CN117321425A - 传感器元件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种传感器元件，其能够获得宽的感测区域，抑制感测区域中的温度分布的不均匀性，并且获得大致恒定的传感器灵敏度。本发明的传感器元件(1)的特征在于，具有基体(2)、形成于所述基体的整个表面上且电阻值因温度变化而变化的感温膜(3)以及与所述感温膜的两端连接的配线部件(4、5)，所述感温膜具备与所述配线部件连接的连接区域和从各连接区域向所述基体的中央延伸的图案，所述图案的截面积被形成为在所述连接区域侧的截面积小于在所述基体的中央的截面积。
Description
技术领域
本发明涉及例如一种能够测量风速的传感器元件。
背景技术
已知一种热传感器元件，其将加热后的流量检测用电阻元件暴露于流体，并根据当时的散热作用而检测流体的流量。例如，在专利文献1、2中公开了一种风状态测量装置，其中，在截面为圆形的壳体的表面上分散粘贴有通过热传导而与外部气体进行热交换而受到外部气体的热影响的多个感温元件，并且测量在壳体周围流动的风的方向及速度。在专利文献1、2中，为了加热感温元件，在壳体内部具备加热器。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2020-8370号公报
专利文献2:日本特开2020-3354号公报
发明内容
发明所要解决的课题
但是，专利文献1、2的结构是将多个感温元件粘贴在壳体的表面上的结构，并且仅能够测量风与感温元件接触的区域的流量，感测范围受到限制。
此外，在专利文献1、2的结构中，将配置在壳体表面的多个感温元件的全部配线引出到壳体的下端，并且散热在下端附近变大。因此，配置在壳体的下端附近的感温元件的温度比从壳体的下端向上方分离配置的感温元件容易降低。其结果，各感温元件的温度分布的不均匀性变大。如上所述，存在传感器灵敏度在壳体的下端附近和上端附近容易不均匀性不同的问题。
因此，本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种传感器元件，其能够获得宽的感测区域，抑制感测区域中的温度分布的不均匀性，并且获得大致恒定的传感器灵敏度。
用于解决课题的技术方案
本发明的传感器元件的特征在于，具有基体、形成于所述基体的整个表面上且电阻值因温度变化而变化的感温膜以及与所述感温膜的两端连接的配线部件，所述感温膜具备与所述配线部件连接的连接区域和从各连接区域向所述基体的中央延伸的图案，所述图案的截面积被形成为在所述连接区域侧的截面积小于在所述基体的中央的截面积。
发明的效果
在本发明的传感器元件中，在基体的整个表面上形成感温膜。在感温膜上，图案从位于两端的连接区域向基体的中央延伸，并且图案的截面积被形成为在连接区域侧的截面积小于基体的中央的截面积。由此，能够增大在连接区域附近的发热。如上所述，能够扩大感测区域，改善在感测区域中的温度分布的不均匀性，并且获得大致恒定的传感器灵敏度。
附图说明
图1是本实施方式的传感器元件的侧视图。
图2是图1所示的传感器元件的剖面图。
图3是本实施方式的传感器元件的主视图。
图4是在图1所示的传感器元件上设置有覆盖膜的状态下的传感器元件的侧视图。
图5是本实施方式的传感器元件的电路图(一例)。
图6是在图7的(a)的模拟实验中使用的与图1不同的实施方式(实施例2)中的传感器元件的侧视图。
图7是比较例的传感器元件的侧视图。
图8的(a)是实施例1、2及比较例的温度分布的模拟结果(计算值)，(b)是实施例1的实测值。
图9是表示本实施方式的传感器元件的变形例的侧视图。
图10是表示本实施方式的传感器元件的变形例的侧视图。
具体实施方式
以下，将详细说明本发明的一个实施方式(以下简称为“实施方式”)。本发明并不限于以下的实施方式，并且可以在其主旨的范围内进行各种变形来实施。此外，在以下说明的附图中，为了便于说明而改变了一部分的尺寸比。
<本实施方式中的传感器元件1的概要>
