JP2001183203A - フローセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 感熱式フローセンサにおいて、高流量側の測
定限界を高める。 【解決手段】 基板１上に設けられたブリッジ２に、ヒ
ータ３、測温体５が形成され、基板１におけるブリッジ
２の上流側に流体温度計４が形成されている。ヒータ３
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加熱制御される。そして、測温体
５で測定された温度と流体温度計４で測定された温度と
の差に基づいて流体の流量が測定される。ヒータ３に
は、中間端子Ｈｍ１が設けられており、高流量になった
ときに中間端子Ｈｍ１に所定の電圧が印加される。この
ことにより、ヒータ３の上流部の温度が上がり、測定限
界を高めることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、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、半導体基板に膜構成のヒータ（発
熱体）と測温体を設けて、ヒータおよび測温体に流れる
流体の流量を測定するようにしたフローセンサが種々提
案されている（特公平６−４３９０６号公報、特開平７
−１７４６００号公報、特開平９−２４３４２３号公報
など）。

【０００３】図２０に、従来のフローセンサの一例を示
す。基板１に空洞部６が形成され、この空洞部６を橋絡
するように空洞部６上に薄膜構造のブリッジ２が設けら
れている。このブリッジ２には、中央にヒータ３が形成
され、その両側に上流側測温体５１、下流側測温体５２
が形成されている。また、ブリッジ２以外の基板１上で
図中の白抜き矢印で示す流体の流れの上流側には、流体
の温度を検出するための流体温度計４が形成されてい
る。

【０００４】このようなフローセンサにおいて、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、上流側測温体５１は熱を奪われて温度が下が
り、下流側測温体５２はヒータ３から熱が運ばれて温度
が上昇し、上流側測温体５１と下流側測温体５２の温度
差から流体の流速が計測（検出）される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記した構造のフロー
センサにおいて、上流側測温体５１と下流側測温体５２
の温度差は、図２１に示すようになる。この図２１から
わかるように、低流量域では直線性が良いが、高流量域
では直線性が悪化している。これは上流側測温体５１で
は流速が増すと流体温度程度まで冷却されて流速に対し
て温度変化が少なくなり、下流側測温体５２では流れに
よるヒータ３からの加熱よりも流れによる冷却が強まる
ため、結果として温度差が生じなくなるためである。こ
のため、高流量側で測定に限界が生じる。

【０００６】本発明は上記問題に鑑みたもので、高流量
側の測定限界を高めることを目的とする。

【０００７】

【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、発熱体と測温体を有
し、発熱体の発熱時における測温体の測定値に基づいて
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、流体の流量に応じて発熱体の温度分布を変更するよ
うに構成したことを特徴としている。

【０００８】従来のものでは流量にかかわりなく発熱体
の温度分布を一定としていたため、高流量側で測定限界
が生じやすかったが、この発明のように流量に応じて発
熱体の温度分布を変更し、特に高流量になったときに測
温体への温度分布を高くするようにすれば、高流量側の
測定限界を高めることができる。

【０００９】なお、発熱体と測温体は、後述する実施形
態のように、測温体を発熱体の上流側に配置する、また
は測温体を発熱体の下流側に配置する、あるいは測温体
を発熱体の両側に配置するという、形態をとることがで
きる。また、発熱体と測温体は、空洞部を有する基板に
設けられた薄膜構造のブリッジもしくはダイアフラムに
形成するのが好ましい。

【００１０】上記した発熱体の温度分布の変更は、請求
項２に記載の発明のように、測温体の測定値に基づいて
行うようにすることができる。

【００１１】また、発熱体の温度分布の変更は、請求項
３に記載の発明のように、高流量域では、低流量域に比
べて、発熱体のうち測温体に近い部分の発熱量を多くす
るようにするのが好ましい。

【００１２】また、請求項４に記載の発明のように、少
なくとも高流量域において、発熱体の発熱量を測温体に
向かって段階的に多くなるようすれば、消費電力の無駄
を少なくしつつ流量の測定限界を高めることができる。

【００１３】また、請求項５に記載の発明のように、測
温体の測定値が流量に比例するように、流体の流量に応
じて発熱体の温度分布を変更するようにすれば、測温体
の温度の線形性を上げることができる。

【００１４】また、請求項６に記載の発明のように、発
熱体の中間端子に印可する電圧を制御するようにすれ
ば、発熱体全体の発熱量を多くした場合に比べ消費電力
を低減しつつ発熱体の温度分布を変更することができ
る。

【００１５】上記した測温体および発熱体は、請求項７
に記載の発明のように、１つの連続した抵抗体の配線パ
ターンで形成することができる。この場合、請求項８に
記載の発明のように、抵抗体の配線パターンに複数の端
子を接続し、それら複数の端子を選択するようにすれ
ば、抵抗体を、発熱体として利用する部分と測温体とし
て利用する部分に、製造後に使い分けることができる。

