JP2001153707A - フローセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 測温体上の温度分布をなくし、かつ検出感
度、応答性に優れたフローセンサを提供する。 【解決手段】 ヒータ３の配線パターンを、流体の流れ
に沿った方向に連続して折り返される形状で、かつ電流
端子８、９の近傍では折り返し間隔が密で、中央部に近
づくに従って段階的に疎になる形状にした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流体の流量を検出
するフローセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、感熱式フローセンサとして、半導
体基板に形成された空洞部の上部にヒータを設け、この
ヒータが流体により冷却されることによって流体の流量
を測定する方式が提案されている（特公平６−４３９０
６号公報、特開平７−１７４６００号公報、特開平９−
２４３４２３号公報等参照）。

【０００３】感熱式フローセンサにおける従来例の１つ
を、図９に示す斜視図および図１０に示す平面図を用い
て説明する。

【０００４】単結晶シリコン等で形成された半導体基板
１に空洞部７が形成され、この空洞部７を橋架するよう
に電気的絶縁膜でダイアフラム２が作られている。ダイ
アフラム２には、中央に発熱体をなすヒータ３が形成さ
れ、その両脇に測温体５、６が形成されている。これら
ヒータ３および測温体５、６としては、Ｐｔ（白金）な
どの金属膜が使用されている。一方、流れの上流側の半
導体基板１上には流体温度計４が形成されている。この
流体温度計４は、金属配線で構成されており、その抵抗
値変動から温度が測定される。

【０００５】このような感熱式センサでは、流体温度計
４から得られる流体温度よりも一定温度高い温度になる
ようにヒータ３を加熱駆動する。流体が流れることによ
り、上流側に配置されている上流測温体５は熱を奪われ
て温度が下がり、下流側に配置されている下流測温体６
はヒータ３から熱が運ばれて温度が上昇し、この上流測
温体５と下流測温体６との温度差から流体の流速が計測
される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】この種の感熱式フロー
センサにおいては、ヒータ３と測温体５、６との熱の授
受が検出感度を決定する上で極めて重要な要因となる。
つまり、原理上最も高い検出感度を得るための理想状態
は、ヒータ３と測温体５、６との間の熱伝導が流体の流
れ方向を軸とした１次元状の熱伝導になることである。

【０００７】しかしながら、実際には、ヒータ３内の温
度は、流体の流れに沿ったＸ軸、それに直交するＹ軸共
に中心部では高く、周辺部では低くなっている。これ
は、主に、ヒータ３の周辺部から、ダイアフラム２を取
り囲む半導体基板１側に熱が散逸するためにヒータ３の
周辺部の温度が中心部より低下するために起きる。この
ため、ヒータ３に隣接してＹ軸方向に延びる上流測温体
５、下流測温体６では、ヒータ３の中心部の近傍点と端
部の近傍点で、常に温度分布が生じる。この様子を図１
１に示す。

【０００８】このため、実際に流体の流れによってヒー
タ３から測温体５、６への熱の授受が起きたときの検出
感度が低下してしまう。この問題を解決するためには、
測温体５、６上の温度分布を可能な限り均一にすること
が必要である。

【０００９】特開平４−１４５３７２号公報には、この
ような問題を解決するため、ヒータの温度分布が、中心
部から等温線が円弧状に広がる点に着目し、この分布形
状を補正するために測温体とヒータとの距離をヒータ中
心部よりヒータ端部で接近させるように、ヒータをＩ字
型に配置している。

【００１０】しかしながら、このようにヒータをＩ字型
とすると、ヒータと測温体との距離がヒータ端部を除く
部分において長くなる。この種のフローセンサの場合、
前述したようにヒータと測温体との熱の授受が非常に重
要であり、ヒータと測温体との距離が長くなると、応答
性、感度の低下が起きてしまう。

【００１１】本発明は上記問題に鑑みてなされたもの
で、測温体上の温度分布をなくし、かつ検出感度、応答
性に優れたフローセンサを提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明では、発熱体（３）の配線パ
ターンを、測温体（５、６）の配線と直交する方向に連
続して折り返した形状とし、かつ発熱体（３）の端部で
の折り返し配線の間隔を中心部よりも密にして、発熱体
（３）により形成される温度分布が測温体（５、６）に
平行な方向で一様になる形状としたことを特徴としてい
る。

【００１３】このことにより、測温体（５、６）上の温
度分布をなくすことができ、しかも発熱体（３）と測温
体（５、６）の間の距離を可能な限り短くすることがで
きるため、流量の検出感度、応答性を向上させることが
できる。