本实施方式的传感器元件1是热流量传感器元件，如图1、图2所示，具有电绝缘性的基体2、形成于基体2的整个表面上的感温膜3以及与感温膜3连接的第一配线部件4及第二配线部件5而构成。
本实施方式的基体2例如为球状。基体2只要是电绝缘物，就没有特别的材质限制。如果表示出一例，基体2例如由陶瓷形成。此外，不限定基体2的直径，并可以根据使用用途进行各种调整。如果表示出一例，基体2的直径可以为4mm左右。
如图2所示，在基体2上形成有沿X1-X2方向贯通的贯通孔9。
在基体2的整个表面上形成的感温膜3的电阻值因温度变化而变化。感温膜3因配线部件4、5之间的导通而被保持为温度高的状态，并且被控制为当受到风冲击时，感温膜3的电阻值因感温膜3的温度变低而变化。
虽然不限定感温膜3的材质，但优选为铂(Pt)膜。通过使用铂膜，能够减少随时间推移的劣化。由此，能够在基体2的整个表面上形成由铂构成的耐久性优异的感温膜3。此外，还可以选择镍(Ni)膜。
如图2、图3所示，第一配线部件4穿过基体2的贯通孔9，第一配线部件4的X1侧的端部4a和感温膜3经由导电膜13电连接。导电膜13例如是导电性粘接剂。此外，如图2所示，第二配线部件5在基体2的X2侧，经由导电膜13与感温膜3电连接。如图2所示，第一配线部件4在X1侧的端部4a与感温膜3连接，并且穿过贯通孔9与第二配线部件5一起被引出到X2侧。
例如，第一配线部件4和第二配线部件5是引线，只要是导电性就不限定材质，例如，可以优选使用铜系、镍系的线材通过镀锡进行了表面处理的被覆铜线或铂系的线材、铂包层的镍系的线材。
感温膜3具备位于基体2的X1-X2方向的两侧的连接区域8和从各连接区域8向基体2的中央延伸的图案7。图案7以通过修整从X1侧向X2侧环绕基体2的表面的方式形成为螺旋状。符号6是修剪线。因此，基体2的表面通过该修剪线6而显现。修剪处理可以举出激光处理、蚀刻处理等。此外，也能够利用光刻技术形成图案7。此外，如下述所示，图1的图案7被分为第一图案7a至第三图案7c，但在仅标记为“图案7”的情况下，不区分第一图案7a至第三图案7c而指图案整体。
如图1、图2所示，图案7的宽度在X1-X2方向的两侧的宽度比基体2的中央的宽度更窄。在图1所示的实施方式中，图案7的宽度分3个阶段变化，由位于最靠近连接区域8且宽度最窄的第一图案7a、位于基体2的中央且宽度最宽的第二图案7b以及位于第一图案7a和第二图案7b之间且宽度比第一图案7a宽、比第二图案7b窄的第三图案7c构成。各图案7a～7c一体地连接并以一连串的螺旋状形成。
虽然是图案7的形成方法的一例，但如图1所示，在通过修剪感温膜3而与X1侧和X2侧的连接区域8连续形成了宽度最窄的第一图案7a之后，与第一图案7a连续形成宽度比第一图案7a宽的第三图案7c，并且在感温膜3表示出规定的电阻值时，结束修整。此时，在基体2的中央留下宽度最宽的第二图案7b。
此外，图案7的宽度由图1所示的X1-X2方向(基体2的直径方向)的宽度定义。因此，宽度的测量在图1所示的侧视图中出现的平面图像内进行。即，如图1所示，例如，在第一图案7a以2匝形成时，若沿基体2曲面测量宽度，则第一图案7a中位于最靠近连接区域8的第一匝的第一图案7a比位于其旁边的第二匝的第一图案7a略宽。但是，在本实施方式中，图案的宽度不是沿着基体的表面的方向的宽度，而是平行于X1-X2方向的宽度。在与X1-X2方向平行的方向上测量时，图1所示的各第一图案7a的宽度大致相同。关于第三模式7c也可以说是同样的。
在图1至图3中，为了便于说明，从传感器元件1省略了被覆膜的图示，但实际上，如图4所示，优选在形成于基体2的表面的感温膜3的表面上形成电绝缘性的保护膜10。例如，可以通过涂装、溅射等形成保护膜10。此外，保护膜10只要是电绝缘性的材质就不特别限定材质，但作为一例，例如可以举出环氧系树脂。
此外，如图4所示，从基体2的X2侧向同一方向(图示右方向)延伸出的第一配线部件4和第二配线部件5分别通过撑条11一体地被固定。此外，撑条11例如用粘接剂固定。如图4所示，第一配线部件4和第二配线部件5的右侧端部(X2侧的端部)从撑条11露出，并与未图示的控制装置电连接。