【００１６】また、請求項９に記載の発明のように、抵
抗体の配線パターンの一部を未使用領域とすれば、消費
電力を少なくすることができる。

【００１７】また、請求項１０に記載の発明のように、
発熱体を１つの連続した抵抗体の配線パターンで形成
し、その一部を未使用領域とすることもできる。この場
合も、抵抗体の配線パターンの一部を未使用領域とする
ことによって、消費電力を少なくすることができる。ま
た、請求項１１に記載の発明のように、抵抗体の配線パ
ターンに複数の端子を接続し、それら複数の端子を選択
するようにすれば、抵抗体を、発熱体用として利用する
部分と未使用領域用として利用する部分に、製造後に使
い分けることができる。

【００１８】請求項１２に記載の発明では、発熱体は、
３個以上の複数の端子を有するものであって、発熱体が
複数の抵抗体に分割されてそれぞれに電流が流れるよう
に、複数の端子に印加する電圧を設定したことを特徴と
している。

【００１９】このように複数の抵抗体のそれぞれに電流
を流すようにすることによって発熱量を多くすることが
でき、発熱体の温度を上げて高流量側の測定限界を高め
ることができる。

【００２０】請求項１３に記載の発明では、測温体の上
流側と下流側の両方に発熱体を配設したことを特徴とし
ている。

【００２１】このことにより、測温体の温度低下を防ぐ
ことができるため、高流量側の測定限界を高めることが
可能である。

【００２２】この場合、請求項１４に記載の発明のよう
に、測温体および発熱体を、１つの連続した抵抗体の配
線パターンで形成し、測温体として用いられる抵抗体の
上流側と下流側の両方に発熱体として用いられる抵抗体
を位置させるようにすることができ、さらに請求項１５
に記載の発明のように、抵抗体の配線パターンに複数の
端子を接続し、それら複数の端子を選択するようにすれ
ば、抵抗体を、発熱体として利用する部分と測温体とし
て利用する部分に、製造後に使い分けることができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】（第１実施形態）図１に、本発明
の第１実施形態に係る感熱式フローセンサの斜視図を示
し、図２に図１のＡ−Ａ線に沿った断面図を示す。

【００２４】図１、図２に示すように、基板１（例えば
Ｓｉを用いた半導体基板）には、空洞部６が形成され、
この空洞部６を橋架するように電気的絶縁膜でブリッジ
２が設けられている。ブリッジ２には、中央に発熱体を
なすヒータ３が形成され、その片脇に測温体５が形成さ
れている。ヒータ３および測温体５は、Ｐｔなどの金属
膜により形成されている。また、基板１上で図中の白抜
き矢印で示す流体（例えば、空気）の流れの上流側に
は、流体の温度を検出するための流体温度計４が形成さ
れている。なお、図中のＴＲ１、ＴＲ２、Ｔ１、Ｔ２、
Ｈ１、Ｈｍ１、Ｈ２は、流体温度計４、測温体５、ヒー
タ３それぞれの電極端子を示している。

【００２５】この第１実施形態に係るフローセンサは、
１つの測温体５と１つのヒータ３を有し、測温体５がヒ
ータ３よりも上流に配置されたもの（以下、上流側２線
式フローセンサという）になっている。

【００２６】上記した流体温度計４は、金属配線で形成
され、その抵抗値変動から温度が測定される。この流体
温度計４によって測定された流体温度をもとに、その流
体温度よりもΔＴだけ高い温度になるように、ヒータ３
が加熱制御される。具体的には、ヒータ３の両端端子Ｈ
１、Ｈ２に印加する電圧が、図示しない制御回路によっ
て制御される。通常、ヒータ３は、その両端端子Ｈ１、
Ｈ２に電圧をかけ、ヒータ３を流れる電流のジュール熱
によって、加熱される。なお、上記したΔＴの値は、例
えば２００℃程度の温度である。

【００２７】そして、このようなヒータ３の加熱制御の
下、図示しない処理回路において、上流測温体５で測定
された温度（上流測温体５の測定値、すなわち上流測温
体５の抵抗値から求められたもの）と流体温度計４で測
定された温度との差に基づいて流体の流量が測定（検
出）される。

【００２８】ここで、無風時には図３（ａ）に示すよう
に上流測温体５で温度Ｔ₀が測定され、低流量時には図
３（ｂ）に示すように上流測温体５で温度Ｔ_Lが測定さ
れ、高流量時には図３（ｃ）に示すように上流測温体５
で温度Ｔ_Hが測定される。しかし、高流量時には測定さ
れる温度Ｔ_Hは、低流量時に測定される温度Ｔ_Lより低い
ため、その測定に限界が生じる。このようなフローセン
サの流量の測定限界は、上流測温体５が流体温度程度ま
で冷却されて、流速に対して温度変化がなくなることに
よって決まる。

【００２９】そこで、この実施形態では、ヒータ３に中
間端子Ｈｍ１を設け、その中間端子Ｈｍ１に印加する電
圧を制御して、流量の測定限界を高めることができるよ
うにしている。

【００３０】すなわち、流量がある閾値よりも低い領域
（以下、低流量域という）では、中間端子Ｈｍ１を、例
えばフローティングもしくはヒータ３全体の電流が一様
となるような電圧にして、通常の場合と同様、ヒータ３
全体に一様な電流が流れるようにする。この場合、流量
がある閾値よりも低いか否かは、例えば測温体５によっ
て測定された温度がある閾値より高いか否かによって判
定することができる。

