JP2002081983A - センサ用発熱装置、センサ及び加速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ブリッジ回路を用いて、ヒータの発熱温度
が、周囲温度に対して常に一定温度だけ高くなるように
制御するヒータ制御回路において、周囲温度の変化によ
る発熱温度の誤差がより小さくなるよう、高精度化を図
る。 【解決手段】 固定抵抗６３及び６４、ヒータ３６、測
温抵抗体５２とによってブリッジ回路を構成し、固定抵
抗６３及び測温抵抗体５２の中点と固定抵抗６４及びヒ
ータ３６の中点との電位差に応じてブリッジ回路に流れ
る電流を制御するようにしたヒータ制御回路において、
抵抗７４を介して固定抵抗６３及び測温抵抗体５２の中
点に定電圧Ｖａを印加する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はセンサ用発熱装置、
センサ及び加速度に関する。具体的には、発熱体から発
生する熱により、物質の熱伝導性の違いを利用して物性
値や物理量を計測するセンサ及び加速度を計測する加速
度センサと、当該センサにおいて、測温抵抗体の温度と
発熱体の発熱温度との温度差を一定に保つためのセンサ
用発熱装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】たとえば、従来の流量センサとしては、
発熱体であるヒータを熱源とし、その上流側と下流側の
温度差で流速を検出する方式がある。このような流量セ
ンサ１を図１及び図２に示す。ここで、図２は図１のＡ
−Ａ線断面を表している。ただし、図１ではヒータやサ
ーモパイル等を露出させた状態で表しており、図２では
その上を保護膜１０等で覆った状態で表している。この
流量センサ１にあっては、シリコン基板２の上面に凹状
の空隙部３を形成し、この空隙部３を覆うようにしてシ
リコン基板２の上面に絶縁薄膜４を設け、この絶縁薄膜
４の一部によって空隙部３の上に薄膜状のブリッジ部５
を形成している。このブリッジ部５は空隙部３内の空間
（空気）によってシリコン基板２と断熱されている。ブ
リッジ部５の表面においては、その中央部にヒータ６を
設け、ヒータ６を挟んで対称な位置（上流側と下流側）
にそれぞれ測温体としてサーモパイル７、８を設けてい
る。また、ヒータ６及びサーモパイル７、８を覆うよう
にしてシリコン基板２の上を保護膜１０で被覆してい
る。

【０００３】上記サーモパイル７、８はＢｉＳｂ／Ｓｂ
からなる熱電対によって構成されており、ブリッジ部５
の縁を横切るようにしてＢｉＳｂからなる第１の細線１
１とＳｂからなる第２の細線１２が交互に配線され、ブ
リッジ部５内における第１の細線１１と第２の細線１２
の接続点によって温接点１３の群が構成され、ブリッジ
部５外における第１の細線１１と第２の細線１２の接続
点によって冷接点１４の群が構成されている。

【０００４】サーモパイル７、８の温接点１３及び冷接
点１４の数をそれぞれｎ個、温接点１３の温度をＴw、
冷接点１４の温度をＴcとすると、サーモパイル７、８
の出力電圧（両端間電圧）Ｖは、次の（１）式で表され
る。 Ｖ＝ｎ・α（Ｔw−Ｔc） …（１） ただし、αはゼーベック係数である。

【０００５】９及び１５は、それぞれヒータ６、サーモ
パイル７、８にワイヤボンディングするためのワイヤパ
ッド、１７は絶縁薄膜である。

【０００６】この流量センサ１は気体の流れが生じる箇
所に置かれ、ヒータ６に電流を流して発熱させながら上
流側及び下流側のサーモパイル７、８の出力が監視され
る。気体の流れていない無風時においては、図３（ａ）
に示すように配置の対称性より上流側サーモパイル７の
温接点温度と下流側サーモパイル８の温接点温度とは等
しいから、サーモパイル７の出力電圧とサーモパイル８
の出力電圧とは等しくなる。これに対し、図１に矢印で
示すように、上流側から下流側に向けて気体が移動して
いると、図３（ｂ）に示すように、上流側のサーモパイ
ル７の温接点１３は気体の流れで冷却されて降温し、そ
の出力電圧は小さくなる。一方、気体によってヒータ６
の熱が下流側へ輸送されて下流側のサーモパイル８の温
接点１３は温度が上昇し、その出力電圧は大きくなる。
しかも、両サーモパイル７、８の温接点温度の差は、気
体の流量が大きくなるにつれて拡大するから、それに伴
う両サーモパイル７、８の出力電圧値の差により気体の
流量を測定することができる。

