發熱電阻器式空氣流量計的製作方法
2023-06-06 20:08:11
專利名稱：發熱電阻器式空氣流量計的製作方法
技術領域：
本發明涉及使用發熱電阻器的空氣流量計，例如，汽車的發動機控制等的吸入空氣流量測量裝置中所使用的發熱電阻器式空氣流量計。
背景技術：
使用圖2說明與本發明相關聯的現有的發熱電阻器式空氣流量計的結構。該現有例在特開平9-203650號公報中予以公開。
發熱電阻器1由電阻值有溫度依賴特性的感溫電阻器構成，配置在成為測量對象的空氣流路中。發熱電阻器1雖省略了圖示，但實際上與流量檢測元件(電阻2)及圖中未表示的溫度補償用的感溫電阻器一起，被組入惠斯登電橋(Wheatstone bridge)電路等中。然後，流經發熱電阻器1的加熱電流由加熱電流控制電路10進行控制，以使發熱電阻器1相對空氣溫度保持規定的發熱溫度(電阻值)。
由於該加熱電流根據空氣流量而變化，因此通過由電流檢測電阻2對加熱電流進行電壓變換，可以得到流量檢測信號V2。
即使空氣流量為零，加熱電流也會流經發熱電阻器1。因此，流量檢測信號V2除使用輸出調整電路20放大之外進行零點調整，成為流量特性信號Vout。零點調整所必須的基準電壓Vo，由內部基準電源電路30提供。
由於構成流量計的電阻元件或內部基準電源電路，因電路的溫度變化電阻等的特性發生變化，隨之流量特性信號Vout也發生變化，因此必須要補正其溫度特性(輸出變化)。
溫度特性的補正，使用多個分壓電阻器31、32、33、34進行。其中之一為調整用電阻。然後，預先調查對兩點間的溫度的流量計的輸出變化(傾斜度)，調整調整用電阻的電阻值以使產生用於消除該輸出變化的補正信號。進一步，調查對三點間的溫度的流量計的輸出變化(非直線)，為了輸出補正其直線性的信號而調整電阻35的電阻值。象這樣的調整，雷射微調(laser trimming)方法簡便。
內部基準電源電路30由利用了矽的帶隙的帶隙基準電源電路構成。該電源電路30、加熱電流控制電路10和輸出調整電路20，除一部分電阻之外一體化形成為半導體集成電路(IC)3。
在上述電路結構中，如果使用集成在IC3中的電晶體來構成溫度特性的補正電路，則可以減少流量計的部件數量，使電路基板小型化。
溫度特性補正用的調整電阻，為了調整而外置於IC3之外。在帶隙基準電源電路中，僅外置所述調整用電阻、而其他的部件都在IC內作為單片(monolithic)電阻來形成，因下述理由而並不優選。
即、單片電阻因擴散零散偏差而造成基準電壓的溫度特性產生零散偏差。為此，很難進行流量計的特性調整。因此，在帶隙基準電源電路的調整用電阻設為外置的情況下，為確保流量計的精度，必須將電源電路的全部電阻設為外置。
為此，在圖2的實施例中，調整兩點間的溫度特性的調整電阻31、32、33、34是外置的。另外，是組合帶隙基準電源電路的直線補正用調整電阻(與上述調整電阻溫度係數不同)35而構成的。因此，在IC上設置的端子必須為3個以上。如果增加IC連接端子，則會給空氣流量計的小型化及低成本化帶來不利。
專利文獻1特開平9-203650號公報。
發明內容
本發明的課題就是實現減少溫度特性補正電路的調整用外置元件的連接端子的數量、而且即使在IC內組入溫度特性補正用單片電阻也基本不受擴散零散偏差的影響的空氣流量計。
本發明基本上如下所述那樣構成。
即，在發熱電阻器式空氣流量計中，由溫度特性補正電路，按照如下所述那樣補正因空氣流量計的電路溫度而使輸出產生變化的空氣流量信號的溫度特性。
該溫度特性補正電路具有產生感應周圍的溫度而變化的補正用溫度特性信號的電路、和將該溫度特性信號變換為規定的比率的信號的電路。被變換為規定的比率的信號，經與空氣流量信號進行加法運算後輸入給輸出調整電路。