【００３１】また、流量がある閾値以上である高い領域
（以下、高流量域という）では、中間端子Ｈｍ１に所定
の電圧を与えることによって、ヒータ３の温度分布を変
更し、ヒータ３の上流部の温度を上げる。ここで、流量
の測定限界は、測温体５の温度が流体温度付近まで冷却
されることによって生じるので、ヒータ３の上流部の温
度を上げる（すなわち高流量時の測定温度を図３（ｄ）
に示すようにＴ_H’に上げる）ことにより、流量の測定
限界を高めることができる。

【００３２】この場合、流量検出を行う処理回路側で
は、中間端子Ｈｍ１への電圧印加状態を考慮して、低流
量および高流量のいずれの場合においても正確に流量検
出ができるようにしている。なお、以下に示す実施形態
においても、中間端子に電圧を印加して高流量側の測定
限界を高めるようにした場合には、それを考慮して流量
検出を行うようにしている。

【００３３】上記した実施形態においては、ヒータ３に
中間端子Ｈｍ１を設けて流量の測定限界を高めるものを
示したが、流量がある閾値以上になったときにヒータ３
の両端Ｈ１、Ｈ２にかける電圧を大きくし、ヒータ３全
体に流れる電流を大きくして、ヒータ３全体の温度を上
げるようにしてもよい。このようにしても、上流測温体
５が冷やされるのを防ぐことができるため、流量の測定
限界を高めることができる。但し、この方法と上記した
中間端子Ｈｍ１を用いる方法とを比較すると、中間端子
Ｈｍ１を用いる方法の方が消費電力が少なくなるため、
中間端子Ｈｍ１を用いる方法の方が好ましい。

【００３４】また、上記した実施形態では、低流量域に
おいて、ヒータ３全体に流れる電流を一定にし、ヒータ
３の温度分布をほぼ一様にするものを示したが、ヒータ
３の温度分布を変えるようにしてもよい。例えば、上流
側の端子Ｈ１と中間端子Ｈｍ１との間の電圧と下流側の
端子Ｈ２と中間端子Ｈｍ１との間の電圧の比を、低流量
のときも上流側の温度が下流側の温度よりも高くなるよ
うに設定してもよい。この場合、高流量域においては、
上流側の温度と下流側の温度の差がさらに大きくなるよ
うに、上流側の端子Ｈ１と中間端子Ｈｍ１との間の電圧
と下流側の端子Ｈ２と中間端子Ｈｍ１との間の電圧の比
を変化させる。具体的には、上流側の端子Ｈ１と中間端
子Ｈｍ１との間の電圧を、下流側の端子Ｈ２と中間端子
Ｈｍ１との間の電圧より大きくする。

【００３５】また、上記した実施形態では、中間端子Ｈ
ｍ１を１つ設けるものを示したが、中間端子を複数設け
て、高流量時の温度分布を細かく制御できるようにして
もよい。図４に、複数個の中間端子Ｈｍ１、Ｈｍ２、Ｈ
ｍ３を設けた例を示す。この場合、高流量時に上流側か
ら下流側に向かって電圧端子間で発生する熱量が段々低
くなる、言い換えればヒータ３の発熱量が測温体５に向
かって段階的に多くなるように制御すれば、消費電力の
無駄を少なくしつつ、流量の測定限界を高めることがで
きる。なお、高流量時だけでなく、低流量時にも同じよ
うな制御をしてもよい。

【００３６】また、上記した制御において、流量に対す
る測温体５の温度の線形性が最も良くなるように、中間
端子に印加する電圧を細かく制御するようにしてもよ
い。ここで、測温体５の温度の線形性を上げることに
は、次のようなメリットがある。一般に、フローセンサ
には、流体の脈動を検出することが要求される。脈動と
は、流体の流量が周期的に変化することをいう。脈動が
存在する場合のフローセンサの挙動を示す図５を用い
て、線形性のメリットを説明する。

【００３７】実際のフローセンサでは、応答遅れが必ず
存在するため、実際の脈動による流量の変化と比較して
必ず信号がなまる（脈動の振幅よりも、検出される振幅
が小さくなる）。このとき、脈動の平均流量を正しく検
出することが重要となる。これは、脈動の平均流量さえ
正しく検出できれば、流れた流体の全流量を正しく検出
することが可能だからである。図５（ａ）に、温度が流
量に比例する場合の特性を示す。この場合には、実際の
平均流量と見かけの平均流量（センサが検出する平均流
量）が一致している。図５（ｂ）に、温度が流量に比例
しない場合の特性を示す。この場合は、見かけの平均流
量が実際の平均流量を下まわっている。なお、見かけの
平均流量が実際の平均流量を下まわるのは、温度−流量
曲線が上に凸だからである。逆に、温度−流量曲線が下
に凸の場合は、見かけの平均流量が実際の平均流量を上
まわる。従って、温度が流量に比例する線形なフローセ
ンサが好ましい。

