎn)電位(V2)與電極(303)連接。另外，由檢測電阻(9a) (9d)構(gòu)成橋回路，將檢測電阻(9a)與檢測電阻(9b)的中點(diǎn)電位與電極(304)連接，將檢測電阻(9c)與檢測電阻(9d)的中點(diǎn)電位與電極(305)連接。另外，流量檢測電路(10)，基于從電極(304)以及(305)輸出的信號來求出流量。接著，針對第I實(shí)施例的熱式流量傳感器的動(dòng)作進(jìn)行說明。另外，以下將在熱式流量傳感器結(jié)束啟動(dòng)處理、即發(fā)熱體￠)的溫度已收斂的狀態(tài)下進(jìn)行流量檢測的狀態(tài)稱作“穩(wěn)定狀態(tài)”。并且，將在啟動(dòng)處理中、即控制系統(tǒng)處于過渡的狀態(tài)稱作“過渡狀態(tài)”。在穩(wěn)定狀態(tài)下，根據(jù)DA轉(zhuǎn)換器(201)的輸出，晶體管元件(202)處于導(dǎo)通狀態(tài)，因此驅(qū)動(dòng)電流(Ih)經(jīng)由開關(guān)元件(16)以及電極(301)被輸入至傳感器元件(100)。發(fā)熱體
(6)通過驅(qū)動(dòng)電流(Ih)產(chǎn)生焦耳熱，并經(jīng)由電絕緣膜(4)以及流體而傳遞至旁熱電阻(7)。由于旁熱電阻(7)的溫度上升，因此電阻值增大，中點(diǎn)電位(Vl)的電位下降。另外，由于固定電阻(101) (103)不處于薄膜區(qū)域(2)，因此所傳遞的熱被半導(dǎo)體基板(I)吸收，溫度不會(huì)變化。因而，中點(diǎn)電位(V2)不變。
接著，中點(diǎn)電位(Vl)以及(V2)經(jīng)由電極(302)以及電極(303)被輸入到比較器
(21)。比較器(21)對中點(diǎn)電位(Vl)以及(V2)進(jìn)行比較，并將比較結(jié)果輸入至DSP (22)。DSP(22)計(jì)算出使中點(diǎn)電位(Vl)以及(V2)變?yōu)橄嗟鹊尿?qū)動(dòng)電力指示值，并輸出至后級的DA轉(zhuǎn)換器(201)。然后，根據(jù)對DA轉(zhuǎn)換器(201)輸入的驅(qū)動(dòng)電力指示值，晶體管元件(202)的基極電壓產(chǎn)生變化，驅(qū)動(dòng)電流(Ih)產(chǎn)生變化。通過以上的反饋控制，發(fā)熱體(6)的溫度始終保持恒定。接著,參照圖8 圖11對過渡狀態(tài)的動(dòng)作內(nèi)容進(jìn)行說明。圖8表示啟動(dòng)時(shí)的旁熱電阻(7)的溫度變化。另外，圖9表示啟動(dòng)時(shí)的中點(diǎn)電位(Vl)的變化。另外，圖10表示啟動(dòng)時(shí)對發(fā)熱體(6)施加的驅(qū)動(dòng)電流的變化。另外，圖8 圖10還表示在沒有第2溫度控制電路的情況下的特性。在啟動(dòng)的瞬間，由于發(fā)熱體(6)、旁熱電阻(7)以及檢測電阻(9a) (9d)是相同 的溫度，因此中點(diǎn)電位(Vl)成為比(V2)高的電位。在啟動(dòng)了的瞬間，由于DSP(22)的輸出為初始值或者不定值，因此從晶體管元件(202)供給的驅(qū)動(dòng)電流(Ih)成為適當(dāng)?shù)拇笮?。由于半?dǎo)體類型的發(fā)熱體￠)的熱容量微小，因此不管為怎樣的電流值發(fā)熱體(6)都開始發(fā)熱。接受到發(fā)熱體(6)的熱量的旁熱電阻(7)的電阻值上升，中點(diǎn)電位(Vl)下降。接著，在一定程度的時(shí)間經(jīng)過后的時(shí)間點(diǎn)旁熱電阻(7)的溫度超過第I指標(biāo)溫度，接近于第2指標(biāo)溫度。同時(shí)，中點(diǎn)電位(Vl)成為比中點(diǎn)電位(V2)低的電位，到達(dá)相當(dāng)于第2指標(biāo)溫度的電位(Vl')。以下對該狀態(tài)下的第2溫度控制電路(12)的動(dòng)作進(jìn)行說明。在第2溫度控制電路(12)中，比較器(14)根據(jù)(Vl)與(V2)之間的電位差檢測出到達(dá)(Vl')，將比較器(14)的輸出翻轉(zhuǎn)并輸出警告信號。接收到警告信號的開關(guān)元件
