发热电阻器式空气流量计的制作方法

文档序号:6100627
专利名称:发热电阻器式空气流量计的制作方法
技术领域
本发明涉及使用发热电阻器的空气流量计,例如,汽车的发动机控制等的吸入空气流量测量装置中所使用的发热电阻器式空气流量计。
背景技术
使用图2说明与本发明相关联的现有的发热电阻器式空气流量计的结构。该现有例在特开平9-203650号公报中予以公开。
发热电阻器1由电阻值有温度依赖特性的感温电阻器构成,配置在成为测量对象的空气流路中。发热电阻器1虽省略了图示,但实际上与流量检测元件(电阻2)及图中未表示的温度补偿用的感温电阻器一起,被组入惠斯登电桥(Wheatstone bridge)电路等中。然后,流经发热电阻器1的加热电流由加热电流控制电路10进行控制,以使发热电阻器1相对空气温度保持规定的发热温度(电阻值)。
由于该加热电流根据空气流量而变化,因此通过由电流检测电阻2对加热电流进行电压变换,可以得到流量检测信号V2。
即使空气流量为零,加热电流也会流经发热电阻器1。因此,流量检测信号V2除使用输出调整电路20放大之外进行零点调整,成为流量特性信号Vout。零点调整所必须的基准电压Vo,由内部基准电源电路30提供。
由于构成流量计的电阻元件或内部基准电源电路,因电路的温度变化电阻等的特性发生变化,随之流量特性信号Vout也发生变化,因此必须要补正其温度特性(输出变化)。
温度特性的补正,使用多个分压电阻器31、32、33、34进行。其中之一为调整用电阻。然后,预先调查对两点间的温度的流量计的输出变化(倾斜度),调整调整用电阻的电阻值以使产生用于消除该输出变化的补正信号。进一步,调查对三点间的温度的流量计的输出变化(非直线),为了输出补正其直线性的信号而调整电阻35的电阻值。象这样的调整,激光微调(laser trimming)方法简便。
内部基准电源电路30由利用了硅的带隙的带隙基准电源电路构成。该电源电路30、加热电流控制电路10和输出调整电路20,除一部分电阻之外一体化形成为半导体集成电路(IC)3。
在上述电路结构中,如果使用集成在IC3中的晶体管来构成温度特性的补正电路,则可以减少流量计的部件数量,使电路基板小型化。
温度特性补正用的调整电阻,为了调整而外置于IC3之外。在带隙基准电源电路中,仅外置所述调整用电阻、而其他的部件都在IC内作为单片(monolithic)电阻来形成,因下述理由而并不优选。
即、单片电阻因扩散零散偏差而造成基准电压的温度特性产生零散偏差。为此,很难进行流量计的特性调整。因此,在带隙基准电源电路的调整用电阻设为外置的情况下,为确保流量计的精度,必须将电源电路的全部电阻设为外置。
为此,在图2的实施例中,调整两点间的温度特性的调整电阻31、32、33、34是外置的。另外,是组合带隙基准电源电路的直线补正用调整电阻(与上述调整电阻温度系数不同)35而构成的。因此,在IC上设置的端子必须为3个以上。如果增加IC连接端子,则会给空气流量计的小型化及低成本化带来不利。
专利文献1特开平9-203650号公报。

发明内容
本发明的课题就是实现减少温度特性补正电路的调整用外置元件的连接端子的数量、而且即使在IC内组入温度特性补正用单片电阻也基本不受扩散零散偏差的影响的空气流量计。
本发明基本上如下所述那样构成。
即,在发热电阻器式空气流量计中,由温度特性补正电路,按照如下所述那样补正因空气流量计的电路温度而使输出产生变化的空气流量信号的温度特性。
该温度特性补正电路具有产生感应周围的温度而变化的补正用温度特性信号的电路、和将该温度特性信号变换为规定的比率的信号的电路。被变换为规定的比率的信号,经与空气流量信号进行加法运算后输入给输出调整电路。
按照上述构成,设置在产生空气流量信号的电路中的电阻元件或电路元件等因周围温度(电路温度)而变化,由此当空气流量信号的输出发生变化时,温度特性补正电路产生伴随与该温度特性相同倾向变化的信号(温度特性信号)。如果将该信号输入给输出调整电路以消除因空气流量信号的温度而造成的变化,则空气流量信号的温度特性得到补正。此时,为了适当补正空气流量信号的温度特性,在所述输出调整电路中调整并输入温度特性信号的比率。