【００３８】なお、ヒータ３上の温度分布は、流量が０
の場合、厳密には一定にならず、中心部付近で最も高く
なり、端部で最も低くなる。しかし、上記した多端子抵
抗体構造とすることによって、温度分布を一様にするこ
ともできる。すなわち、多くの抵抗体の端部のみ若干電
圧を高くして、端部の発熱量が中心部の発熱量に対して
大きくなるように設定すれば、温度分布を一様にするこ
とができる。

【００３９】なお、フローセンサとしては、ブリッジ構
造のものに限らず、例えば図６および図７（図６のＢ−
Ｂ線に沿った断面図）に示すように、ダイアフラム２０
を有するダイアフラム構造のものであってもよい。以下
の実施形態においては、ブリッジ構造のフローセンサに
ついて説明するが、それをダイアフラム構造に変更する
ことは可能である。 （第２実施形態）上記した第１実施形態では、測温体５
をヒータ３の上流側に設けるものを示したが、図８に示
すように、測温体５をヒータ３の下流側に設け、１つの
測温体５と１つのヒータ３を有し、測温体５がヒータ３
よりも下流に配置されたもの（以下、下流側２線式フロ
ーセンサという）としてもよい。

【００４０】この実施形態のように、測温体５をヒータ
３の下流に配置した場合には、流れによってヒータ３の
熱が測温体５を加熱する効果よりも、流れによる測温体
５の冷却効果の方が大きくなることにより、高流量側の
流量の測定限界が決まる。そこで、この実施形態では、
次のような制御を行う。 （１）低流量域では、第１実施形態と同様に、中間端子
Ｈｍ１を、例えばフローティングもしくはヒータ３全体
の電流が一様となるような電圧にして、ヒータ３全体に
一様な電流を流す。 （２）高流量域では、中間端子Ｈｍ１に電圧を与え、ヒ
ータ３の下流部の温度を上げる。このことにより、測温
体５付近の加熱を強めることができ、測定限界を高める
ことができる。 （第３実施形態）上記した第１、第２実施形態では、測
温体５の位置をヒータ３の上流、下流とするものを示し
たが、測温体５はそれ以外の位置に配置することもでき
る。例えば、図９に示すように、測温体５をヒータ３の
真横に配置するようにしてもよい。この場合の制御方法
は、第１実施形態と同様である。 （第４実施形態）第１ないし第３実施形態では、１つの
測温体５と１つのヒータ３を有する２線式のフローセン
サを示したが、２つの測温体と１つのヒータを有し、２
つの測温体をそれぞれヒータの上流と下流に配置したも
の（以下、３線式フローセンサという）とすることもで
きる。

【００４１】図１０に、この実施形態に係る３線式フロ
ーセンサの斜視図を示す。

【００４２】流体温度計４によって測定された流体温度
をもとに、その流体温度よりもΔＴだけ高い温度になる
ように、ヒータ３が加熱制御される。そして、このよう
なヒータ３の加熱制御の下、図示しない処理回路におい
て、上流測温体５１で測定された温度と下流測温体５２
で測定された温度との差に基づいて流体の流量が測定さ
れる。

【００４３】この実施形態に係る３線式フローセンサ場
合、流量の測定限界は、上流測温体５１の温度が流体温
度付近まで冷却されること、および流れによる下流測温
体５２の冷却がヒータ３による下流測温体５２の加熱を
上回ることによって決まる。そこで、この実施形態で
は、次のような制御を行う。 （１）低流量域では、中間端子Ｈｍ１、Ｈｍ２、Ｈｍ３
を、例えばフローティングにして、通常の場合と同様、
ヒータ３全体に一様な電流が流れるようにする。 （２）高流量域では、上流中間端子Ｈｍ１と下流中間端
子Ｈｍ３に所定の電圧を与えることによって、ヒータ３
の温度分布を変更し、ヒータ３の上流部および下流部の
温度を上げる。流量の測定限界は、上記したように、上
流測温体５１の温度が流体温度付近まで冷却されるこ
と、および流れによる下流測温体５２の冷却がヒータ３
による下流測温体５２の加熱を上回ることによっている
ので、ヒータ３の上流部および下流部の温度を上げるこ
とによって、流量の測定限界を高めることができる。

【００４４】なお、上記した実施形態では、測温体５
１、５２の位置を上流および下流としたが、２つの測温
体５１、５２が流れに対して完全に真横の状態になけれ
ば、測温体５１、５２は、図１０に示す以外の位置に配
置することもできる。 （第５実施形態）この実施形態では、図１１に示すよう
に、ヒータ３に多数の端子Ｈ１〜Ｈ１３を設け、使用で
きる最大電圧をＶｍａｘ［Ｖ］としたときに、端子Ｈ
１、Ｈ３、Ｈ５、Ｈ７、Ｈ９、Ｈ１１、Ｈ１３にＶｍａ
ｘ［Ｖ］の電位を印加し、端子Ｈ２、Ｈ４、Ｈ６、Ｈ
８、Ｈ１０、Ｈ１２に０Ｖの電位を与えるものである。