按照上述構成，設置在產生空氣流量信號的電路中的電阻元件或電路元件等因周圍溫度(電路溫度)而變化，由此當空氣流量信號的輸出發生變化時，溫度特性補正電路產生伴隨與該溫度特性相同傾向變化的信號(溫度特性信號)。如果將該信號輸入給輸出調整電路以消除因空氣流量信號的溫度而造成的變化，則空氣流量信號的溫度特性得到補正。此時，為了適當補正空氣流量信號的溫度特性，在所述輸出調整電路中調整並輸入溫度特性信號的比率。
上述本發明的優選方式，例如，輸出調整電路由放大空氣流量信號的運算放大器構成。溫度特性補正電路產生電流，該電流具有因周圍溫度而發生變化的溫度特性，將該電流以規定的比率分流為兩個，通過將分流後的電流進行電壓變換而形成規定的比率的溫度特性信號。然後，將該規定比率的溫度特性信號輸入上述運算放大器的(+)、(-)輸入端子。
按照上述構成，關於溫度特性補正電路中所使用的信號的比率調整用電阻，由形成空氣流量計的主電路的半導體集成電路(IC)的外部電阻構成，而關於其他的相關聯的電阻則由IC內部的單片電阻構成，即使外部電阻與單片電阻為不同的溫度係數，也可以良好地維持溫度特性補正的精度。其詳細情況，將在實施例中予以說明。
(發明效果)本發明由於可由IC的一個連接端子構成溫度特性調整電路，因此能實現IC及流量計的高精度且實現小型化。
圖1是本發明的一個實施例的等價電路圖。
圖2是現有的一個實施例的電路結構圖。
圖3是本發明的一個實施例的等價電路圖。
圖4是本發明的一個實施例的電路結構圖。
圖5是表示上述實施例中使用的輸出調整電路的具體例的圖。
圖中1-發熱電阻器，2-電流檢測電阻，3-半導體電路基板(IC)，10-加熱電流控制電路，20-輸出調整電路，23-運算放大器，30-內部基準電源電路，40-溫度特性補正電路，41-溫度特性電壓產生電路，42-比率調整電路，46-直線性補正電路，44、45-2點間溫度特性(比率調整)電阻，47-直線性補正量調整電路，48-直線性補正量調整電阻，Ves-內部基準電壓，V2-流量檢測電壓，Vout-流量計輸出信號，T4-2點間溫度特性調整用IC連接端子，L4-直線性調整用IC連接端子。
具體實施例方式
圖1是有關本發明的第一實施例的發熱電阻器式空氣流量計的等價電路圖。
圖1中，關於發熱電阻器1、加熱電流控制電路10及流量檢測元件2，與上面在圖2中所述的現有例是相同的結構，省略其說明。
在本實施例中，具有補正因空氣流量計的電路溫度而使輸出發生變化的空氣流量信號的特性、即空氣流量信號的溫度特性的溫度特性補正電路40。
溫度特性補正電路40具有溫度特性電壓產生電路41，其產生根據溫度而變化的溫度特性電壓(例如與溫度成比例的溫度比例電壓)Vt(以下稱「Vt電路」)；和比率調整電路42，其按規定的比率改變溫度特性電壓(溫度特性信號)Vt。
由帶隙電源電路構成的內部基準電源30的電壓由電阻44、45進行分壓，將該分壓電壓值作為比率調整信號Vex輸入比率調整電路42。
比率調整電路42根據比率調整信號Vex按規定的比率改變溫度特性電壓Vt。該按規定的比率進行了改變的信號Voff4經與空氣流量信號V2進行相加後輸入輸出調整電路20。
電阻44、45，其串聯電阻值作為形成零點補正信號Ves的電阻值來進行設定。零點補正信號Ves經由端子Es輸入輸出調整電路20。
輸出調整電路20例如由差動放大電路等構成。該輸出調整電路20中被輸入經相加了溫度特性補正用比率變換信號Voff4的空氣流量檢測信號V2和零點補正信號Ves。圖5中表示了輸出調整電路20的一個例子，由例如運算放大器201及附隨其的電阻(例如分壓電阻、輸入電阻、反饋電阻)202～205構成。V2輸入運算放大器201的(+)端子，Ves經由分壓電阻202、203及輸入電阻204而輸出(一)端子。