上述本发明的优选方式,例如,输出调整电路由放大空气流量信号的运算放大器构成。温度特性补正电路产生电流,该电流具有因周围温度而发生变化的温度特性,将该电流以规定的比率分流为两个,通过将分流后的电流进行电压变换而形成规定的比率的温度特性信号。然后,将该规定比率的温度特性信号输入上述运算放大器的(+)、(-)输入端子。
按照上述构成,关于温度特性补正电路中所使用的信号的比率调整用电阻,由形成空气流量计的主电路的半导体集成电路(IC)的外部电阻构成,而关于其他的相关联的电阻则由IC内部的单片电阻构成,即使外部电阻与单片电阻为不同的温度系数,也可以良好地维持温度特性补正的精度。其详细情况,将在实施例中予以说明。
(发明效果)本发明由于可由IC的一个连接端子构成温度特性调整电路,因此能实现IC及流量计的高精度且实现小型化。


图1是本发明的一个实施例的等价电路图。
图2是现有的一个实施例的电路结构图。
图3是本发明的一个实施例的等价电路图。
图4是本发明的一个实施例的电路结构图。
图5是表示上述实施例中使用的输出调整电路的具体例的图。
图中1-发热电阻器,2-电流检测电阻,3-半导体电路基板(IC),10-加热电流控制电路,20-输出调整电路,23-运算放大器,30-内部基准电源电路,40-温度特性补正电路,41-温度特性电压产生电路,42-比率调整电路,46-直线性补正电路,44、45-2点间温度特性(比率调整)电阻,47-直线性补正量调整电路,48-直线性补正量调整电阻,Ves-内部基准电压,V2-流量检测电压,Vout-流量计输出信号,T4-2点间温度特性调整用IC连接端子,L4-直线性调整用IC连接端子。
具体实施例方式
图1是有关本发明的第一实施例的发热电阻器式空气流量计的等价电路图。
图1中,关于发热电阻器1、加热电流控制电路10及流量检测元件2,与上面在图2中所述的现有例是相同的结构,省略其说明。
在本实施例中,具有补正因空气流量计的电路温度而使输出发生变化的空气流量信号的特性、即空气流量信号的温度特性的温度特性补正电路40。
温度特性补正电路40具有温度特性电压产生电路41,其产生根据温度而变化的温度特性电压(例如与温度成比例的温度比例电压)Vt(以下称“Vt电路”);和比率调整电路42,其按规定的比率改变温度特性电压(温度特性信号)Vt。
由带隙电源电路构成的内部基准电源30的电压由电阻44、45进行分压,将该分压电压值作为比率调整信号Vex输入比率调整电路42。
比率调整电路42根据比率调整信号Vex按规定的比率改变温度特性电压Vt。该按规定的比率进行了改变的信号Voff4经与空气流量信号V2进行相加后输入输出调整电路20。
电阻44、45,其串联电阻值作为形成零点补正信号Ves的电阻值来进行设定。零点补正信号Ves经由端子Es输入输出调整电路20。
输出调整电路20例如由差动放大电路等构成。该输出调整电路20中被输入经相加了温度特性补正用比率变换信号Voff4的空气流量检测信号V2和零点补正信号Ves。图5中表示了输出调整电路20的一个例子,由例如运算放大器201及附随其的电阻(例如分压电阻、输入电阻、反馈电阻)202~205构成。V2输入运算放大器201的(+)端子,Ves经由分压电阻202、203及输入电阻204而输出(一)端子。
输出调整电路20以这些输入信号为基础,输出伴随温度特性补正和零点调整的空气流量信号Vout。
分压值Vex是用于决定比率调整电路42的输出Voff4的2点间温度特性(倾斜度)的。即,预先调整分压电阻44、45来决定Vex,以使Voff4成为适宜于补正因空气流量计的输出Vout的温度而产生的变化的值。
这里,IC3包括加热电流控制电路10、输出调整电路20、内部基准电源电路30、温度特性电压产生电路41、及比率调整电路42。另一方面,电阻44、45如上所述外置于IC3之外,并且由温度特性稳定的厚膜电阻形成。电阻44、45和检测电阻2,与IC3一起配置在印刷电路基板上,并分别通过端子与IC3连接。端子ES为零点调整电压输入用,端子T4为比率调整电压输入用。
电阻44、45的电阻值,在空气流量计制作阶段由例如激光微调来决定。即,在激光微调之前,预先在2点间(例如25℃和85℃)环境下产生已知的流量信号V2(可以是伪信号),调查其输出V2的温度特性,求取能得到可补正该温度特性的比率输出Voff4及零点调整电压Ves的电阻值,激光微调电阻44、45以得到这样的电阻值。