图5是包含本实施方式的传感器元件1的流量装置的电路图。如图5所示，由传感器元件1、温度补偿用电阻元件14、电阻器26、27构成桥接电路28。如图5所示，由传感器元件1和电阻器26构成第一串联电路29，由温度补偿用电阻元件14和电阻器27构成第二串联电路30。而且，第一串联电路29和第二串联电路30并联连接并构成桥接电路28。
如图5所示，第一串联电路29的输出部31和第二串联电路30的输出部32分别与差动放大器(放大器)33连接。桥接电路28连接有包括差动放大器33的反馈电路34。反馈电路34包括晶体管(未图示)等。
电阻器26、27的电阻温度系数(TCR)比传感器元件1及温度补偿用电阻元件14小。传感器元件1例如在被控制为比规定的周围温度仅高规定值的加热状态下具有规定的电阻值Rs1，此外，温度补偿用电阻元件14例如被控制为在上述周围温度下具有规定的电阻值Rs2。此外，电阻值Rs1小于电阻值Rs2。虽然不限定于此，例如电阻值Rs2是电阻值Rs1的几倍至十几倍左右。构成传感器元件1和第一串联电路29的电阻器26例如是具有与传感器元件1的电阻值Rs1同样的电阻值R1的固定电阻器。此外，构成温度补偿用电阻元件14和第二串联电路30的电阻器27例如是具有与温度补偿用电阻元件14的电阻值Rs2同样的电阻值R2的固定电阻器。
当风吹到传感器元件1时，作为发热电阻的传感器元件1的感温膜3的温度降低，并且传感器元件1所连接的第一串联电路29的输出部31的电位变动。由此，由差动放大器33获得差动输出。然后，在反馈电路34中，基于差动输出，对传感器元件1施加驱动电压。传感器元件1能够基于传感器元件1的加热所需的电压的变化来换算并输出风速。当风速变化时，感温膜3的温度随之变化，因此能够检测风速。
本实施方式中的传感器元件1具有以下特征的结构。
(1)在基体2的整个表面上形成有感温膜3。
(2)感温膜3具备与配线部件4、5连接的连接区域8和从各连接区域8向基体2的中央延伸的图案7。
(3)图案7的截面积在连接区域8侧形成得比基体2的中央小。
在本实施方式中，通过上述(1)的结构，能够将基体2的表面的大致整个区域作为感测区域。实际上，除了连接有各配线部件4、5的两端部附近以外，能够成为感测区域。在本实施方式中，能够获得围绕各配线部件4、5延伸的X1-X2方向的轴360度的无指向性。
在本实施方式中，通过上述(2)(3)的结构，能够抑制感测区域中的温度分布的不均匀性，但以下对这一点进行详细说明。
<关于图案7的宽度>
在本实施方式中，如图1所示，与位于基体2中央的第二图案7b的宽度T2相比，连接区域8侧的第一图案7a的宽度T1和第二图案7b的宽度T3更窄。而且，与比第一图案7a更靠近基体2中央的第三图案7c的宽度T3相比，靠近连接区域8一侧的第一图案7a的宽度T1更窄。此外，各图案7a～7c的宽度T1～T3也可以理解为修剪线6之间的间隔(间距)。
此外，由于基体2为球体，因此在图3的主视图中，若忠实地表示宽度，则越远离贯通孔9的开口，图案7a、7c的宽度看起来越要比实际的宽度窄，但减少可见的修剪线6，并且将第三图案17c图示为比第一图案7a看起来宽。
如图1所示，第一图案7a和第三图案7c分别以多匝形成，多个第一图案7a全部以宽度T1形成，此外，多个第三图案7c全部以宽度T3形成。而且，在基体2的中央形成有宽度T2最宽的第二图案7b。
此外，在图6所示的另一实施方式中，图案7由在基体2的X1-X2方向的两侧分开形成的宽度T1的第一图案7a和位于基体2中央的宽度T2的第二图案7b构成。这样，在图6所示的实施方式中，图案7的宽度从连接区域8侧向基体2的中央以两个阶段构成。