輸出調整電路20以這些輸入信號為基礎，輸出伴隨溫度特性補正和零點調整的空氣流量信號Vout。
分壓值Vex是用於決定比率調整電路42的輸出Voff4的2點間溫度特性(傾斜度)的。即，預先調整分壓電阻44、45來決定Vex，以使Voff4成為適宜於補正因空氣流量計的輸出Vout的溫度而產生的變化的值。
這裡，IC3包括加熱電流控制電路10、輸出調整電路20、內部基準電源電路30、溫度特性電壓產生電路41、及比率調整電路42。另一方面，電阻44、45如上所述外置於IC3之外，並且由溫度特性穩定的厚膜電阻形成。電阻44、45和檢測電阻2，與IC3一起配置在印刷電路基板上，並分別通過端子與IC3連接。端子ES為零點調整電壓輸入用，端子T4為比率調整電壓輸入用。
電阻44、45的電阻值，在空氣流量計製作階段由例如雷射微調來決定。即，在雷射微調之前，預先在2點間(例如25℃和85℃)環境下產生已知的流量信號V2(可以是偽信號)，調查其輸出V2的溫度特性，求取能得到可補正該溫度特性的比率輸出Voff4及零點調整電壓Ves的電阻值，雷射微調電阻44、45以得到這樣的電阻值。
如上所述，空氣流量計因電路的溫度變化而造成輸出(流量信號)Vout變化。由於其是因構成空氣流量計的電阻元件或內部基準電源電路的溫度特性而造成的，因此必須對其進行調整(補正)。
由於與空氣流量信號V2相加的輸出Voff4與流量信號V2的溫度變化相抵，因此能夠防止因空氣流量計的輸出Vout的溫度特性造成的變化。
Vt電路41是對溫度T、以a1、a2為比例常數，產生表記為Vt＝a1+a2×T的溫度特性電壓。
按照本實施例，由輸出調整電路20輸出溫度特性補正及被零點補正了的空氣流量信號。
另外，能夠在較寬溫度範圍內提高空氣流量計的流量信號的輸出精度。可是，在通過對補正用溫度特性信號進行比率調整來補正空氣流量信號的溫度特性的情況下，即使將除比率調整電阻44、45之外的溫度特性補正用電阻作為單片電阻而形成在IC3內，也可以採用能夠抵消單片電阻彼此的特性零散偏差的電流鏡電路等(詳細情況將在圖4的電路中講述)。因此，僅通過如符號T4所示設置一個溫度特性補正的IC3的外置元件用的端子，就可以進行流量計的溫度特性調整。
使用圖3的等價電路圖說明本發明的第2實施例。
圖3中與已述的圖1符號相同的符號表示與圖1的構成要素相同或共同要素。本實施例與第一實施例基本結構相同，不同點在於附加了當空氣流量信號V2具有非直線性時將其補正為直線性的功能。
為此，附加了直線性補正電路46、調整直線性的補正量的電路47、該調整電路中使用的調整電阻48。
直線性補正電路46由一種乘法器構成，其一方輸出端子中被輸入Vt電路41的輸出(溫度特性電壓)Vt，另一方輸出端子中被輸入由直線性補正量調整電路47所產生的用於調整直線性補正量的信號。
直線性補正量調整電路47形成將來自Vt電路41的輸出Vt除以電阻48的值R48的信號(Vt/R48)。直線性補正電路46通過將Vt與Vt/R48相乘，作為VL4輸出溫度T的二次函數Vt2/R48。
然後，輸出調整電路20被輸入在來自流量檢測電阻2的流量信號V2上相加了來自比率調整電路42的輸出(溫度特性補正信號)Voff4、零點補正信號Vo和來自直線性補正量調整電路47的輸出VL4的信號。VL4被加在打消對應包含在輸出V2的溫度T的非直線成分的方向上。
從輸出調整電路20放大輸出在溫度特性補正與零點補正上加上了直線性補正的輸出Vout。
直線性補正電路46及直線性補正量調整電路47形成在IC3內，其調整用電阻48經由端子L4外置在IC3之外。