【０００７】また、図１及び図２に示したようなセンサ
構造は、流量センサ以外にも、湿度センサやガスセンサ
などとしても用いられる。図４（ａ）（ｂ）は、このよ
うなセンサ構造により湿度やガス種を検出する原理を示
している。図１及び図２の符号を用いて説明すると、流
量センサの場合には、ガス等の気体の流れによって図３
（ｂ）のように温度分布が非対称になったが、湿度セン
サやガス圧センサの場合には、湿度の変化やガス種の変
化によって図４（ａ）（ｂ）に示すように、ヒータ６を
中心とする温度分布密度が変化するので、両サーモパイ
ル７、８で検知する温度が変化する。従って、ヒータ６
を一定温度で発熱させ、そのときサーモパイル７、８で
検知している温度から湿度やガス種を検知することがで
きる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記のようなセンサに
おいては、サーモパイル７、８の冷接点１４の温度はシ
リコン基板２の温度に等しく、熱平衡状態ではシリコン
基板２の温度は周囲温度に等しいから、冷接点１４の温
度はほぼ周囲温度に等しい。また、ヒータ６によって加
熱されている温接点１３の温度は、ヒータ６の発熱温度
が一定で、かつガス流量や湿度、ガス種などが同じであ
れば、ほぼ一定温度となる。このため、前記（１）式か
ら分かるように、ヒータ６の発熱温度を一定温度に保っ
ていたのでは、ガス流量や湿度、ガス圧等の被検知量が
等しくても周囲温度によって出力電圧Ｖが変化し、検知
誤差となる問題がある。よって、ヒータ６の発熱温度
は、周囲温度に対して常に一定温度だけ高くなるように
することが要求される。

【０００９】このような周囲温度の変化に伴う出力変動
を補正するためには、例えば特開２０００−１３１０９
４号公報に開示されている温度補償回路を利用すること
が考えられる。しかし、上記公報に開示されている温度
補償回路では、複数の演算増幅器や増幅回路等を必要と
し、構成が複雑でコストが高くつくことになる。

【００１０】

【発明の開示】本発明は、上記課題に鑑みてなされたも
のであり、その目的とするところは、抵抗等からなるブ
リッジ回路を用いることで簡単な構成により、周囲温度
等の環境変数の変化に伴う出力の変動を防止し、さらに
その補正精度を向上させることにある。

【００１１】本発明に係るセンサ用発熱装置にあって
は、測温抵抗体と固定抵抗とを含んで第１の枝が構成さ
れ、発熱体と前記固定抵抗とは別な固定抵抗とを含んで
第２の枝が構成され、この第１の枝と第２の枝を並列に
接続してブリッジ回路が構成され、第１の枝の中点と第
２の枝の中点との電位差に基づいて前記ブリッジ回路に
印加する電圧又は前記ブリッジ回路に供給する電流を調
整することにより、測温抵抗体と発熱体の温度差を制御
する手段が構成されている。そして、ブリッジ回路と前
記制御手段とを備えたセンサ用発熱装置において、前記
第１の枝の中点又は前記第２の枝の中点のうち少なくと
も一方の中点に、前記ブリッジ回路及び前記制御手段の
外部から前記第１の枝又は第２の枝に電流を流入出させ
るための電流調整手段を接続している。