(16)將晶體管元件(202)與發(fā)熱體(6)之間的連接截?cái)唷Ｔ谠摖顟B(tài)下，由于在發(fā)熱體(6)中不流過電流，因此發(fā)熱量減少。同時(shí)，由于旁熱電阻(7)的溫度也降低，因此中點(diǎn)電位(Vl)向(V2)方向接近。于是，比較器(14)將警告信號解除，開關(guān)元件(16)再次成為連接狀態(tài)，旁熱電阻(7)的溫度再次上升，中點(diǎn)電位(Vl)再次接近于(Vl')。在第2溫度控制電路(12)反復(fù)執(zhí)行上述動(dòng)作的期間，DSP (22)脫離過渡狀態(tài)并輸出合適的控制量。于是，即使在連接了開關(guān)元件(16)的狀態(tài)下，旁熱電阻(7)的溫度也不再接近第2指標(biāo)溫度，之后根據(jù)第I溫度控制電路(11)的功能而穩(wěn)定于第I指標(biāo)溫度。然后，流量檢測電路(10)基于電極(304)以及(305)的電壓信號對正確的流量進(jìn)行檢測。在此，參照圖11對因熱容量偏差而對啟動(dòng)特性產(chǎn)生的影響進(jìn)行說明。在不存在第2溫度控制電路(12)的情況下，啟動(dòng)時(shí)的溫度上升不會(huì)被抑制，而是經(jīng)過曲線狀的溫度變化而收斂于目標(biāo)溫度。但是，由于熱容量的偏差成為產(chǎn)生過渡的偏差的主要因素，因此至穩(wěn)定為止所需要的時(shí)間也會(huì)產(chǎn)生規(guī)定的偏差A(yù)t'。另一方面，在存在第2溫度控制電路(12)的情況下，由于將啟動(dòng)時(shí)的溫度上升鉗位(clamp)于規(guī)定溫度，因此至收斂于目標(biāo)溫度為止所需的時(shí)間變短。進(jìn)而，由于直接對溫度進(jìn)行鉗位，因此熱容量的偏差不會(huì)影響鉗位溫度。從而，因熱容量偏差的影響而導(dǎo)致的啟動(dòng)時(shí)間的偏差成為相對于At'較小的At。接著，針對由第I實(shí)施例中的熱式流量傳感器所得到的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行說明。第I優(yōu)點(diǎn)在于，通過導(dǎo)入第2溫度控制電路(12)，從而能夠降低因制作誤差等而導(dǎo)致的熱容量的偏差對啟動(dòng)時(shí)特性所產(chǎn)生的影響，因此能夠得到穩(wěn)定的啟動(dòng)特性。其結(jié)果是，不需要按每個(gè)個(gè)體設(shè)置調(diào)整工序，并且，即使不將發(fā)熱體(6)增大也能夠確保均勻的啟動(dòng)特性。
第2優(yōu)點(diǎn)在于，通過導(dǎo)入第2溫度控制電路(12)，從而能夠抑制啟動(dòng)時(shí)的發(fā)熱體
(6)的溫度的過沖(overshoot)量，因此能夠縮短啟動(dòng)時(shí)間。其結(jié)果，由于發(fā)熱體(6)的溫度會(huì)更快穩(wěn)定，因此能夠縮短至開始流量檢測為止的等待時(shí)間?；蛘?，能夠更加確保用于自我診斷等的時(shí)間。第3優(yōu)點(diǎn)在于，通過導(dǎo)入第2溫度控制電路(12)，從而能夠預(yù)防旁熱電阻(7)的溫度成為比第2指標(biāo)溫度更高的溫度，因此能夠抑制因旁熱電阻(7)的熱而導(dǎo)致的劣化。圖12表示旁熱電阻(7)的經(jīng)時(shí)劣化的環(huán)境溫度依賴性。示出了如果抑制溫度，則能夠抑制劣化。其結(jié)果是，能夠長期地控制發(fā)熱體￠)的溫度，能夠長期地維持檢測精度。第4優(yōu)點(diǎn)在于，通過導(dǎo)入第2溫度控制電路(12)，從而作為在第I溫度控制電路
(11)產(chǎn)生故障的情況下的故障安全防護(hù)(fail safe)電路,能夠防止發(fā)熱體(6)的熱失控。由此，能夠安全地轉(zhuǎn)移至故障安全防護(hù)模式。另外，在本實(shí)施例中，雖然將開關(guān)元件(16)配置在晶體管元件(202)以及發(fā)熱體