電阻48的電阻值R48，是在空氣流量計的製作過程中，通過雷射微調來被調整的。在雷射微調之前，預先在3點間(例如-30℃、+25℃和70℃)環境下產生已知的流量信號V2(可以是偽信號)。然後，調查其輸出V2的非直線性，根據該非直線性求取直線性補正量Vt/R48，根據此補正量雷射微調電阻48以得到電阻值R48。電阻48由溫度特性穩定的厚膜電阻形成。
在進行了直線性調整之後，如圖1所述，進行用於流量信號的2點間的溫度特性調整及零點調整的電阻44、45的雷射微調。
根據本實施例，能夠在較寬溫度範圍內提高空氣流量計的流量信號的輸出精度，而且，能夠使用IC的連接端子T4和L4的2端子來調整(補正)流量計的2點溫度特性調整和直線性。
圖4是用電晶體電路實現本發明的第二實施例(圖3)的具體樣式的電路結構。
圖4的實施例中，在構成輸出調整電路20的運算放大器23的(+)輸入端子上連接信號輸入用的串聯電阻RM24、Rm26，同樣在(-)輸入端子上連接串聯電阻RM23、RM25。RM表示單片電阻。
電晶體Q7及單片電阻RM7為圖3的Vt電路(溫度特性電壓產生電路)41的構成要素。在電晶體Q7的基極上，將由電阻RMI和RM2、RM3分壓了內部基準電源電路30的基準電壓Ves而得到的固定電壓Vei作為VBB輸入。電晶體Q7的發射極電位VE具有伴隨電晶體的溫度上升(IC3的溫度上升)、溫度變化為上升方向的溫度特性。
發射極電位VE表示為電阻RM7的電阻值與電流I7的乘積，VE溫度變化意味著電流I7溫度變化。通過利用該電流I7的變化，即VE(相當於圖3的溫度特性電壓VT；I7＝VE/RM7)的變化，進行如下所述那樣的溫度特性調整。
如果將電阻RM7的電流I7用分壓了基準電壓Ves的電壓Vei來表示，則由下式表示I7＝VE/RM7＝(Vei-VBE)/RM7…(式1)電流I7通過電晶體Q3、Q4及電流分配電路(電流鏡電路)60A、60B，分配為I3、I4。該電流I3、I4的分配(比率)由分壓電阻44、45、構成電流鏡電路61的電晶體Q1、Q2、分配調整用輸入電晶體Q11、Q12、Q13、Q14和單片電阻RM81、RM82等決定。
用電阻44、45分壓了內部基準電壓Ves得到的分壓電壓Vex，經恆流電路的電晶體Q11輸入給電晶體Q13的基極。另一方面，用單片電阻RM1、RM2、RM3分壓了內部基準電壓Ves得到的分壓電壓Vei，經恆流電路的電晶體Q12輸入給電晶體Q14的基極。
由該Vei、Ves，可將電晶體Q1、Q2的電流I1、I2用式2、式3表示。
I1＝Vex/RM81 …(式2)I2＝Vei/RM82 …(式3)如果設RM81＝RM82，則I1/I2＝Vei/Vex …(式4)電晶體Q1和Q2的基極/發射極電壓VBE的差dVBE，由式5表示。
dVBE＝(kT/q)×In{I1/I2}…(式5)式中，k為玻耳茲曼常數，T為溫度，q為電荷，In為對數。
如圖4所示，通過將電晶體Q1的發射極連接在電晶體Q3的基極、電晶體Q2的發射極連接在電晶體Q4的基極上，可以使(式6)成立。
(kT/q)In{I1/I2}＝(kT/q)×In{I4/I3} …(式6)由此I1/I2＝I4/I3 …(式7)由式4、7得到I4/I3＝Vei/Vex …(式8)即，電晶體Q3和Q4的分流比通過調整由外部連接端子T4施加給IC3的電晶體Q11的電壓Vex來決定。
被分配的電流I4用單片電阻RM24、26進行電壓變換。該進行了電壓變換的信號是包含相當於溫度特性電壓Vt的VE(電晶體Q7的發射極電位)的要素的信號，還要進行比率調整(分配)。該被進行了比率調整的信號V4與來自電晶體Q16的流量檢測信號V2進行加法運算，並輸入運算放大器23的(+)端子。