【００１２】第１の枝に含まれる固定抵抗と第２の固定
抵抗に含まれる固定抵抗は、いずれも１個である必要は
なく、複数個の固定抵抗が含まれていてもよい。また、
ブリッジ回路に交流電圧を印加する場合には、ブリッジ
回路には抵抗以外のキャパシタやインダクタなどが含ま
れていてもよい。また、電流調整手段を接続される第１
の枝の中点、あるいは第２の中点とは、第１の枝の端点
や第２の枝の端点を含まない趣旨である。

【００１３】また、ブリッジ回路及び制御手段の外部か
ら電流調整手段を接続するとは、ブリッジ回路及び制御
回路とは別系統で電流調整手段により電流を流入出させ
るということであって、特に、ブリッジ回路を構成する
固定抵抗と並列に接続された抵抗を含めないという意味
である。また、外部から接続された電流調整手段である
と言うためには、電流調整手段が接続されている第１の
枝の電流変化、あるいは電流調整手段が接続されている
第２の枝の電流変化と、電流調整手段により流入出させ
られる電流の変化とが比例しないことが判断の目安とな
る。具体的には、定電圧源と第１の枝の中点とを抵抗に
よって接続したものや、定電圧源と第２の枝の中点とを
抵抗によって接続したものにより、安価に電流調整手段
を実現することができる。なお、定電圧源とは、定電圧
回路の出力に限らず、電圧が一定に保たれる箇所（回路
節点）であればよく、例えば定電圧回路の出力を分圧抵
抗で分圧させた箇所などである。

【００１４】このセンサ用発熱装置によれば、温度変化
に伴って測温抵抗体の抵抗値が変化すると、ブリッジ回
路とその制御手段を通して発熱体の抵抗値も自動調整さ
れ、その結果発熱体の発熱温度が制御される。しかも、
電流調整手段によってブリッジ回路の第１の枝又は第２
の枝に電流を流入出させることができるので、ブリッジ
回路の平衡条件に拘束されることなく、測温抵抗体の温
度変化に対する発熱体の発熱温度の制御形態の自由度を
高めることができる。

【００１５】例えば、発熱体と測温抵抗体の温度差が、
一定に保たれるよう高い精度で発熱体の発熱温度を制御
することができる。すなわち、一般に、発熱体の抵抗値
は測温抵抗体の抵抗値よりも大きいので、発熱体と測温
抵抗体の抵抗温度係数が等しい場合には、ブリッジ回路
とその制御手段のみで、発熱体の抵抗値と測温抵抗体の
抵抗値を変化させた場合、測温抵抗体の抵抗値変化に比
較して発熱体の抵抗値変化が大きくなる。しかし、この
センサ用発熱装置では、電流調整手段で第１の枝又は第
２の枝に電流を流入出させることにより、発熱体の抵抗
値の変化が、ブリッジ回路本来の働きによる変化よりも
小さくなるように構成することができるので、電流調整
手段の回路定数等を適切に設計することにより、発熱体
と測温抵抗体の抵抗温度係数が等しい場合でも、発熱体
の温度変化が測温抵抗体の温度変化と等しくなるように
制御することができる。従って、本発明のセンサ用発熱
装置によれば、同一材料の発熱体及び測温抵抗体を用い
た場合でも、発熱体と測温抵抗体の温度差が一定になる
よう、より高い精度で制御することが可能になる。しか
も、発熱体と測温抵抗体で同一材料を用いることができ
るので、発熱体及び測温抵抗体を同時に作製することが
でき、製造工程数を減らすことができる。

【００１６】本発明に係る別なセンサ用発熱装置にあっ
ては、不純物をドーピングされた測温抵抗体と固定抵抗
とを含んで第１の枝が構成され、不純物をドーピングさ
れた発熱体と前記固定抵抗とは別な固定抵抗とを含んで
第２の枝が構成され、第１の枝と第２の枝を並列に接続
してブリッジ回路が構成され、第１の枝の中点と第２の
枝の中点との電位差に基づいて前記ブリッジ回路に印加
する電圧又は前記ブリッジ回路に供給する電流を調整す
ることにより、測温抵抗体と発熱体の温度差を制御する
手段が構成されている。そして、前記ブリッジ回路と前
記制御手段とを備えたセンサ用発熱装置において、前記
測温抵抗体のドーピング量を前記発熱体のドーピング量
よりも大きくしたことを特徴としている。