【００１４】請求項２に記載の発明では、発熱体（３）
の配線パターンを、測温体（５、６）の配線と直交する
方向に連続して折り返した形状とし、かつ発熱体（３）
の端部での配線幅を中心部よりも細くして、発熱体
（３）により形成される温度分布が測温体（５、６）に
平行な方向で一様になる形状としたことを特徴としてい
る。

【００１５】この発明においても、請求項１に記載の発
明と同様の効果を奏する。

【００１６】請求項３に記載の発明では、発熱体（３）
の配線パターンを、測温体（５、６）の配線と直交する
方向に連続して折り返した形状とし、かつ発熱体（３）
の端部での折り返し配線の間隔を中心部よりも密にする
とともに発熱体（３）の端部での配線幅を中心部よりも
細くして、発熱体（３）により形成される温度分布が測
温体（５、６）に平行な方向で一様になる形状としたこ
とを特徴としている。

【００１７】この発明においても、請求項１に記載の発
明と同様の効果を奏する。

【００１８】なお、発熱体（３）は、請求項４に記載の
発明のように、基板（１）に形成されたダイアフラム
（２）に、電流端子（８、９）を共通として並列あるい
は直列に複数個接続して配置されたものとしてもよい。

【００１９】請求項５に記載の発明では、発熱体（３）
の配線パターンを、１点を中心とした対称形状とし、測
温体（５、６）の配線パターンを、発熱体（３）と同心
円の円弧状の形状にしたことを特徴としている。

【００２０】このような配置にすることにより、発熱体
（３）の温度分布は、中心対称形となり、等温線は同心
円状になる。また、測温体（５、６）も発熱体（３）と
同心円状に配置されているため、測温体（５、６）上の
温度は均一になる。従って、測温体（５、６）上の温度
分布をなくすことができ、しかも発熱体（３）と測温体
（５、６）の間の距離を可能な限り短くすることができ
るため、流量の検出感度、応答性を向上させることがで
きる。

【００２１】この場合、具体的には、請求項６に記載の
発明のように、発熱体（３）の配線パターンを、一方の
端部から中心部に渦巻き状に進み、中心部で折り返して
中心部から他方の端部まで渦巻き状に進む２重渦巻き形
状とすることができる。この請求項６に記載の発明にお
いて、請求項７に記載の発明のように、測温体（５、
６）の配線パターンを、発熱体（３）の最外周部と同心
円の円弧状の形状で、外周部と等距離になるように配置
するのが好ましい。

【００２２】なお、請求項１ないし６に記載のフローセ
ンサにおいて、請求項８に記載の発明のように、発熱体
（３）の折り返し部分を曲線形状にすれば、折り返し部
分での電力集中と、その結果生ずるマイグレーション現
象を緩和し、断線に対する信頼性を確保することができ
る。

【００２３】また、請求項９に記載の発明のように、発
熱体（３）と測温体（５、６）との間に、ダミーの配線
パターン（１０）を形成すれば、発熱体（３）と測温体
（５、６）との間の熱伝達効率を向上させることができ
る。

【００２４】なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述
する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すも
のである。

【００２５】

【発明の実施の形態】（第１実施形態）図１に、本発明
の第１実施形態にかかる感熱式フローセンサの平面図を
示す。図９、図１０に示した従来例と同一または均等の
部分には、同一の符号を付し説明を省略する。

【００２６】図１において、半導体基板１の一面側の中
央部には、この半導体基板１に対し空洞部７を介して熱
的に絶縁されたダイアフラム２が形成されている。この
ダイアフラム２には、中央部にヒータ３が形成され、そ
の両側にそれぞれ独立した測温体５、６が形成されてい
る。これらヒータ３、測温体５、６は、Ｐｔ、多結晶シ
リコンなどの配線材料で形成されている。また、ヒータ
３には、ヒータ３に電流を流すための電流端子８、９が
設けられている。

【００２７】ヒータ３の配線パターンは、流体の流れに
沿った方向、すなわち測温体５、６の配線と直交する方
向が長手方向の直線部分となるように連続して折り返し
た形状で、かつ電流端子８、９の近傍（ヒータ３の端
部）では折り返し間隔が密で、中央部に近づくに従って
段階的に疎になる形状になっている。

【００２８】このような配線パターンとすることによ
り、通電時にはヒータ３の端部で発熱密度が高く、中央
部で低くなる。一方、ダイアフラム２側から半導体基板
１側への熱の散逸により、ヒータ３の端部では中心部よ
り熱が逃げやすくなる。この２つの効果が相殺されて、
ヒータ３周辺の温度分布は、図２に示すように、流体の
流れに直交する方向に均一となる。つまり、等温線が測
温体５、６の配線方向と平行になり、測温体５、６上で
の温度分布がなくなる。