另一方被分配的電流I3用單片電阻RM23、25進行電壓變換。該進行了電壓變換的信號V3被輸入到運算放大器23的(-)端子。另外，在運算放大器23的(-)端子上還將用外部電阻R18、R19分壓了內部基準電壓Ves而得到的電壓Vsn作為零點補正電壓輸入。進一步，在運算放大器23的(-)端子上還被輸入下述的用電阻RM23、RM25將電流I6進行電壓變換、相當於流量信號V2的VL4的直線性補正信號成分VioL。
上述電壓V3、V4相當於在圖1、圖3的實施例中的來自比率調整電路42的輸出(溫度特性補正信號)Voff4。
這裡，在說明直線性補正信號VioL之前，先說明關於對由溫度特性電壓Vt產生的電流I7的上述單片電阻RMn(例如RM7、RM23～RM26等)的溫度影響。
由於溫度特性電壓產生用的電晶體Q7的基極/發射極間電壓VBE具有約-2mV/℃的溫度梯度，可近似為式9那樣。
VBE＝VBE20-0.002(T-20) …(式9)式中，VBE20是常溫20℃下電晶體的基極/發射極間電壓。
如果單片電阻RMn的溫度係數為α，其電阻的20℃時的電阻值設為RMn_20，則表示為RMn＝RMn_20(1+α(T-20)) …(式10)RM7的電流I7由(式11)表示。
I7＝{Vei-(VBE_20-0.002(T-20))}/{RM7_20(1+α(T-20))} …(式11)式中，VBE_20是20℃時的基極/發射極電壓。
另外，分配電流I3、I4的信號差由式12表示Vio＝(RM24+RM26)×I4-(RM23+RM25)×I3 …(式12)RM23＝RM24，RM25＝RM26 …(式13)Vio＝(RM23+RM25)×(I4-I3) …(式14)＝(RM23+RM25)×I7×(Vex-Vei)/(Vex+Vei) …(式15)＝(RM23+RM25)/RM7×(Vex-Vei)/(Vex+Vei){Vei-(VBE_20-0.002(T-20))}…(式16)＝(RM23_20+RM25_20)/RM7_20×(Vex-Vei)/(Vex+Vei){Vei-(VBE_20-0.002(T-20))}…(式17)由於IC3的電阻值在同一IC內是以相同比率產生零散偏差的，因此由式17可見，電阻值的零散偏差相互抵消，可以得到與IC的零散偏差無關的溫度特性調整電路。
下面對成為直線補正信號的電流I6進行說明。
由於連接於端子L4的電阻48(電阻值R48)是與IC3獨立的電阻元件，因此與單片電阻相比可以使用溫度變化充分小的電阻元件。
在連接於電流鏡電路62的電晶體Q6的基極上施加用單片電阻RM1、RM2和RM3分壓了內部基準電源Ves所得到的電壓VBL。流經電晶體Q6的電流I6成為I6＝(VBL-VBE)/R48 …(式18)電流I6通過電流鏡62及電流鏡63而流經單片電阻RM23。由於單片電阻RM23連接於運算放大器23的(-)端子，因此除已經說明了的電流I3量的信號(電壓)之外被輸入如下的信號。
VioL＝-RM23×I6 …(式19)＝-RM23_20(1+α(T-20))×(VBL-VBE)/R48 …(式20)＝-RM23_20(1+α(T-20))×{VBL-(VBE_20-0.002(T-20))}/R48…(式21)由於式21是溫度T的二次函數，因此通過預先調整連接於端子L4上的電阻R48的電阻值，並將VioL成分輸入運算放大器23的(-)端子，除流量計輸出的2點間溫度特性之外溫度特性直線性也得到補正。但是，直線性的補正量多少受到單片電阻的電阻值零散偏差的影響。
按照本實施例，僅在IC上設置T4、L4兩個連接端子，就可以補正流量計的2點間溫度特性和溫度特性直線性。
本發明使用溫度範圍寬，可以適用於需要小型高性能的各種傳感器中。
另外，在上述實施例中，雖是將流經發熱電阻器的電流通過電壓變換生成空氣流量信號，但並非局限於此，例如只要是在發熱電阻器的上下流上設置感溫電阻器以根據兩感溫電阻器的溫度差來檢測空氣流量等、能利用發熱電阻器的加熱電流控制的情況，就能成為本發明的適用對象。