(6)之間的通電路徑上，但即使配置在DA轉(zhuǎn)換器(201)以及晶體管元件(202)之間也能得到同樣的效果。并且，不一定需要設(shè)置比較器(14)，即使取代比較器(21)而設(shè)置模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(以下稱作AD轉(zhuǎn)換器)，并基于AD轉(zhuǎn)換器的輸出使開關(guān)元件(16)執(zhí)行動(dòng)作也能得到同樣的效果。(實(shí)施例2)針對本發(fā)明的第2實(shí)施例，參照圖3進(jìn)行說明。另外，圖3表示第2實(shí)施例的熱式流量傳感器的電路結(jié)構(gòu)。第2實(shí)施例中的熱式流量傳感器，通過取代第I實(shí)施例中的開關(guān)元件(16)而設(shè)置鉗位元件(17)而構(gòu)成。 在第2實(shí)施例中，穩(wěn)定狀態(tài)下的動(dòng)作與第I實(shí)施例中的動(dòng)作內(nèi)容沒有不同。過渡狀態(tài)下的動(dòng)作內(nèi)容中有一部分不同。具體而言，比較器(14)輸出了警告信號時(shí)鉗位元件(17)的動(dòng)作為切斷發(fā)熱體(6)與晶體管元件(202)之間的連接，且將發(fā)熱體(6)鉗位于規(guī)定電位。從而，對發(fā)熱體(6)施加固定的電壓。此時(shí)，優(yōu)選對發(fā)熱體(6)進(jìn)行鉗位的電位為接地電位或以接地電位為標(biāo)準(zhǔn)的電位。接著，針對通過第2實(shí)施例中的熱式流量傳感器所得到的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行說明。由第2實(shí)施例所得到的優(yōu)點(diǎn)在于，除了第I實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)之外，還能可靠地降低鉗位元件(17)工作時(shí)的發(fā)熱體端電壓。從而，能夠更加可靠地使發(fā)熱體￠)的溫度下降。另外，在本實(shí)施例中，雖然將鉗位元件(17)配置于晶體管元件(202)以及發(fā)熱體
(6)之間的通電路徑上，但即使配置在DA轉(zhuǎn)換器(201)以及晶體管元件(202)之間也能夠得到同樣的效果。這種情況下的鉗位電壓，優(yōu)選為晶體管元件(202)的射極電位或接地電位，或者以它們?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的電壓。另外，即使是將鉗位元件(17)配置于DSP(22)以及DA轉(zhuǎn)換器(201)之間，并將DSP(22)所輸出的數(shù)字值鉗位于規(guī)定值的結(jié)構(gòu)，也能得到同樣的效果。并且，不一定需要設(shè)置比較器(14)，即使取代比較器(21)而設(shè)置模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(以下稱作AD轉(zhuǎn)換器)，并基于AD轉(zhuǎn)換器的輸出使鉗位元件(17)執(zhí)行動(dòng)作也能得到同樣的效果。(實(shí)施例3)
關(guān)于本發(fā)明的第3實(shí)施例，參照圖4進(jìn)行說明。另外，圖4表示第3實(shí)施例中的熱式流量傳感器的電路結(jié)構(gòu)。第3實(shí)施例中的熱式流量傳感器，通過取代第I實(shí)施例中的開關(guān)元件(16)，而設(shè)置具有兩種電阻值的負(fù)載電阻(18a)以及(18b)、和選擇任一個(gè)電阻與發(fā)熱體(6)進(jìn)行連接的電阻切換開關(guān)(19)而構(gòu)成。另外，在本實(shí)施例中，各負(fù)載電阻的電阻值為(18a) < (18b)。在第3實(shí)施例中，穩(wěn)定狀態(tài)下的動(dòng)作與第I實(shí)施例中的動(dòng)作內(nèi)容沒有不同。