如上所述,空气流量计因电路的温度变化而造成输出(流量信号)Vout变化。由于其是因构成空气流量计的电阻元件或内部基准电源电路的温度特性而造成的,因此必须对其进行调整(补正)。
由于与空气流量信号V2相加的输出Voff4与流量信号V2的温度变化相抵,因此能够防止因空气流量计的输出Vout的温度特性造成的变化。
Vt电路41是对温度T、以a1、a2为比例常数,产生表记为Vt=a1+a2×T的温度特性电压。
按照本实施例,由输出调整电路20输出温度特性补正及被零点补正了的空气流量信号。
另外,能够在较宽温度范围内提高空气流量计的流量信号的输出精度。可是,在通过对补正用温度特性信号进行比率调整来补正空气流量信号的温度特性的情况下,即使将除比率调整电阻44、45之外的温度特性补正用电阻作为单片电阻而形成在IC3内,也可以采用能够抵消单片电阻彼此的特性零散偏差的电流镜电路等(详细情况将在图4的电路中讲述)。因此,仅通过如符号T4所示设置一个温度特性补正的IC3的外置元件用的端子,就可以进行流量计的温度特性调整。
使用图3的等价电路图说明本发明的第2实施例。
图3中与已述的图1符号相同的符号表示与图1的构成要素相同或共同要素。本实施例与第一实施例基本结构相同,不同点在于附加了当空气流量信号V2具有非直线性时将其补正为直线性的功能。
为此,附加了直线性补正电路46、调整直线性的补正量的电路47、该调整电路中使用的调整电阻48。
直线性补正电路46由一种乘法器构成,其一方输出端子中被输入Vt电路41的输出(温度特性电压)Vt,另一方输出端子中被输入由直线性补正量调整电路47所产生的用于调整直线性补正量的信号。
直线性补正量调整电路47形成将来自Vt电路41的输出Vt除以电阻48的值R48的信号(Vt/R48)。直线性补正电路46通过将Vt与Vt/R48相乘,作为VL4输出温度T的二次函数Vt2/R48。
然后,输出调整电路20被输入在来自流量检测电阻2的流量信号V2上相加了来自比率调整电路42的输出(温度特性补正信号)Voff4、零点补正信号Vo和来自直线性补正量调整电路47的输出VL4的信号。VL4被加在打消对应包含在输出V2的温度T的非直线成分的方向上。
从输出调整电路20放大输出在温度特性补正与零点补正上加上了直线性补正的输出Vout。
直线性补正电路46及直线性补正量调整电路47形成在IC3内,其调整用电阻48经由端子L4外置在IC3之外。
电阻48的电阻值R48,是在空气流量计的制作过程中,通过激光微调来被调整的。在激光微调之前,预先在3点间(例如-30℃、+25℃和70℃)环境下产生已知的流量信号V2(可以是伪信号)。然后,调查其输出V2的非直线性,根据该非直线性求取直线性补正量Vt/R48,根据此补正量激光微调电阻48以得到电阻值R48。电阻48由温度特性稳定的厚膜电阻形成。
在进行了直线性调整之后,如图1所述,进行用于流量信号的2点间的温度特性调整及零点调整的电阻44、45的激光微调。
根据本实施例,能够在较宽温度范围内提高空气流量计的流量信号的输出精度,而且,能够使用IC的连接端子T4和L4的2端子来调整(补正)流量计的2点温度特性调整和直线性。
图4是用晶体管电路实现本发明的第二实施例(图3)的具体样式的电路结构。
图4的实施例中,在构成输出调整电路20的运算放大器23的(+)输入端子上连接信号输入用的串联电阻RM24、Rm26,同样在(-)输入端子上连接串联电阻RM23、RM25。RM表示单片电阻。
晶体管Q7及单片电阻RM7为图3的Vt电路(温度特性电压产生电路)41的构成要素。在晶体管Q7的基极上,将由电阻RMI和RM2、RM3分压了内部基准电源电路30的基准电压Ves而得到的固定电压Vei作为VBB输入。晶体管Q7的发射极电位VE具有伴随晶体管的温度上升(IC3的温度上升)、温度变化为上升方向的温度特性。
发射极电位VE表示为电阻RM7的电阻值与电流I7的乘积,VE温度变化意味着电流I7温度变化。通过利用该电流I7的变化,即VE(相当于图3的温度特性电压VT;I7=VE/RM7)的变化,进行如下所述那样的温度特性调整。
如果将电阻RM7的电流I7用分压了基准电压Ves的电压Vei来表示,则由下式表示I7=VE/RM7=(Vei-VBE)/RM7…(式1)电流I7通过晶体管Q3、Q4及电流分配电路(电流镜电路)60A、60B,分配为I3、I4。该电流I3、I4的分配(比率)由分压电阻44、45、构成电流镜电路61的晶体管Q1、Q2、分配调整用输入晶体管Q11、Q12、Q13、Q14和单片电阻RM81、RM82等决定。