【００４５】このヒータ３の全抵抗値をＲ［Ω］とした
とき、従来のように、ヒータ３の両端（図１１に示すＨ
１、Ｈ１２）にＶｍａｘ［Ｖ］の電圧をかけた場合、流
れる電流はＶｍａｘ／Ｒ［Ａ］、発熱量は、Ｖｍａｘ²
／Ｒ［Ｗ］となる。しかし、図１１のように、多数の中
間端子を設けて抵抗体をｎ等分（図１１では１２等分）
に分割した場合には、流れる電流はｎ×Ｖｍａｘ／Ｒ
［Ａ］、発熱量は、ｎ²×Ｖｍａｘ²／Ｒ［Ｗ］となり、
電流値、発熱量は、それぞれ、単に両端Ｈ１、Ｈ１２に
電圧をかけた場合のｎ倍、ｎ²倍となる。

【００４６】従って、十分な電流を得ることが可能で、
かつ最大電圧が制限される場合には、この実施形態のよ
うに、多数の端子を設けることによって、ヒータ３の温
度を上げることができ、高流量側の測定限界を高めるこ
とができる。 （第６実施形態）上記した第５実施形態のように、１つ
の連続した配線パターンで形成され多数の端子Ｈ１〜Ｈ
１３を有する抵抗体は、複数の抵抗体と見なし得る。従
って、複数の抵抗体のどれかをヒータとして利用し、他
のどれかを測温体として利用することも可能である。そ
こで、この実施形態では、図１２に示すように、上流側
のいくつかの抵抗体を測温体５として利用し、その下流
側のいくつかの抵抗体をヒータ３として利用している。
なお、図中の未使用領域７はあってもなくてもよい。

【００４７】この場合、端子Ｈ１を測温体５の測定端子
として用い、低流量域では、端子Ｈ３を０Ｖ、端子Ｈ１
１をＶｍａｘ、その他の端子をフローティングとして、
流量検出を行い、高流量域では、低流量域の状態に対
し、例えば端子Ｈ７に２／３Ｖｍａｘの電圧を印加する
ようにすれば、第１実施形態と同様に、流量の測定限界
をあげた流量検出を行うことができる。

【００４８】同様に、図１３に示すように、下流側を測
温体５とし、上流側をヒータ３として用いるようにする
こともできる。この場合、端子Ｈ１３を測温体５の測定
端子として用い、低流量域では、端子Ｈ３をＶｍａｘ、
端子Ｈ１１を０Ｖ、その他の端子をフローティングとし
て、流量検出を行い、高流量域では、低流量域の状態に
対し、例えば端子Ｈ７に２／３Ｖｍａｘの電圧を印加す
るようにすれば、第２実施形態と同様に、流量の測定限
界をあげた流量検出を行うことができる。

【００４９】同様に、下流側、上流側を測温体とし、中
間部分をヒータとすることも可能である。このようにす
れば、第４実施形態と同様に制御可能なフローセンサと
なる。

【００５０】これらの場合の制御方法は、それぞれ第１
ないし第４施形態と同じであるが、この実施形態の場
合、製造後に、測温体５とヒータ３の長さや位置関係を
変更できるというメリットがある。

【００５１】例えば、上流測温体５を持つ２線式フロー
センサにおいて、低速低流量のみを測定したい場合に
は、ヒータ３の幅は狭くてもよいことがわかっているた
め、図１２に示すように、上流側から測温体５、ヒータ
３、それから未使用領域７というように抵抗体を分配す
る。この場合、測温体５から遠い側の抵抗体を未使用領
域７としヒータ３として用いないため、消費電力の無駄
を省くことができる。逆に、高流量も含めて測定したい
場合には、未使用領域７を少なくあるいは無くして、ヒ
ータ３の幅をできるだけ広くしたり、第１実施形態と同
様の制御をすることによって、高流量側の測定限界を高
めることができる。

【００５２】また、未使用領域７は、ヒータ３の劣化を
判断（例えば、自己診断）するのに利用することもでき
る。すなわち、各端子Ｈ１〜Ｈ１３を同じ間隔で配置
し、抵抗体を同じ幅にしておけば、抵抗体は同じ抵抗値
を持つはずである。従って、未使用領域７が劣化しない
とすると、未使用領域７とヒータ３の抵抗値の差を求め
れば、ヒータ３が劣化したかどうかがわかる。また、各
端子Ｈ１〜Ｈ１３を同じ間隔に配置したり、抵抗体を同
じ幅にしたりしなくても、処理回路側の演算処理で、未
使用領域７とヒータ３の抵抗値を比較すれば、ヒータ３
の劣化を検出することができる。また、未使用領域７を
用いなくても、ヒータ３と測温体５の抵抗値を比較して
ヒータ３の劣化を検出するようにすることも可能であ
る。

【００５３】また、上記した実施形態において、測温体
５を別の抵抗線で形成してもよい。例えば、図１２に示
す実施形態に対し、図１４に示すように、構成してもよ
い。この場合、第１実施形態と同様の構成になるが、製
造後に未使用領域７を設定することが可能となり、使用
目的に応じて消費電力の無駄のないフローセンサとして
使用することができる。 （第７実施形態）この実施形態では、図１５に示すよう
に、多数の端子Ｈ１〜Ｈ２１を有する抵抗体で構成さ
れ、上流側から第１のヒータ３１、測温体５、第２のヒ
ータ３２、未使用領域７となっている。このフローセン
サは、上流側２線式フローセンサと同様に働く。