不過，在穩(wěn)定狀態(tài)下與發(fā)熱體(6)連接的負(fù)載電阻為(18a)。在過渡狀態(tài)下的動(dòng)作內(nèi)容中有一部分不同。具體而言，當(dāng)比較器(14)輸出了警告信號時(shí)，電阻切換開關(guān)(19)將與發(fā)熱體(6)連接的負(fù)載電阻從(18a)切換為(18b)。從而發(fā)熱體(6)中流動(dòng)的電流被降低。接著，針對通過第3實(shí)施例中的熱式流量傳感器所得到的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行說明。由第3實(shí)施例所得到的優(yōu)點(diǎn)在于，除了第I實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)之外，還能降低電阻切換開關(guān)(19)工作時(shí)的驅(qū)動(dòng)電流(Ih)的變化。根據(jù)圖I所示的傳感器元件的結(jié)構(gòu)，由于發(fā)熱體(6)及旁熱電阻(7)、以及檢測電阻(9a) (9d)在薄膜區(qū)域(5)上接近地設(shè)置，因此有可能產(chǎn)生串?dāng)_。根據(jù)本實(shí)施例，由于能夠降低傳感器元件上的串?dāng)_所產(chǎn)生的噪聲，因此能夠以優(yōu)良的精度進(jìn)行發(fā)熱體(6)的溫度控制以及檢測電阻(9)所進(jìn)行的流量檢測。另外，在本實(shí)施例中，雖然將負(fù)載電阻(18a)，(18b)以及電阻切換開關(guān)(19)配置在晶體管元件(202)以及發(fā)熱體(6)之間的通電路徑上，但即使配置在DA轉(zhuǎn)換器(201)以及晶體管元件(202)之間也能得到同樣的效果。另外，不一定需要設(shè)置比較器(14)，即使取代比較器(21)而設(shè)置模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(以下稱作AD轉(zhuǎn)換器)，并基于AD轉(zhuǎn)換器的輸出使電阻切替開關(guān)(19)執(zhí)行動(dòng)作也能得到同樣的效果。并且，即使由可變電阻體構(gòu)成負(fù)載電阻(18)，并通過電阻切換開關(guān)(19)使可變電阻體的電阻值改變也能得到同樣的效果。另夕卜，將負(fù)載電阻(18)相對于發(fā)熱體(6)并聯(lián)連接也能得到同樣的效果。(實(shí)施例4)關(guān)于本發(fā)明的第4實(shí)施例，參照圖5進(jìn)行說明。另外，圖5表示第4實(shí)施例中的熱式流量傳感器的電路結(jié)構(gòu)。第4實(shí)施例中的熱式流量傳感器，通過如下方式構(gòu)成取代第I實(shí)施例中的開關(guān)元件(16)，而設(shè)置以不同的分頻比對基準(zhǔn)振蕩器(203)的輸出進(jìn)行分頻的分頻器(23a)以及(23b)、和選擇由分頻器(23a)生成的第I時(shí)鐘信號和由分頻器(23b)生成的比第I時(shí)鐘信號更低速的第2時(shí)鐘信號中的任一個(gè)作為DSP(22)的動(dòng)作時(shí)鐘的時(shí)鐘切換開關(guān)(24)。另外，在第4實(shí)施例中，穩(wěn)定狀態(tài) 下的動(dòng)作與第I實(shí)施例中的動(dòng)作內(nèi)容沒有不同。不過，在穩(wěn)定狀態(tài)下時(shí)鐘切換開關(guān)(24)選擇第2時(shí)鐘信號。過渡狀態(tài)下的動(dòng)作內(nèi)容中有一部分不同。具體而言，當(dāng)比較器(14)輸出了警告信號時(shí)，時(shí)鐘切換開關(guān)(24)將DSP(22)的動(dòng)作時(shí)鐘從第2時(shí)鐘信號切換為第I時(shí)鐘信號。這樣，DSP(22)的動(dòng)作速度被高速化，盡快脫離過渡狀態(tài)而轉(zhuǎn)移至穩(wěn)定狀態(tài)。接著，針對通過第4實(shí)施例中的熱式流量傳感器所得到的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行說明。通過第4實(shí)施例所得到的優(yōu)點(diǎn)在于，除了第I實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)之外，由于不對發(fā)熱體