權利要求
1.一種發熱電阻器式空氣流量計，其特徵在於，具備配置在空氣通路中的發熱電阻器；加熱電流控制電路，其控制流經所述發熱電阻器的加熱電流以使所述發熱電阻器保持規定溫度；流量檢測電路，其利用所述發熱電阻器的加熱電流控制生成空氣流量信號；輸出調整電路，其放大並輸出所述空氣流量信號；和溫度特性補正電路，其補正因空氣流量計的電路溫度而輸出發生變化的所述空氣流量信號的溫度特性，所述溫度特性補正電路具有產生感應周圍的溫度而變化的補正用溫度特性信號的電路、和將該溫度特性信號變換為規定的比率的信號的電路，將該被變換為規定的比率的信號與所述空氣流量信號進行加法運算後輸入給所述輸出調整電路。
2.一種發熱電阻器式空氣流量計，其特徵在於，具備配置在空氣通路中的發熱電阻器；加熱電流控制電路，其控制流經所述發熱電阻器的加熱電流以使所述發熱電阻器保持規定溫度；流量檢測電路，其利用所述發熱電阻器的加熱電流控制生成空氣流量信號；運算放大器，其輸入並放大所述空氣流量信號；和溫度特性補正電路，其為了補正所述空氣流量信號的溫度特性，產生電流，該電流具有因周圍溫度而電流值發生變化的溫度特性，將該電流以規定的比率分流，通過將分流後的電流進行電壓變換而形成規定的比率的信號，並輸入給所述運算放大器的(+)(-)輸入端子。
3.根據權利要求2所述的發熱電阻器式空氣流量計，其特徵在於，所述加熱電流控制電路、所述輸出調整電路及所述溫度特性補正電路，除一部分電阻外一體化形成為半導體集成電路，用於預先調整所述分流的電流的比率的電阻經由端子安裝在所述半導體集成電路的外部，用於將所述分流的電流進行電壓變換的電阻由形成在所述半導體集成電路中的單片電阻構成。
4.根據權利要求3所述的發熱電阻器式空氣流量計，其特徵在於，用於調整所述電流的比率的電阻與所述單片電阻的電阻溫度係數不同。
5.根據權利要求3所述的發熱電阻器式空氣流量計，其特徵在於，所述溫度特性補正電路，根據所述比率調整用電阻的電壓值，將具有所述溫度特性的電流用電流鏡電路分流為兩個。
6.根據權利要求2所述的發熱電阻器式空氣流量計，其特徵在於，在所述運算放大器的(+)輸入端子上，由所述溫度特性補正電路產生的規定比率的信號的一方與所述空氣流量信號進行加法運算並輸入，在所述運算放大器的(-)輸入端子上，所述規定比率的另一方與空氣流量信號的零點補正信號進行加法運算並輸入。
7.根據權利要求2所述的發熱電阻器式空氣流量計，其特徵在於，在所述運算放大器的(+)輸入端子上，由所述溫度特性補正電路產生的規定比率的信號的一方與所述空氣流量信號進行加法運算並輸入，在所述運算放大器的(-)輸入端子上，所述規定比率的另一方與空氣流量信號的零點補正信號與直線補正信號進行加法運算並輸入。
全文摘要
在發熱電阻器式空氣流量計中，由溫度特性補正電路(40)補正因空氣流量計的電路溫度而輸出發生變化的空氣流量信號的溫度特性。溫度特性補正電路(40)產生感應周圍的溫度而變化的補正用溫度特性信號，該溫度特性信號被變換為規定的比率的信號。被變換為規定的比率的信號，與空氣流量信號進行加法運算後輸入給輸出調整電路(20)，空氣流量信號的溫度特性得到補正。上述比率調整用電阻(44、45)通過端子(ES)外置於空氣流量計的IC(3)之外。因此本發明減少空氣流量計的溫度特性補正電路的調整用外置元件的連接端子數目。即使在IC內組入溫度特性補正用的單片電阻，也能實現基本不受擴散零散偏差的影響的空氣流量計。
文檔編號G01F15/02GK1704733SQ20051007426
公開日2005年12月7日 申請日期2005年6月2日 優先權日2004年6月2日
發明者赤松培雄 申請人:株式會社日立製作所