【００２９】また、ヒータ３の配線の端面を測温体５、
６に揃える配置となるので、ヒータ３と測温体５、６間
の距離を可能な限り短くすることができる。この状態
で、図１の矢印方向から流体が流れてくると、この方向
に沿ってヒータ３と測温体５、６との間の熱の授受が純
粋に１次元状になり、流量の検出感度、応答性を向上さ
せることができる。 （第２実施形態）図３に、本発明の第２実施形態にかか
る感熱式フローセンサの要部の平面構成を示す。

【００３０】この実施形態では、第１実施形態のように
ヒータ３の折り返しパターンを変えるのではなく、ヒー
タ３の配線幅を変えている。つまり、ヒータ３の配線
を、ヒータ３の端部では配線幅が細く、中央部に近づく
に従って段階的に配線幅が太くなるようにしている。こ
のような配線パターンとすることにより、ヒータ３の密
度分布と熱の散逸度の分布が相殺されて、測温体５、６
上での温度分布をなくすことができる。

【００３１】なお、ヒータ３の配線パターンとして、上
記した第１実施形態と第２実施形態を組み合わせたもの
としてもよい。つまり、ヒータ３の端部では、折り返し
間隔が密で、かつ配線幅を細くし、中央部に近づくに従
って段階的に折り返し間隔が疎で、かつ配線幅を太くす
るようにしてもよい。

【００３２】また、上記したいずれの実施形態において
も、ヒータ３の配線パターンが折り返す部分の形状を曲
線、好ましくは図４に示すように、折り返し部分の配線
形状を一定曲率の半円状にしてもよい。通常、このよう
な折り返し部分は長期間通電することでマイグレーショ
ン（拡散）を起こし、断線等を誘起しやすいが、折り返
し部分の配線形状を曲線、好ましくは図４に示すような
一定曲率の半円状にすることで、折り返し部分での電力
集中と、その結果生ずるマイグレーション現象を緩和
し、断線に対する信頼性を確保することができる。

【００３３】また、上記した実施形態に示すヒータ３
を、ダイアフラム上に複数個形成し、それらを電流端子
８、９を共通として並列あるいは直列に接続した構成と
してもよい。 （第３実施形態）図５に、本発明の第３実施形態にかか
る感熱式フローセンサの要部の平面構成を示す。

【００３４】この実施形態では、ヒータ３の配線パター
ンを、第１、第２実施形態のような連続した折り返し形
状とするのではなく、２重の渦巻き形状にしている。こ
の場合、ヒータ３を流れる電流は、電流端子８から出発
し、渦巻き状にヒータ３の外周部から中心部に向かって
流れ、中心部で折り返して渦巻き状に外周部に向かって
流れて電流端子９に向かう。一方、測温体５、６は、こ
の渦巻き状のヒータ３の最外周部に隣接する形で同心円
上に配置されている。

【００３５】このような配置にすることにより、ヒータ
３の温度分布は中心対称形となり、等温線は同心円状に
なる。また、測温体５、６もヒータ３と同心円状に配置
されているため、測温体５、６上の温度は均一になる。
さらに、この実施形態では、ヒータ３の形状において折
り返し部分をなくすることができる。前述したように折
り返し部分は断線を誘起しやすいが、この実施形態では
折り返し部分がないため、断線の可能性は最小限とな
る。

【００３６】なお、この実施形態において、ヒータ３
は、２重渦巻き形状の他に、温度分布が１点を中心に対
称形となれば任意形状でよく、例えば、図６、図７に示
すような形状でもよい。また、このような形状にして折
り返し点が生じる場合は、折り返し部分の配線形状を曲
線、例えば図４に示すような一定曲率の半円状にするの
が好ましい。

【００３７】さらに、上記した第１ないし第３実施形態
において、ヒータ３と測温体５、６との間のダイアフラ
ム２上に、配線材料からなるダミーの配線パターンを形
成しても良い。例えば、第１実施形態に適用した場合に
は、図８に示すように、ダミー配線パターン１０が形成
される。このダミー配線パターン１０は、通電するため
のものではなく、ヒータ３と測温体５、６との間の熱伝
達効率を向上させるためのものである。

【００３８】また、上記した実施形態では、いずれもヒ
ータ３の両側に測温体５、６を配置するものを示した
が、ヒータ３の片側にのみ測温体を設けて流量検出を行
うように構成してもよい。

【００３９】また、上記した実施形態では、いずれも空
洞部７を半導体基板１の一面側に形成するものを示した
が、半導体基板１の裏面側に空洞部を形成して、その上
に薄膜構造部からなるダイアフラムを形成するようにし
てもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態にかかる感熱式フローセ
ンサの平面図である。