(6)的驅(qū)動(dòng)電力進(jìn)行截?cái)嗷蛘咩Q位，因此不會(huì)產(chǎn)生圖10所示那樣的不連續(xù)的電流變化，而是成為平滑的動(dòng)作，能夠可靠地抑制串?dāng)_。這樣便能夠以優(yōu)良的精度進(jìn)行發(fā)熱體￠)的溫度控制以及檢測電阻(9)所進(jìn)行的流量檢測。
另外，作為本實(shí)施例的應(yīng)用例，即使新設(shè)置生成與基準(zhǔn)振蕩器不同周期的時(shí)鐘的第2基準(zhǔn)振蕩器，也能得到同樣的效果。另外，不一定需要設(shè)置比較器(14)，即使取代比較器(21)而設(shè)置模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(以下稱作AD轉(zhuǎn)換器)，并基于AD轉(zhuǎn)換器的輸出來切換時(shí)鐘切換開關(guān)(24)也能得到同樣的效果。并且，即使是將分頻器(23)的分頻比率設(shè)為可變，并根據(jù)比較器(14)的輸出來對分頻比率進(jìn)行變更的構(gòu)成，也能得到同樣的效果。(實(shí)施例5)關(guān)于本發(fā)明的第5實(shí)施例，參照圖6進(jìn)行說明。另外，圖6表示第5實(shí)施例中的熱式流量傳感器的電路 結(jié)構(gòu)。第5實(shí)施例中的熱式流量傳感器，通過如下方式構(gòu)成取代第4實(shí)施例中的分頻器
(23)，而設(shè)置存儲(chǔ)元件(204)、和選擇在存儲(chǔ)元件(204)中存儲(chǔ)的兩個(gè)不同的存儲(chǔ)值(204a)或(204b)作為DSP(22)的運(yùn)算常數(shù)的常數(shù)選擇開關(guān)(25)。另外，在本實(shí)施例中，使存儲(chǔ)值(204a)以及(204b)處于“(204a)的絕對值< (204b)的絕對值”的關(guān)系。另外，關(guān)于DSP(22)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，參照圖13進(jìn)行說明。另外，圖13是DSP(22)的運(yùn)算處理內(nèi)容例的框圖標(biāo)記。DSP(22)的內(nèi)部，例如由如下部件構(gòu)成比例放大器(401)、積分放大器(402)、積分器(403)、以及將比例放大器(401)的輸出與積分器(403)的輸出進(jìn)行加法運(yùn)算的加法器(404)。在第5實(shí)施例中，穩(wěn)定狀態(tài)下的動(dòng)作與第I實(shí)施例中的動(dòng)作內(nèi)容沒有不同。不過，在穩(wěn)定狀態(tài)下如圖6所示，常數(shù)選擇開關(guān)(25)選擇存儲(chǔ)值(204a)。另外，過渡狀態(tài)下的動(dòng)作內(nèi)容有一部分不同。具體而言，當(dāng)比較器(14)輸出了警告信號時(shí)，由于常數(shù)選擇開關(guān)
(25)對DSP(22)的輸入輸出增益進(jìn)行變更，因此將選擇目標(biāo)從存儲(chǔ)值(204a)切換至存儲(chǔ)值(204b)。這樣，設(shè)定于DSP(22)的比例放大器(401)以及積分放大器(402)的值產(chǎn)生變更，DSP(22)的輸入輸出增益增加。即，由于因反饋增益增加從而發(fā)熱體控制系統(tǒng)的響應(yīng)性提高，因此會(huì)盡快脫離過渡狀態(tài)而轉(zhuǎn)移至穩(wěn)定狀態(tài)。接著，針對通過第5實(shí)施例中的熱式流量傳感器所得到的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行說明。通過第5實(shí)施例所得到的優(yōu)點(diǎn)在于，除了第I實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)之外，由于不對發(fā)熱體
