JP2000146652A - マスフローセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】被測定流体の流れの乱流に起因するノイズ抑え
てマスフローセンサの測定精度を高め、併せて汎用性を
高める。 【解決手段】チップ基板１の上に発熱抵抗体３，測温抵
抗体４，５を流体の通流方向Ｐに並置形成してセンサチ
ップ６を構成し、該センサチップを被測定流体の流路内
に配置して流体の通流に伴う測温抵抗体の温度変化から
流量を測定するマスフローセンサにおいて、前記センサ
チップと一体に、その主面側の測温抵抗体，発熱抵抗体
に沿って被測定流体を層流状態に保って流す通流ガイド
部１２を組合せるものとし、その通流ガイド部は、セン
サチップの主面側を包囲してその基板に接合したトンネ
ル状の仕切カバー１２ａを基体として、該基体にセンサ
チップ側の抵抗体形成領域を挟んでその前後に流体の流
れ方向と平行に複数条の整流ブレード１２ｂ-1が並ぶた
整流部１２ｂを形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、管路内を流れるガ
スなどの流体流量を測定する電子式のマスフローセンサ
に関する。

【０００２】

【従来の技術】頭記したマスフローセンサとして、低伝
熱性の基板上に発熱体，測温体として機能する薄膜抵抗
体を流体の流れ方向に沿い並置形成してセンサチップを
構成し、該センサチップを被測定流体の流路内に配置し
て流体の通流に伴う抵抗体の温度変化から流量を測定す
るようにしたものが周知であり、その従来例の構成を図
４に示す。図において、１はシリコンを材料とした例え
ば□３〜５mm程度のチップ基板、２はチップ基板１の上
面に熱酸化法により形成した酸化シリコン膜、３は酸化
シリコン膜２の形成面を主面としてチップ基板１の上面
中央に形成した発熱抵抗体、４，５は発熱抵抗体３を挟
んでその両側の対称位置に形成した第１，第２の測温抵
抗体、３ａ，４ａ，５ａは各抵抗体３，４の端子部であ
り、これらでセンサチップ６を構成している。なお、矢
印Ｐは被測定流体の通流方向を表している。

【０００３】ここで、前記発熱抵抗体３，測温抵抗体
４，５は薄膜抵抗としてシリコン膜２の上面にホトリソ
グラフィの手法でパターン形成されている。また、抵抗
体３，４，５を形成した領域の下面側では、基板の熱容
量をできるだけ小さく抑えるために、酸化シリコン膜２
を残してチップ基板１を背面側からプラズマエッチング
などにより空洞部１ａを形成してダイヤフラム状に形成
している。

【０００４】かかる構成で発熱抵抗体３に定電流を通電
すると、その発熱で測温抵抗体４，５が加熱されて温度
が上昇する。この状態でセンサチップ６を被測定流体の
流路内に設置して矢印Ｐ方向に流体（例えば気体）を流
すと、流体はまず上流側に並ぶ第１の測温抵抗体４を通
過する過程で該抵抗体を冷却した後、後段の発熱抵抗体
３で加熱される。これにより、発熱抵抗体３の下流側に
並ぶ第２の測温抵抗体５は発熱抵抗体３の加熱で昇温し
た気体により加熱される。このような経過を辿って第１
の測温抵抗体４は温度が低下し、逆に第２の測温抵抗体
５は温度が上昇するとともに、その温度変化に相応して
測温抵抗体４，５の抵抗値が変化する。そこで、第１，
第２の測温抵抗体４，５をブリッジ回路（ホイートスト
ンブリッジ）の二辺に接続すれば、前記抵抗値に対応し
て変化するブリッジ回路の出力電圧からセンサチップ６
の周域を流れる流体の流量を測定することができる。な
お、流体が矢印Ｐと反対方向から流れた場合でも、前記
と同じ原理で流量を測定できる。

【０００５】一方、前記のセンサチップ６を使用して実
際に流体の流量を測定するには、図５で示すように被測
定流体が通流する主管路７から分岐したバイパス管路８
の内部にセンサチップ６を設置し、その抵抗体３〜５を
形成した主面を流路と平行に配置するようにしている。
なお、９はセンサチップ６と別な独立部品としてバイパ
ス管路８の入口側に設置して流体の流れを層流化する整
流板９である。そして、先記した測温抵抗体４，５の端
子部４ａ，５ａから引出したリード線をブリッジ回路
（ホイートストンブリッジ）１０に接続し、ブリッジ回
路１０の出力電圧をコントローラ１１に入力してバイパ
ス管路８に流れる流体の流量を測定する。なお、この場
合にあらかじめ主管路７とバイパス管路８との断面比を
補正値としてコントローラ１１に入力しておき、その断
面比率を基に演算処理して主管路７の流量を求めるよう
にしている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記した従
来構造のセンサチップのままでは、実使用面で高い測定
精度を確保することが困難であるほか、その設置面でも
種々な制約を受けるといった問題が残る。すなわち、 (1) チップセンサ５の主面に沿って被測定流体を流して
いる状態で、流体の流れに乱流があると、これが外乱要
因となって測温抵抗体４，５の温度が変動してその抵抗
値が変動し、これがノイズとなって測定誤差が発生す
る。