【００５４】この実施形態の特徴とするところは、測温
体５のさらに上流にもヒータ３１が存在することにあ
る。このことによって、高流量域において、測温体５の
温度が流体温度と同程度にまで、下がってしまうことを
ある程度防ぐことが可能で、高流量側の測定限界を高め
ることが可能である。

【００５５】さらに、高流量側の測定限界を高める場合
には、第１実施形態と同様の制御を行うようにすればよ
い。例えば、端子Ｈ４を測温体５の測定端子として用
い、低流量域では、端子Ｈ１、Ｈ１５を０Ｖ、端子Ｈ
３、Ｈ５をＶｍａｘ、その他の端子をフローティングと
して、流量検出を行い、高流量域では、低流量域の状態
に対し、例えば端子Ｈ９に１／２Ｖｍａｘの電圧を印加
するようにすれば、第１実施形態と同様に、流量の測定
限界をあげた流量検出を行うことができる。

【００５６】この実施形態は、上流側２線式フローセン
サに限らず、図１６に示すような下流側２線式ヒータに
も同様に適用することができる。この場合、端子Ｈ１８
を測温体５の測定端子として用い、低流量域では、端子
Ｈ１７、Ｈ１９をＶｍａｘ、端子Ｈ７、Ｈ２１を０Ｖ、
その他の端子をフローティングとして、流量検出を行
い、高流量域では、低流量域の状態に対し、例えば端子
Ｈ１３に１／２Ｖｍａｘの電圧を印加するようにすれ
ば、第２実施形態と同様に、流量の測定限界をあげた流
量検出を行うことができる。

【００５７】なお、ヒータ３１、３２の幅は、必ずしも
ヒータ３２（あるいは３１）の方が広くなっている必要
はなく、その幅は任意に設定可能である。 （第８実施形態）上記した第７実施形態では、２線式ヒ
ータに適用するものを示したが、３線式ヒータにも同様
に適用することができる。この場合のフローセンサの平
面構成を図１７に示す。

【００５８】図に示すように、この実施形態に係るフロ
ーセンサは、多数の端子Ｈ１〜Ｈ２１を有する抵抗体で
構成され、上流側から第１のヒータ３１、上流測温体５
１、第２のヒータ３２、下流測温体５２、第３のヒータ
３３、未使用領域７となっている。このフローセンサ
は、３線式フローセンサと同様に働く。

【００５９】この実施形態の特徴とするところは、ヒー
タ３２以外に上流測温体５１の上流にヒータ３１が存在
し下流測温体５２の下流にヒータ３３が存在することに
ある。このことによって、高流量域において、上流測温
体５１、下流測温体５２の温度が流体温度と同程度にま
で、下がってしまうことをある程度防ぐことが可能で、
高流量側の測定限界を高めることが可能である。

【００６０】さらに、高流量側の測定限界を高める場合
には、第４実施形態と同様の制御を行うようにすればよ
い。例えば、端子Ｈ４、Ｈ１６を測温体５の測定端子と
して用い、低流量域では、端子Ｈ１、Ｈ１５、Ｈ１７を
０Ｖ、端子Ｈ３、Ｈ５、Ｈ１９をＶｍａｘ、その他の端
子をフローティングとして、流量検出を行い、高流量域
では、低流量域の状態に対し、例えば端子Ｈ７に２／３
Ｖｍａｘの電圧を、端子Ｈ１３に１／２Ｖｍａｘの電圧
を印加するようにすれば、第４実施形態と同様に、流量
の測定限界をあげた流量検出を行うことができる。

【００６１】なお、ヒータ３１、３２、３３の幅は、必
ずしもヒータ３２の幅が最も広くなっている必要はな
く、その幅は任意に設定可能である。 （フローセンサの製造方法）上記したフローセンサは、
次に説明する製造方法によって製造することができる。
なお、上記した各実施形態は、ヒータ３（３１、３２、
３３）、流体温度計４、測温体５（５１、５２）の配線
パターンが異なるのみであるので、第１実施形態を代表
して、その製造方法を説明する。図１８に、その製造工
程を示す。 ［図１８（ａ）の工程］まず、半導体基板１として単結
晶のシリコン基板を用い、その上に下部膜１１を形成す
る。この下部膜１１は、Ｓｉ₃Ｎ₄膜とＳｉＯ₂膜とを組
み合わせた２層の絶縁膜となっており、圧縮応力膜と引
っ張り応力膜の組み合わせによって下部膜１１に生じる
応力を緩和するようにしている。この後、ヒータ３、流
体温度膜４、測温体５を構成する膜として、Ｐｔ膜を真
空蒸着機により２００℃で２０００Å堆積させる。その
とき、接着層としてＴｉ層をＰｔ膜と下部膜１１の間に
５０Å堆積させる。そして、エッチングにより、ヒータ
３、流体温度計４、測温体５の形状にパターニングす
る。このパターニングにより、ヒータ３、流体温度計
４、測温体５の各端子（図では電極取り出し部１２とし
て図示する）も同時に形成される。 ［図１８（ｂ）の工程］下部膜１１と同様に、Ｓｉ₃Ｎ₄
膜とＳｉＯ₂膜からなる２層膜の上部膜１３を形成す
る。ここで、ヒータ３を膜構造のほぼ膜中心に配置し、
かつ上部膜１３および下部膜１１における膜構成をヒー
タ３を中心として対称に配置することで、温度変化して
も反り変動が生じず、熱ストレスに対して強い構造が形
成できる。そして、空洞部６を形成する領域、およびヒ
ータ３、流体温度計４、測温体５の電極取り出し部１２
をエッチングにより開口する。 ［図１８（ｃ）の工程］全面に５０００ÅのＡｕを蒸着
した後、エッチングを行い、電極取り出し部１２を覆う
ようにエッチング保護膜１４を形成する。このエッチン
グ保護膜１４は、次工程で用いるＳｉエッチング溶液に
対して電極取り出し部１２を保護し、かつ外部配線とし
てＡｕ線を用いた場合にそれとの密着性を高めるために
用いられる。 ［図１８（ｄ）の工程］ＴＭＡＨ溶液によって表面側か
らシリコンの異方性エッチングを行い、空洞部６を形成
する。