与此相对，在图7所示的比较例中，在整个感温膜3上形成一定宽度T4的图案12。在比较例中，由于在整体上形成一定宽度T4的图案12，因而各图案12的截面积(沿宽度方向向厚度方向切断时出现的面积)大致相同，并且每单位长度的发热量大致均匀。因此，在作为散热的主路径的各配线部件4、5的连接附近，感温膜3的温度容易下降。因此，在图7所示的比较例中，在感测区域的温度分布的间隔大的状态下成为热平衡状态。
因此，在图1、图6所示的各实施方式中，在各配线部件4、5的连接区域8侧和基体2的中央改变图案7的宽度，即，在连接区域8侧由宽度T1窄的第一图案7a形成，在基体2的中央由宽度T2宽的第二图案7b形成。由此，能够使各配线部件4、5的连接区域8侧的图案7的截面积比基体2的中央小。如上所述，能够增大各配线部件4、5的连接附近的每单位长度的发热量，并且在热平衡状态下，与图7的比较例相比能够抑制感测区域的温度分布的不均匀性，并且获得大致恒定的传感器灵敏度。此外，优选感测区域至少包含形成有图案7的区域，并且关于连接区域8，导电膜13扩展的端部附近至少不包含在感测区域中。
在图1所示的实施方式中，使图案7的宽度在3个阶段变化，在图6所示的实施方式中，使图案7的宽度在2个阶段变化，但也可以使宽度在4个阶段以上变化。此外，也可以形成为图案的宽度从各配线部件4、5的连接区域8侧朝向基体2的中央逐渐扩大。
<实施例和比较例的温度分布的实验>
以下，进行实施例1、2和比较例中的感温膜的温度分布的对比。在实施例1中使用图1所示的传感器元件，在实施例2中使用图6所示的传感器元件，在比较例中使用图7所示的传感器元件。在实施例1中，将靠近图1两端侧的第一图案7a的宽度T1设为0.15mm，并且通过多匝形成第一图案7a。此外，将第一图案7a之后的第三图案7c的宽度T3设为0.3mm，通过多匝形成第三图案7c，并且将感温膜3调整为规定的电阻值。电阻调整后，在两侧的第三图案7c之间留下宽度T2最宽的第二图案7b。
此外，在实施例2中，将靠近图6两端侧的第一图案7a的宽度T1设为0.15mm，通过多匝形成第一图案7a，并且将感温膜3调整为规定的电阻值。电阻调整后，在两侧的第一图案7a之间留下宽度T2最宽的第二图案7b。
此外，在比较例中，将图案12的宽度T4设为0.15mm，通过多匝形成，并且在基体2的表面的大致整个面上形成图案12。
图8的(a)是实施例1、2及比较例的温度分布的模拟结果(计算值)。横轴是测量点，相当于图1、图6及图7所示的X1-X2方向。
如图8的(a)所示，在整体地形成一定宽度T4的图案12的比较例中，温度分布变大，特别是，发现温度在感测区域的两侧(X1-X2方向的两侧附近)急剧降低。另一方面，在实施例1、2中，与比较例相比，改善了感测区域的温度分布。特别是，在图1所示的实施例1中，其中，图案宽度在连接区域8侧最窄，在基体2的中央最宽，并且在靠近连接区域的第一图案7a与基体2的中央的第二图案7b之间形成了具有中间宽度的第三图案7c，与实施例2相比，将感测区域的温度分布基本上做到了恒定。此外，在连接区域8侧形成宽度窄的第一图案7a、在中央形成了宽度宽的第二图案7b的实施例2中，与比较例相比，发现特别是能够抑制测量点的中央附近的温度分布。
接着，使用实施例1测量X1-X2方向的感温膜的温度分布。温度分布的测量使用热示踪器CPA-T530sc。在实验中，在配线部件4、5之间施加24mW的电力，并且用热示踪器测量感温膜3的温度分布。实验结果如图8的(b)所示。如图8的(b)所示，发现可以使感测区域的温度分布大致恒定。
如上所述，发现通过以窄宽度T1的第一图案7a形成靠近配线部件4、5的连接区域8的一侧，并且以比宽度T1宽的宽度T2的第二图案7b形成基体2的中央，与如比较例那样整体上形成一定宽度T4的图案12相比，能够使感测区域的温度分布大致恒定。这样，能够改善感测区域中的温度分布的不均匀性，并且能够在感测区域获得均匀的传感器灵敏度。
如上所述，在本实施方式的传感器元件1中，通过具备上述(1)～(3)的结构，能够扩大感测区域，改善感测区域中的温度分布的不均匀性，并且获得大致恒定的传感器灵敏度。特别是，在本实施方式中，无论风从围绕轴360度(X1-X2方向的周围360度)的哪个方向吹，都能够检测风速，并且获得大致恒定的传感器灵敏度，并且能够提高围绕轴360度的无指向性。