【０００７】(2) そのために、流量測定地点にチップセ
ンサ６を設置する場合に、管径の太い主管路７では乱流
の影響を受け易いことから、従来では図５のように主管
路７から分岐したバイパス管路８を設けてここにチップ
センサ６を組み込むとともに、さらにバイパス管路８に
は乱流防止のためにチップセンサ６の上流側に整流板９
を設置するなどして流体の流れができるだけ層流状態を
保つようにして対処している。そのために、使用先現場
の配管構造が複雑となるほか、主管路７の配管状況によ
ってはバイパス管路８が配管できない場合もあるなど、
その設置面での制約を受ける。本発明は上記の点に鑑み
なされたものであり、その目的は前記課題を簡易な手段
で解決できるように改良したマスフローセンサを提供す
ることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するこめ
に、本発明によれば、低伝熱性の基板上に発熱抵抗体，
測温抵抗体を流体の通流方向に沿い並置形成してセンサ
チップを構成し、該センサチップを被測定流体の流路内
に配置して流体の通流に伴う測温抵抗体の温度変化から
流量を測定するマスフローセンサにおいて、前記センサ
チップと一体に、その主面側の測温抵抗体，発熱抵抗体
に沿って被測定流体を層流状態に通流させる整流ガイド
部材を組合せる（請求項１）ものとし、具体的にはその
整流ガイド部材を次記のような形態で構成する。

【０００９】(1) 整流ガイド部材を、センサチップの主
面側を包囲してその基板に接合したトンネル状の仕切カ
バーを基体として、該基体にセンサチップ側の抵抗体形
成領域を挟んでその前後に流体の流れ方向と平行に複数
条の整流ブレードが並ぶた整流部を形成して構成する
（請求項２）。 (2) 整流ガイド部材をセンサチップの基板（シリコン）
とほぼ同等な熱膨張率をもつ材料（例えばパイレックス
ガラス）で構成する（請求項３）。

【００１０】かかる構成によれば、整流ガイド部材の整
流部を経てセンサチップの主面側を流れる被測定流体
は、周囲の通流状態に影響されることなく常に層流状態
に保たれので高い測定精度を確保できる。また、整流ガ
イド部材の両端側に整流部を形成することにより双方向
性が得られ、流体の通流方向が逆でも同様な機能が確保
できる。したがって、実際にマスフローセンサを被測定
流体の配管路に設置する場合には、従来のように主管路
にバイパス管路，およびそのバイパス管路内に設置する
整流板を設けることなく、主管路内に直接設置して精度
良く流量測定が行える。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面に基
づいて説明する。なお、実施例の図中で図４に対応する
同一部材には同じ符号を付してその説明は省略する。ま
ず、図１(a),(b) に実施例の基本構成を示す。すなわ
ち、シリコン製のチップ基板１の主面側に形成した酸化
シリコン膜２の上に薄膜抵抗で発熱抵抗体３，および第
１，第２の測温抵抗体４，５を形成したセンサチップ６
に対し、基板１の主面側に整流ガイド１２を一体接合し
てマスフローセンサを構成している。

【００１２】ここで、整流ガイド１２はセンサチップ６
の主面側を矢印Ｐ方向に流れる被測定流体を層流状態に
整える役目を果たすものであり、センサチップ６の主面
側を包囲してそのチップ基板１に接合したトンネル状の
仕切カバー１２ａを基体として、センサチップ６に形成
した抵抗体３〜５の形成領域を挟んで基体１２ａの前後
両端部に流体の流れ方向Ｐと平行に複数条の整流ブレー
ド１２ｂ-1が並ぶた整流部１２ｂを形成した構成にな
る。なお、１２ｂ-2は整流ブレード１２ｂ-1の間に形成
された溝状流路である。

【００１３】前記構成のマスフローセンサを被測定流体
の流れる流路に対し、流体の流れ方向Ｐと平行に配置す
ることにより、流体は整流ガイド１２の上流側整流部１
２ｂを通過する過程で層流となり、この層流状態を保っ
たまま発熱抵抗体３，第１，第２の測温抵抗体４，５の
領域を通流する。したがって、マスフローセンサの周囲
を流れる流体に乱流があってもその影響を受けることな
く、整流ガイド１２の中を流れる流体は常に層流状態に
保持たれるので高い測定精度が確保できる。

【００１４】なお、整流ガイド１２に形成した整流部１
２ｂは、センサチップ５に対して少なくとも抵抗体形成
領域の上流側に設ければ抵抗体領域を通流する流体の流
れが層流となるが、図示例のように整流部１２ｂをガイ
ド１２の両端側に対称的に設けて双方向性を持たせるこ
とにより、流体管路に設置する際にその向きを誤ること
がなく、また流体の流れ方向が反転するような管路でも
使用できる。