用电阻44、45分压了内部基准电压Ves得到的分压电压Vex,经恒流电路的晶体管Q11输入给晶体管Q13的基极。另一方面,用单片电阻RM1、RM2、RM3分压了内部基准电压Ves得到的分压电压Vei,经恒流电路的晶体管Q12输入给晶体管Q14的基极。
由该Vei、Ves,可将晶体管Q1、Q2的电流I1、I2用式2、式3表示。
I1=Vex/RM81 …(式2)I2=Vei/RM82 …(式3)如果设RM81=RM82,则I1/I2=Vei/Vex …(式4)晶体管Q1和Q2的基极/发射极电压VBE的差dVBE,由式5表示。
dVBE=(kT/q)×In{I1/I2}…(式5)式中,k为玻耳兹曼常数,T为温度,q为电荷,In为对数。
如图4所示,通过将晶体管Q1的发射极连接在晶体管Q3的基极、晶体管Q2的发射极连接在晶体管Q4的基极上,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,晶体管Q3和Q4的分流比通过调整由外部连接端子T4施加给IC3的晶体管Q11的电压Vex来决定。
被分配的电流I4用单片电阻RM24、26进行电压变换。该进行了电压变换的信号是包含相当于温度特性电压Vt的VE(晶体管Q7的发射极电位)的要素的信号,还要进行比率调整(分配)。该被进行了比率调整的信号V4与来自晶体管Q16的流量检测信号V2进行加法运算,并输入运算放大器23的(+)端子。
另一方被分配的电流I3用单片电阻RM23、25进行电压变换。该进行了电压变换的信号V3被输入到运算放大器23的(-)端子。另外,在运算放大器23的(-)端子上还将用外部电阻R18、R19分压了内部基准电压Ves而得到的电压Vsn作为零点补正电压输入。进一步,在运算放大器23的(-)端子上还被输入下述的用电阻RM23、RM25将电流I6进行电压变换、相当于流量信号V2的VL4的直线性补正信号成分VioL。
上述电压V3、V4相当于在图1、图3的实施例中的来自比率调整电路42的输出(温度特性补正信号)Voff4。
这里,在说明直线性补正信号VioL之前,先说明关于对由温度特性电压Vt产生的电流I7的上述单片电阻RMn(例如RM7、RM23~RM26等)的温度影响。
由于温度特性电压产生用的晶体管Q7的基极/发射极间电压VBE具有约-2mV/℃的温度梯度,可近似为式9那样。
VBE=VBE20-0.002(T-20) …(式9)式中,VBE20是常温20℃下晶体管的基极/发射极间电压。
如果单片电阻RMn的温度系数为α,其电阻的20℃时的电阻值设为RMn_20,则表示为RMn=RMn_20(1+α(T-20)) …(式10)RM7的电流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℃时的基极/发射极电压。
另外,分配电流I3、I4的信号差由式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)由于IC3的电阻值在同一IC内是以相同比率产生零散偏差的,因此由式17可见,电阻值的零散偏差相互抵消,可以得到与IC的零散偏差无关的温度特性调整电路。
下面对成为直线补正信号的电流I6进行说明。
由于连接于端子L4的电阻48(电阻值R48)是与IC3独立的电阻元件,因此与单片电阻相比可以使用温度变化充分小的电阻元件。
在连接于电流镜电路62的晶体管Q6的基极上施加用单片电阻RM1、RM2和RM3分压了内部基准电源Ves所得到的电压VBL。流经晶体管Q6的电流I6成为I6=(VBL-VBE)/R48 …(式18)电流I6通过电流镜62及电流镜63而流经单片电阻RM23。由于单片电阻RM23连接于运算放大器23的(-)端子,因此除已经说明了的电流I3量的信号(电压)之外被输入如下的信号。
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)由于式21是温度T的二次函数,因此通过预先调整连接于端子L4上的电阻R48的电阻值,并将VioL成分输入运算放大器23的(-)端子,除流量计输出的2点间温度特性之外温度特性直线性也得到补正。但是,直线性的补正量多少受到单片电阻的电阻值零散偏差的影响。