(6)的驅(qū)動(dòng)電力進(jìn)行截?cái)嗷蛘咩Q位，因此不會(huì)產(chǎn)生如圖10所示的不連續(xù)的電流變化，而成為平滑的動(dòng)作，能夠可靠地抑制串?dāng)_。這樣，便能夠以優(yōu)良的精度進(jìn)行發(fā)熱體(6)的溫度控制以及檢測電阻(9)所進(jìn)行的流量檢測。進(jìn)而，作為硬件僅追加存儲(chǔ)元件(204)便可應(yīng)對，因此以簡單的結(jié)構(gòu)便能夠得到上述優(yōu)點(diǎn)。另外，作為本實(shí)施例的應(yīng)用例，也可以與比例放大器(401)以及積分放大器(402)分別地設(shè)置調(diào)整用放大器。具體而言，存在使來自比較器(21)的輸入放大后輸入至各放大器的方法、或在加法器(404)的后級設(shè)置放大器的方法。另外，通過對DA轉(zhuǎn)換器(201)的增益、即動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行變更也能得到同樣的效果。(實(shí)施例6)關(guān)于本發(fā)明的第6實(shí)施例，參照圖7進(jìn)行說明。另外，圖7表示第6實(shí)施例中的熱式流量傳感器的電路結(jié)構(gòu)。第6實(shí)施例中的熱式流量傳感器，通過如下方式構(gòu)成取代第5實(shí)施例中的分頻器
(23)，而設(shè)置存儲(chǔ)元件(26)、和選擇在存儲(chǔ)元件(26)中存儲(chǔ)的兩個(gè)運(yùn)算處理程序(26a)或者(26b)作為DSP(22)的運(yùn)算處理程序的程序選擇開關(guān)(27)。另外，在本實(shí)施例中，使運(yùn)算處理程序(26a)以及(26b)的程序容量處于“(26a) > (26b)”的關(guān)系。在第6實(shí)施例中，穩(wěn)定狀態(tài)下的動(dòng)作與第I實(shí)施例中的動(dòng)作內(nèi)容沒有不同。不過，在穩(wěn)定狀態(tài)下程序選擇開關(guān)(27)選擇運(yùn)算處理程序(26a)。過渡狀態(tài)下的動(dòng)作內(nèi)容中有一部分不同。具體而言，在比較器(14)輸出了警告信號時(shí)，程序選擇開關(guān)(27)將DSP(22)的運(yùn)算處理程序變更為更短的運(yùn)算處理程序(26b)。這樣，由于DSP(22)的運(yùn)算周期實(shí)質(zhì)上被高速化，因此發(fā)熱體控制系統(tǒng)的響應(yīng)性提高，會(huì)盡快脫離過渡狀態(tài)而轉(zhuǎn)移至穩(wěn)定狀態(tài)。接著，針對通過第6實(shí)施例中的熱式流量傳感器所得到的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行說明。通過第6實(shí)施例所得到的優(yōu)點(diǎn)在于，除了第I實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)之外，由于不對發(fā)熱體