【００６２】以上のようにして図１、図２に示すフロー
センサを製造することができる。

【００６３】また、フローセンサとして、図６、図７に
示すようなダイアフラム構造のものとする場合には、以
下のような製造方法により製造することができる。図１
９に、その製造工程を示す。 ［図１９（ａ）の工程］図１８（ａ）の工程と同様に、
シリコン基板１の上に下部膜１１を形成し、その上にヒ
ータ３、流体温度膜４、測温体５をパターニング形成す
る。 ［図１９（ｂ）の工程］下部膜１１と同様に、Ｓｉ₃Ｎ₄
膜とＳｉＯ₂膜からなる２層膜の上部膜１３を形成し、
ヒータ３、流体温度計４、測温体５の電極取り出し部１
２をエッチングにより開口する。また、シリコン基板１
の裏面に形成された膜の所定の位置をエッチングによっ
て取り除く。 ［図１９（ｃ）の工程］シリコン基板１の裏面側を下部
膜１１が露出するまで異方性エッチングして空洞部６を
形成する。

【００６４】このようにして、図６、図７に示すフロー
センサを製造することができる。

【００６５】なお、図１８、図１９に示す製造方法にお
いて、ヒータ３、流体温度計４、測温体５を形成する膜
としては、Ｐｔ膜以外に、ポリシリコン、ＮｉＣｒ、Ｔ
ａＮ、ＳｉＣ、Ｗなどを用いることができる。また、下
部膜１１、上部膜１３としては、ヒータ３等を保護でき
るものであれば、ＴｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｔａ₂Ｏ₅、Ｍｇ
Ｏ膜などの、単一膜あるいは多層膜を用いることができ
る。また、エッチング保護膜１４は、露出した電極取り
出し部１２がエッチング溶液に対して耐性があればなく
てもよく、またＡｕ以外の材料でもエッチング耐性があ
り、接続配線と接着できる材料であれば他のものでもよ
い。また、空洞部６を形成するためのエッチングは、空
洞部６が形成できれば、ＴＭＡＨ溶液による異方性エッ
チング以外のものを用いてもよい。

【００６６】また、上記した種々の実施形態において、
フローセンサは、空気等の気体の流量を検出することの
他、種々の流体の流量検出に適用することができる。ま
た、ブリッジ２もしくはダイアフラム２０の上にヒータ
３、測温体５等の配線を構成するものを示したが、必ず
しもそのようなブリッジ構造もしくはダイアフラム構造
としなくても、基板１の上に直接それらを配置するよう
にしてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係る感熱式フローセン
サの斜視図である。