在上述的实施方式中，使图案7的宽度变化，但也可以改变图案7的厚度而将图案7的截面积调整为连接区域8侧比基体2的中央小。由此，能够增大各配线部件4、5的连接附近的每单位长度的发热量。因此，能够抑制感测区域中的温度分布的不均匀性，并且能够实现传感器灵敏度的大致均匀化。
或者，也可以通过改变图案7的宽度和厚度两者，或者改变一部分图案7的宽度的同时改变剩余的图案7的厚度，使图案7的截面积在连接区域8侧比基体2的中央小。
但是，宽度的调整比厚度的调整更可靠且简单，因此，优选调整为各配线部件4、5的连接区域8附近的图案7的宽度比基体2中央的图案7的宽度小。
此外，在本实施方式中，通过将基体2设为球体，能够实现小型化，具有响应性优异、并且不易扰乱气流的效果。但是，基体2不限于球体。例如，基体2也可以是椭圆体、图9所示的圆柱状等。在图9所示的实施方式中，在圆柱状的基体2的整个表面形成有感温膜3，并且在感温膜3上形成有连接配线部件4、5的连接区域8和从连接区域螺旋状地延伸到基体2的中央的图案7。图案7的宽度相对于基体2的中央在连接区域8侧变窄。在图9所示的实施方式中，也与图1同样，使图案7的宽度在连接区域8侧最窄，在基体2的中央最宽，并且在靠近连接区域的第一图案7a和基体2的中央的第二图案7b之间形成具有中间宽度的第三图案7c。由此，能够扩大感测区域，并且在配线部件4、5的连接部位附近增大发热，抑制感测区域中的温度分布的不均匀性，并且实现传感器灵敏度的大致均匀化。特别是，在本实施方式中，能够提高围绕轴360度的无指向性。
在图10所示的另一实施方式中，与图1不同，第一配线部件4和第二配线部件5分别从感温膜3的X1-X2方向的两端向远离外部的方向延伸。在图10所示的实施方式中，感温膜3也形成在基体2的整个表面上，并且感温膜3具有图案7，并且图案7的宽度与基体2的中央相比在配线部件4、5的连接区域侧更窄。由此，能够扩大感测区域，并且增大配线部件4、5的连接部位附近的发热，抑制感测区域的温度分布的不均匀性，并且实现传感器灵敏度的大致均匀化。特别是，能够提高围绕轴360度(X1-X2方向的周围360度)的无指向性。此外，在图10所示的实施方式中，与图1所示的实施方式不同，不需要在基体2上设置贯通孔9。
在本实施方式中，作为传感器元件1以风传感器元件为例，但也可以是能够检测液体的流速的传感器元件。
产业上的可利用性
根据本发明，能够抑制感测区域中的温度分布的不均匀性，并且能够制造无指向性且传感器灵敏度优异的传感器元件。因此，能够优选地适用于流体的方向不恒定的用途。在本发明中，传感器元件无论在室外和室内都能使用。如果在本发明的传感器元件中配置LED等发光元件，并且构成为在检测到风的情况下发光，则能够应用于灯饰用等。此外，也可以将本发明的传感器元件应用于实验、分析等。
本申请基于2021年5月20日申请的日本特愿2021-085160。其内容全部包含于此。
Claims (3)
1.一种传感器元件，其特征在于，具有：
基体；
感温膜，其形成于所述基体的整个表面上，并且电阻值因温度变化而变化；以及
配线部件，其与所述感温膜的两端连接，
所述感温膜具备与所述配线部件连接的连接区域和从各连接区域向所述基体的中央延伸的图案，
所述图案的截面积被形成为在所述连接区域侧的截面积小于在所述基体的中央的截面积。
2.根据权利要求1所述的传感器元件，其特征在于，
在所述连接区域侧的所述图案的宽度窄于在所述基体的中央的所述图案的宽度。
3.根据权利要求1或2所述的传感器元件，其特征在于，
所述基体为球体。
Applications Claiming Priority (3)
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Legal Events
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