(6)的驅(qū)動(dòng)電力進(jìn)行截?cái)嗷蛘咩Q位，因此不會(huì)產(chǎn)生如圖10所示那樣的不連續(xù)的電流變化，而成為平滑的動(dòng)作，能夠可靠地抑制串?dāng)_。從而能夠以優(yōu)良的精度進(jìn)行發(fā)熱體￠)的溫度 控制以及檢測電阻(9)所進(jìn)行的流量檢測。進(jìn)而，作為硬件僅追加存儲(chǔ)元件(26)便可應(yīng)對，因此以簡單的結(jié)構(gòu)便能夠得到上述優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種熱式流量傳感器，其特征在于，具有 半導(dǎo)體基板； 空洞部，其設(shè)置于上述半導(dǎo)體基板； 絕緣膜，其在上述半導(dǎo)體基板上按照覆蓋上述空洞部的方式設(shè)置； 薄膜區(qū)域，其通過由上述絕緣膜覆蓋上述空洞部而形成； 發(fā)熱電阻體，其設(shè)置在上述絕緣膜上的上述薄膜區(qū)域上； 第I感溫電阻體，其設(shè)置在上述絕緣膜上的上述薄膜區(qū)域上，且電阻值根據(jù)溫度而產(chǎn)生變化； 發(fā)熱控制單元，其基于上述第I感溫電阻體的溫度，對上述發(fā)熱電阻體的溫度進(jìn)行控制； 第2感溫電阻體，其設(shè)置在上述發(fā)熱電阻體的附近，且電阻值根據(jù)溫度而產(chǎn)生變化；以及 流量檢測單元，其基于上述第2感溫電阻體的溫度，對流體的流量進(jìn)行檢測， 上述發(fā)熱控制單元基于成為上述第I感溫電阻體的目標(biāo)溫度的第I指標(biāo)溫度和成為上述第I感溫電阻體的保護(hù)溫度的第2指標(biāo)溫度，對上述發(fā)熱電阻體的溫度進(jìn)行控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的熱式流量傳感器，其特征在于， 上述第2指標(biāo)溫度被設(shè)定為比上述第I指標(biāo)溫度更高的溫度， 上述發(fā)熱控制單元具有第I溫度控制單元，其按照使上述第I感溫電阻體的溫度接近于第I指標(biāo)溫度的方式進(jìn)行控制；和第2溫度控制單元，其將上述第I感溫電阻體的溫度保持在第2指標(biāo)溫度以下。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱式流量傳感器，其特征在于， 上述第I溫度控制單元具有反饋控制單元，該反饋控制單元將基于上述第I感溫電阻體的溫度的信號作為輸入，并將提供給上述發(fā)熱電阻體的電力或電力指示值作為輸出。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱式流量傳感器，其特征在于， 上述第2溫度控制單元具有判定單元，該判定單元將基于上述第I感溫電阻體的溫度的信號作為輸入，判定上述第I感溫電阻體的溫度是否為上述第2指標(biāo)溫度以上。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱式流量傳感器，其特征在于， 上述第2溫度控制單元具有限制單元，該限制單元基于上述第I感溫電阻體的溫度與上述第2指標(biāo)溫度之間的溫度差，對提供給上述發(fā)熱電阻體的電力或電力指示值進(jìn)行限制。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的熱式流量傳感器，其特征在于， 上述限制單元具有將上述電力或上述電力指示值的傳遞路徑截?cái)嗟慕財(cái)鄦卧?br> 7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的熱式流量傳感器，其特征在于， 上述限制單元具有固定單元，該固定單元將上述電力或上述電力指示值固定于規(guī)定值。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的熱式流量傳感器，其特征在于， 上述限制單元具有負(fù)載電阻體，其能夠與上述發(fā)熱電阻體電連接且具有至少兩個(gè)以上的電阻值；以及連接單元，其選擇上述負(fù)載電阻體中任一個(gè)電阻值的電阻體來與上述發(fā)熱電阻體進(jìn)行電連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的熱式流量傳感器，其特征在于， 上述第2溫度控制單元具有高速化單元，該高速化單元基于上述第I感溫電阻體的溫度與第2指標(biāo)溫度之間的溫度差，將上述反饋控制單元的輸入輸出響應(yīng)高速化。