【図２】図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。

【図３】無風時、低流量時、高流量時に測定される温度
を示す図である。

【図４】図１に示す実施形態に対し、複数個の中間端子
を設けた実施形態を示す図である。

【図５】脈動が存在する場合のフローセンサの挙動を示
す図である。

【図６】図１に示すブリッジ構造のものダイアフラム構
造にした感熱式フローセンサの斜視図である。

【図７】図６のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。

【図８】本発明の第２実施形態に係る感熱式フローセン
サの平面図である。

【図９】本発明の第３実施形態に係る感熱式フローセン
サの平面図である。

【図１０】本発明の第４実施形態に係る感熱式フローセ
ンサの斜視図である。

【図１１】本発明の第５実施形態に係る感熱式フローセ
ンサのブリッジ部分の平面構成を示す図である。

【図１２】本発明の第６実施形態に係る感熱式フローセ
ンサで、上流側を測温体とし下流側をヒータとして用い
たもののブリッジ部分の平面構成を示す図である。

【図１３】本発明の第６実施形態に係る感熱式フローセ
ンサで、下流側を測温体とし上流側をヒータとして用い
たもののブリッジ部分の平面構成を示す図である。

【図１４】図１２に示す実施形態に対し、測温体を別の
抵抗線で形成した例を示す図である。

【図１５】本発明の第７実施形態に係る感熱式フローセ
ンサで、上流側２線式フローセンサに適用したもののブ
リッジ部分の平面構成を示す図である。

【図１６】本発明の第７実施形態に係る感熱式フローセ
ンサで、下流側２線式フローセンサに適用したもののブ
リッジ部分の平面構成を示す図である。

【図１７】本発明の第８実施形態に係る感熱式フローセ
ンサのブリッジ部分の平面構成を示す図である。

【図１８】ブリッジ構造のフローセンサの製造方法を示
す工程図である。

【図１９】ダイアフラム構造のフローセンサの製造方法
を示す工程図である。

【図２０】従来の感熱式フローセンサの斜視図である。

【図２１】図２０に示す従来のフローセンサにおいて上
流側測温体と下流側測温体の温度差の特性を示す図であ
る。

【符号の説明】

１…基板、２…ブリッジ、３、３１、３２…ヒータ、４
…流体温度計、５、５１、５２…測温体、６…空洞部、
７…未使用領域。

フロントページの続き (72)発明者 加藤 信之 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 Ｆターム(参考） 2F035 EA08

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 発熱体と測温体を有し、前記発熱体の発
   熱時における前記測温体の測定値に基づいて流体の流量
   を検出するようにしたフローセンサにおいて、 前記流体の流量に応じて前記発熱体の温度分布を変更す
   るように構成したことを特徴とするフローセンサ。
2. 【請求項２】 前記測温体の測定値に基づいて前記発熱
   体の温度分布を変更するように構成したことを特徴とす
   る請求項１に記載のフローセンサ。
3. 【請求項３】 前記流量が所定の閾値より大きくなる高
   流量域では、低流量域に比べて、前記発熱体のうち前記
   測温体に近い部分の発熱量が多くなるようにしたことを
   特徴とする請求項１または２に記載のフローセンサ。
4. 【請求項４】 少なくとも前記高流量域において、前記
   発熱体の発熱量を前記測温体に向かって段階的に多くな
   るようにしたことを特徴とする請求項３に記載のフロー
   センサ。
5. 【請求項５】 前記測温体の測定値が前記流量に比例す
   るように、前記流体の流量に応じて前記発熱体の温度分
   布を変更するようにしたことを特徴とする請求項１ない
   し４のいずれか１つに記載のフローセンサ。
6. 【請求項６】 前記発熱体は、電圧を印加する両端端子
   以外に中間端子を有するものであって、前記中間端子に
   印可する電圧を制御して前記発熱体の温度分布を変更す
   るように構成したことを特徴とする請求項１ないし５の
   いずれか１つに記載のフローセンサ。
7. 【請求項７】 前記測温体および前記発熱体は、１つの
   連続した抵抗体の配線パターンで形成されていることを
   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。
8. 【請求項８】 前記抵抗体の配線パターンには、複数の
   端子が接続されており、前記複数の端子が、前記発熱体
   用および前記測温体用として選択的に用いられているこ
   とを特徴とする請求項７に記載のフローセンサ。
9. 【請求項９】 前記抵抗体の配線パターンの一部が、電
   流を流さない未使用領域となっていることを特徴とする
   請求項７または８に記載のフローセンサ。
10. 【請求項１０】 前記発熱体は、１つの連続した抵抗体
    の配線パターンで形成されており、前記抵抗体の配線パ
    ターンの一部が、電流を流さない未使用領域となってい
    ることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに
    記載のフローセンサ。
11. 【請求項１１】 前記抵抗体の配線パターンには、複数
    の端子が接続されており、前記複数の端子が、前記発熱
    体用および前記未使用領域用として選択的に用いられて
    いることを特徴とする請求項１０に記載のフローセン
    サ。
12. 【請求項１２】 発熱体と測温体を有し、前記発熱体の
    発熱時における前記測温体の測定値に基づいて流体の流
    量を検出するようにしたフローセンサにおいて、 前記発熱体は、３個以上の複数の端子を有するものであ
    り、 前記発熱体が複数の抵抗体に分割されてそれぞれに電流
    が流れるように、前記複数の端子に印加する電圧を設定
    したことを特徴とするフローセンサ。
13. 【請求項１３】 発熱体と測温体を有し、前記発熱体の
    発熱時における前記測温体の測定値に基づいて流体の流
    量を検出するようにしたフローセンサにおいて、 前記測温体の上流側と下流側の両方に前記発熱体を配設
    したことを特徴とするフローセンサ。
14. 【請求項１４】 前記測温体および発熱体は、１つの連
    続した抵抗体の配線パターンで形成されており、前記測
    温体として用いられる抵抗体の上流側と下流側の両方に
    前記発熱体として用いられる抵抗体が位置していること
    を特徴とする請求項１３に記載のフローセンサ。
15. 【請求項１５】 前記抵抗体の配線パターンには、複数
    の端子が接続されており、前記複数の端子が、前記発熱
    体用および前記測温体用として選択的に用いられている
    ことを特徴とする請求項１４に記載のフローセンサ。