按照本实施例,仅在IC上设置T4、L4两个连接端子,就可以补正流量计的2点间温度特性和温度特性直线性。
本发明使用温度范围宽,可以适用于需要小型高性能的各种传感器中。
另外,在上述实施例中,虽是将流经发热电阻器的电流通过电压变换生成空气流量信号,但并非局限于此,例如只要是在发热电阻器的上下流上设置感温电阻器以根据两感温电阻器的温度差来检测空气流量等、能利用发热电阻器的加热电流控制的情况,就能成为本发明的适用对象。
权利要求
1.一种发热电阻器式空气流量计,其特征在于,具备配置在空气通路中的发热电阻器;加热电流控制电路,其控制流经所述发热电阻器的加热电流以使所述发热电阻器保持规定温度;流量检测电路,其利用所述发热电阻器的加热电流控制生成空气流量信号;输出调整电路,其放大并输出所述空气流量信号;和温度特性补正电路,其补正因空气流量计的电路温度而输出发生变化的所述空气流量信号的温度特性,所述温度特性补正电路具有产生感应周围的温度而变化的补正用温度特性信号的电路、和将该温度特性信号变换为规定的比率的信号的电路,将该被变换为规定的比率的信号与所述空气流量信号进行加法运算后输入给所述输出调整电路。
2.一种发热电阻器式空气流量计,其特征在于,具备配置在空气通路中的发热电阻器;加热电流控制电路,其控制流经所述发热电阻器的加热电流以使所述发热电阻器保持规定温度;流量检测电路,其利用所述发热电阻器的加热电流控制生成空气流量信号;运算放大器,其输入并放大所述空气流量信号;和温度特性补正电路,其为了补正所述空气流量信号的温度特性,产生电流,该电流具有因周围温度而电流值发生变化的温度特性,将该电流以规定的比率分流,通过将分流后的电流进行电压变换而形成规定的比率的信号,并输入给所述运算放大器的(+)(-)输入端子。
3.根据权利要求2所述的发热电阻器式空气流量计,其特征在于,所述加热电流控制电路、所述输出调整电路及所述温度特性补正电路,除一部分电阻外一体化形成为半导体集成电路,用于预先调整所述分流的电流的比率的电阻经由端子安装在所述半导体集成电路的外部,用于将所述分流的电流进行电压变换的电阻由形成在所述半导体集成电路中的单片电阻构成。
4.根据权利要求3所述的发热电阻器式空气流量计,其特征在于,用于调整所述电流的比率的电阻与所述单片电阻的电阻温度系数不同。
5.根据权利要求3所述的发热电阻器式空气流量计,其特征在于,所述温度特性补正电路,根据所述比率调整用电阻的电压值,将具有所述温度特性的电流用电流镜电路分流为两个。
6.根据权利要求2所述的发热电阻器式空气流量计,其特征在于,在所述运算放大器的(+)输入端子上,由所述温度特性补正电路产生的规定比率的信号的一方与所述空气流量信号进行加法运算并输入,在所述运算放大器的(-)输入端子上,所述规定比率的另一方与空气流量信号的零点补正信号进行加法运算并输入。
7.根据权利要求2所述的发热电阻器式空气流量计,其特征在于,在所述运算放大器的(+)输入端子上,由所述温度特性补正电路产生的规定比率的信号的一方与所述空气流量信号进行加法运算并输入,在所述运算放大器的(-)输入端子上,所述规定比率的另一方与空气流量信号的零点补正信号与直线补正信号进行加法运算并输入。
全文摘要
在发热电阻器式空气流量计中,由温度特性补正电路(40)补正因空气流量计的电路温度而输出发生变化的空气流量信号的温度特性。温度特性补正电路(40)产生感应周围的温度而变化的补正用温度特性信号,该温度特性信号被变换为规定的比率的信号。被变换为规定的比率的信号,与空气流量信号进行加法运算后输入给输出调整电路(20),空气流量信号的温度特性得到补正。上述比率调整用电阻(44、45)通过端子(ES)外置于空气流量计的IC(3)之外。因此本发明减少空气流量计的温度特性补正电路的调整用外置元件的连接端子数目。即使在IC内组入温度特性补正用的单片电阻,也能实现基本不受扩散零散偏差的影响的空气流量计。
文档编号G01F15/02GK1704733SQ20051007426
公开日2005年12月7日 申请日期2005年6月2日 优先权日2004年6月2日
发明者赤松培雄 申请人:株式会社日立制作所
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