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热膜式空气流量传感器是热线式空气流量传感器的改进型，它的发热体是热膜（由发热金属铂固定在薄的树脂膜上制成），而不是热线。热膜式空气流量传感器的发热体不直接承受空气流动所产生的作用力，增加了发热体的强度，提高了流量计的可靠性。同时与热线式流量传感器相比，热膜式流量计的热膜电阻的阻值较大，消耗电流较小，使用寿命较长。但是由于其发热元件表面的保护薄膜存在辐射热传导作用，因此响应特性稍差。热膜式空气流量传感器的结构及内部元件如图1-7所示。
图1-7 热膜式空气流量传感器的结构及内部元件
热膜式空气流量传感器内部的进气通道上设有一个矩形护套（相当于取样管），热膜电阻设在护套中。为了防止杂质沉积到热膜电阻上影响测量精度，在护套的空气入口一侧设有空气过滤层，用于过滤空气中的杂质。为了防止空气温度变化使测量精度受到影响，在热膜电阻附近的气流上游设有铂金属膜式温度补偿电阻。温度补偿电阻和热膜电阻与传感器内部控制电路连接，控制电路与线束连接器插座连接，线束设在传感器壳体中部。
热膜式空气流量传感器与热线式空气流量传感器的工作原理大致一样。传感器的热膜电阻R H 、温度补偿电阻R T 、精密电阻R 1 及R 2 、信号取样电阻R S 在电路板上以惠斯通电桥的方式连接，如图1-8所示。当空气气流流经发热元件并使其受到冷却时，发热元件即热膜电阻温度降低，阻值减小，电桥失去平衡，控制电路A将增大供给发热元件的电流，使其温度保持高于温度补偿电阻温度一个固定值（一般为100℃）。电流增量的大小取决于发热元件受到冷却的程度，即取决于流过传感器的空气量。当电桥电流增大时，信号取样电阻R S 上的电压就会升高，从而将空气流量的变化转化为信号电压 U S 的变化。信号电压输入ECU后，ECU可根据信号电压的高低计算出空气流量的大小。
图1-8 热膜式空气流量传感器电路
当发动机怠速或空气为热空气时，因为怠速时节气门关闭或接近全闭，所以空气流速低，空气量少；又因为空气温度越高，空气密度越小，所以在体积相同的情况下，热空气的质量小，因此发热元件受到冷却的程度小，阻值减小的幅度小，电桥平衡需要的电流小，如图1-9（a）所示，故信号取样电阻上的信号电压低。ECU根据信号电压即可计算出空气量。
图1-9 热膜式空气流量传感器的测量原理
当发动机负荷增大或空气为冷空气时，因为节气门开度增大，空气流速加快使空气流量增大；冷空气密度大，在体积相同的情况下冷空气质量大，所以发热元件受到冷却的程度增大，阻值减小的幅度大，保持电桥平衡需要的电流增大，如图1-9（b）所示，故信号电压升高。