【００１５】また、整流部１２ｂを構成する整流ブレー
ド１２ｂ-1は層流を形成する機能に深く係わり合うこと
から、整流ガイド１２の設計に際しては整流部１２ｂの
溝状流路１２ｂ-2を通過する流体の流れが臨界レイノズ
ル数以下となるように整流ブレード１２ｂ-1の長さ，厚
さ，条数，配列ピッチなどを設定し、かつ性能テストで
確認して最適な値に決定するものとする。

【００１６】次に前記した整流ガイド１２の製作方法を
図２，図３について説明する。まず、整流ガイド１２の
材質については、その熱膨張率がチップ基板１のシリコ
ンと略同じのパイレックスガラス（ホウケイ酸低アルカ
リガラス）を採用する。

【００１７】そして、図２の実施例では、前記ガラスの
長尺な板材１３に対し、例えばサンドブラスト加工法に
より、定ピッチおきにチップセンサ６の抵抗体形成領域
に対向する凹所１３ａを形成（図２(a) 参照）した後、
ダイシングソーなどを使って凹所１３ａの両側に流体の
通流方向と平行に多数条の溝１３ｂを加工する（図２
(b) 参照）。次いで点線に沿って裁断し、図２(c) に示
す整流ガイド１２が完成する。また、図３の実施例で
は、ガラス板材１３に対してその長手方向に多数条の溝
１３ｂをダイシングソーで加工し（図３(a) 参照）、次
いで砥石などで使って前記溝１３ｂと直角方向に定ピッ
チおきに凹所１３ａを形成（図３(b) 参照）した後、点
線に沿って裁断して図３(c) に示す整流ガイド１２を完
成する。

【００１８】なお、上記方法で作製した整流ガイド１２
を図１に示したチップセンサ６に組付けるには、図２
(c) ，図３(c) に示した整流ガイド１２の向きを反転し
てチップ基板１の上に重ね合わせ、静電接合法（センサ
チップと整流ガイドを重ね合わせた状態で高温に加熱
し、両者間に高電圧を印加して接合する）で一体に接合
する。

【００１９】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の構成になる
マスフローセンサによれば、センサチップと一体に、そ
の主面側の測温抵抗体，発熱抵抗体に沿って被測定流体
を層流状態に通流させる整流部付きの整流ガイド部材を
組合せたことにより、整流ガイド部材の整流部を経てセ
ンサチップの主面側を流れる被測定流体を、周囲の通流
状態に影響されることなく常に層流状態に保って発熱抵
抗体，測温抵抗体の形成領域を流すことができ、これに
より乱流に起因するノイズを排除して高い測定精度が得
られる。したがって、マスフローセンサを被測定流体の
配管路に設置する場合でも、従来のように主管路にバイ
パス管路，およびそのバイパス管路内に設置する整流板
を省略して主管路に直接設置しても精度良く測定が行え
るので、それだけ設置面での制約が少なくなってマスフ
ローセンサの汎用性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例によるマスフローセンサの構成
図であり、(a) はその側断面図、(b) は(a) の矢視Ｘ−
Ｘ断面図

【図２】図１における整流ガイドの製作法の説明図であ
り、(a),(b) はその製作工程図、(c) は製作後外形斜視
図

【図３】図２と異なる整流ガイド製作法の説明図であ
り、(a),(b) はその製作工程図、(c) は製作後外形斜視
図

【図４】従来におけるマスフローセンサの構成図であ
り、(a) はその側断面図、(b) は(a) の矢視Ｘ−Ｘ断面
図

【図５】図４のマスフローセンサを使って流量測定を行
う際の設置状態を表す図

【符号の説明】

１ チップ基板 ３ 発熱抵抗体 ４ 第１の測温抵抗体 ５ 第２の測温抵抗体 ６ センサチップ １２ 整流ガイド １２ａ 仕切カバー １２ｂ 整流部 １２ｂ-1 整流ブレード

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】低伝熱性の基板上に発熱抵抗体，測温抵抗
   体を流体の通流方向に沿い並置形成してセンサチップを
   構成し、該センサチップを被測定流体の流路内に配置し
   て流体の通流に伴う測温抵抗体の温度変化から流量を測
   定するマスフローセンサにおいて、前記センサチップと
   一体に、その主面側の測温抵抗体，発熱抵抗体に沿って
   被測定流体を層流状態で通流させる整流ガイド部材を組
   合せたことを特徴とするマスフローセンサ。
2. 【請求項２】請求項１記載のマスフローセンサにおい
   て、整流ガイド部材がセンサチップの主面側を包囲して
   その基板に接合したトンネル状の仕切カバーを基体とし
   て、該基体にセンサチップ側の抵抗体形成領域を挟んで
   その前後に流体の流れ方向と平行に複数条の整流ブレー
   ドが並ぶ整流部を形成した構成になることを特徴とする
   マスフローセンサ。
3. 【請求項３】請求項２記載のマスフローセンサにおい
   て、整流ガイド部材をセンサチップの基板とほぼ同等な
   熱膨張率をもつ材料で構成したことを特徴とするマスフ
   ローセンサ。