【図２】図１に示すフローセンサおけるヒータ３の温度
分布を示す図である。

【図３】本発明の第２実施形態にかかる感熱式フローセ
ンサの要部平面図である。

【図４】ヒータ３の配線パターンの折り返し部分を一定
曲率の半円状にした実施形態を示す図である。

【図５】本発明の第３実施形態にかかる感熱式フローセ
ンサの要部の平面図である。

【図６】ヒータ３の温度分布が１点を中心に対称形とな
る、他の実施形態を示す図である。

【図７】ヒータ３の温度分布が１点を中心に対称形とな
る、さらに他の実施形態を示す図である。

【図８】ヒータ３と測温体５、６との間にダミー配線パ
ターン１０を形成した実施形態を示す図である。

【図９】従来の感熱式フローセンサの斜視図である。

【図１０】従来の感熱式フローセンサの平面図である。

【図１１】従来の感熱式フローセンサにおけるヒータ３
の温度分布を示す図である。

【符号の説明】

１…シリコン基板、２…ダイアフラム、３…ヒータ、４
…流体温度計、５、６…測温体、７…空洞部、８、９…
端子、１０…ダミー配線パターン。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板（１）に、配線パターンで形成され
   た発熱体（３）および測温体（５、６）を設けて、流体
   の流量を検出するようにしたフローセンサにおいて、 前記発熱体（３）の配線パターンを、前記測温体（５、
   ６）の配線と直交する方向に連続して折り返した形状と
   し、かつ前記発熱体（３）の端部での折り返し配線の間
   隔を中心部よりも密にして、前記発熱体（３）により形
   成される温度分布が前記測温体（５、６）に平行な方向
   で一様になる形状としたことを特徴とするフローセン
   サ。
2. 【請求項２】 基板（１）に、配線パターンで形成され
   た発熱体（３）および測温体（５、６）を設けて、流体
   の流量を検出するようにしたフローセンサにおいて、 前記発熱体（３）の配線パターンを、前記測温体（５、
   ６）の配線と直交する方向に連続して折り返した形状と
   し、かつ前記発熱体（３）の端部での配線幅を中心部よ
   りも細くして、前記発熱体（３）により形成される温度
   分布が前記測温体（５、６）に平行な方向で一様になる
   形状としたことを特徴とするフローセンサ。
3. 【請求項３】 基板（１）に、配線パターンで形成され
   た発熱体（３）および測温体（５、６）を設けて、流体
   の流量を検出するようにしたフローセンサにおいて、 前記発熱体（３）の配線パターンを、前記測温体（５、
   ６）の配線と直交する方向に連続して折り返した形状と
   し、かつ前記発熱体（３）の端部での折り返し配線の間
   隔を中心部よりも密にするとともに前記発熱体（３）の
   端部での配線幅を中心部よりも細くして、前記発熱体
   （３）により形成される温度分布が前記測温体（５、
   ６）に平行な方向で一様になる形状としたことを特徴と
   するフローセンサ。
4. 【請求項４】 前記発熱体（３）および前記測温体
   （５、６）は、前記基板（１）に形成されたダイアフラ
   ム（２）に配設されており、前記発熱体（３）は、前記
   発熱体（３）に電流を流すための電流端子（８、９）を
   共通として、並列あるいは直列に複数個接続されている
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記
   載のフローセンサ。
5. 【請求項５】 基板（１）に、配線パターンで形成され
   た発熱体（３）および測温体（５、６）を設けて、流体
   の流量を検出するようにしたフローセンサにおいて、 前記発熱体（３）の配線パターンは、１点を中心とした
   対称形状になっており、前記測温体（５、６）の配線パ
   ターンは、前記発熱体（３）と同心円の円弧状の形状に
   なっていることを特徴とするフローセンサ。
6. 【請求項６】 前記発熱体（３）の配線パターンは、一
   方の端部から中心部に渦巻き状に進み、前記中心部で折
   り返して前記中心部から他方の端部まで渦巻き状に進む
   ２重渦巻き形状になっていることを特徴とする請求項５
   に記載のフローセンサ。
7. 【請求項７】 前記測温体（５、６）の配線パターン
   は、前記発熱体（３）の最外周部と同心円の円弧状の形
   状で、前記外周部と等距離になるように配置されている
   ことを特徴とする請求項６に記載のフローセンサ。
8. 【請求項８】 前記発熱体（３）の折り返し部分が、曲
   線形状になっていることを特徴とする請求項１ないし６
   のいずれか１つに記載のフローセンサ。
9. 【請求項９】 前記発熱体（３）と前記測温体（５、
   ６）との間に、前記発熱体（３）と前記測温体（５、
   ６）との間の熱伝達効率を向上させるためのダミーの配
   線パターン（１０）が形成されていることを特徴とする
   請求項１ないし８のいずれか１つに記載のフローセン
   サ。