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的熱式流量傳感器，其特征在于， 上述反饋控制單元具有數(shù)字轉(zhuǎn)換部，其將基于上述第I感溫電阻體的溫度的信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；和數(shù)字運(yùn)算處理部，其基于第I時(shí)鐘信號進(jìn)行運(yùn)算處理， 上述高速化單元具有第2時(shí)鐘生成部，其生成周期與上述第I時(shí)鐘信號不同的第2時(shí)鐘信號；和時(shí)鐘切換單元，其對使上述數(shù)字運(yùn)算處理部工作的時(shí)鐘信號進(jìn)行切換， 上述時(shí)鐘切換單元基于上述第I感溫電阻體的溫度以及第2指標(biāo)溫度之間的溫度差，對上述數(shù)字運(yùn)算處理部的動(dòng)作時(shí)鐘進(jìn)行切換。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的熱式流量傳感器，其特征在于， 上述反饋控制單元具有數(shù)字轉(zhuǎn)換部，其將基于上述第I感溫電阻體的溫度的信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；和數(shù)字運(yùn)算處理部，其基于上述數(shù)字信號進(jìn)行運(yùn)算處理， 上述高速化單元具有對上述數(shù)字運(yùn)算處理部的輸入輸出增益進(jìn)行變更的增益變更單元，且上述增益變更單元基于上述第I感溫電阻體的溫度與第2指標(biāo)溫度之間的溫度差，將上述數(shù)字運(yùn)算處理部的輸入輸出增益最大化。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的熱式流量傳感器，其特征在于， 上述反饋控制單元具有數(shù)字變換部，其將基于上述第I感溫電阻體的溫度的信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；數(shù)字運(yùn)算處理部，其基于上述數(shù)字信號進(jìn)行運(yùn)算處理；和存儲(chǔ)單元，其存儲(chǔ)至少兩個(gè)以上的不同處理程序， 上述高速化單元具有對上述數(shù)字運(yùn)算處理部的處理內(nèi)容進(jìn)行選擇的程序選擇單元， 上述程序選擇單元基于上述第I感溫電阻體的溫度與第2指標(biāo)溫度之間的溫度差，對上述數(shù)字運(yùn)算處理部的處理內(nèi)容進(jìn)行變更。
全文摘要
提供一種實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的啟動(dòng)特性和傳感器元件的劣化抑制，具有還可應(yīng)對發(fā)熱體的進(jìn)一步小型化的發(fā)熱體溫度控制單元的熱式流量傳感器。具有半導(dǎo)體基板；在半導(dǎo)體基板設(shè)置的空洞部；在半導(dǎo)體基板上以覆蓋空洞部的方式設(shè)置的絕緣膜；由絕緣膜覆蓋空洞部而形成的薄膜區(qū)域；在絕緣膜上的薄膜區(qū)域設(shè)置的發(fā)熱電阻體；設(shè)置在絕緣膜上的薄膜區(qū)域上且電阻值根據(jù)溫度而變化的第1感溫電阻體；基于第1感溫電阻體溫度來控制發(fā)熱電阻體溫度的發(fā)熱控制單元；設(shè)置在發(fā)熱電阻體的附近且電阻值根據(jù)溫度而變化的第2感溫電阻體；和基于第2感溫電阻體溫度來檢測流體流量的流量檢測單元，發(fā)熱控制單元基于第1感溫電阻體的目標(biāo)溫度和保護(hù)溫度，控制發(fā)熱電阻體的溫度。
文檔編號G01F1/69GK102620781SQ20121001930
公開日2012年8月1日 申請日期2012年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月31日
發(fā)明者中野洋, 半澤惠二, 松本昌大, 淺野哲 申請人:日立汽車系統(tǒng)株式會(huì)社