【００１７】このセンサ用発熱装置でも、第１の枝に含
まれる固定抵抗と第２の固定抵抗に含まれる固定抵抗
は、いずれも１個である必要はなく、複数個の固定抵抗
が含まれていてもよい。また、ブリッジ回路に交流電圧
を印加する場合には、ブリッジ回路には抵抗以外のキャ
パシタやインダクタなどが含まれていてもよい。

【００１８】このセンサ用発熱装置によれば、温度変化
に伴って測温抵抗体の抵抗値が変化すると、ブリッジ回
路とその制御手段を通して発熱体の抵抗値も自動調整さ
れ、その結果発熱体の発熱温度が制御される。しかも、
測温抵抗体のドーピング量を発熱体のドーピング量より
も大きくしているので、測温抵抗体のドーピング量と発
熱体のドーピング量とを等しくする場合と比較して、ブ
リッジ回路の平衡条件に拘束されることなく、測温抵抗
体の温度変化に対する発熱体の発熱温度の制御形態の自
由度を高めることができる。しかも、発熱体と測温抵抗
体とで同一材料を用いてドーピング量を異ならせるだけ
でよいので、工程数の増加も必要最小限に抑えることが
でき、センサ発熱装置の回路構成を複雑にすることもな
い。

【００１９】特に、このセンサ発熱装置の実施形態とし
ては、 βｂ＝βｈ／（１＋βｈ・ΔＴｈ） ただし、βｂ： 記測温抵抗体の抵抗温度係数 βｈ： 発熱体の抵抗温度係数 ΔＴｈ： 測温抵抗体と発熱体の温度差 とすることができる。この実施形態によれば、測温抵抗
体の温度が変化したときの発熱体の発熱温度の変化を高
い精度で測温抵抗体の温度変化と等しくすることができ
る。従って、測温抵抗体の温度と発熱体の発熱温度との
温度差を常に高い精度で一定に保つことが可能になる。

【００２０】特に、測温抵抗体と発熱体の温度差ΔＴ
は、通常５℃〜１００℃程度であり、ポリシリコンの抵
抗温度係数は、約０.００１／℃であるから、測温抵抗
体及び発熱体がポリシリコンによって形成されている場
合には、測温抵抗体の抵抗温度係数に対する発熱体の抵
抗温度係数の比は、１.００５以上１.１以下であればよ
い。

【００２１】本発明のセンサは、上記のようなセンサ用
発熱装置と、センサ発熱装置の近傍に配置され、該セン
サ発熱装置の発熱部から発生した熱による温度変化を検
出する温度測定手段とを備えている。

【００２２】このようなセンサは、流量センサ（ガスフ
ローセンサ）や湿度センサ、ガス（種）センサなどとし
て用いることができるものであり、本発明のセンサ用発
熱装置を用いれば測温抵抗体の温度（すなわち、周囲温
度）に対して発熱体の発熱温度を一定温度だけ高い温度
に保つことができるので、周囲温度の変化に対する温度
補正を高精度に行うことができ、センサの検出精度を向
上させることができる。

【００２３】本発明の加速度センサは、上記のようなセ
ンサ用発熱装置と、前記センサ発熱装置の近傍に配置さ
れ、該センサ発熱装置の発熱部から発生した熱による温
度変化を検出する温度測定手段とを密閉空間内に納め、
当該温度測定手段の出力により加速度を計測するように
したことを特徴としている。

【００２４】このような加速度センサによれば、加速度
によって密閉空間の内部に生じるガス（密閉空間内に封
入したガスや空気など）の流れが温度分布の変化として
温度測定手段によって検知されるので、この温度測定手
段からの出力信号により加速度センサに働く加速度を検
出することができる。しかも、この加速度センサは、本
発明のセンサ用発熱装置を用いているので、測温抵抗体
の温度（すなわち、周囲温度）に対して発熱体の発熱温
度を一定温度だけ高い温度に保つことができ、周囲温度
の変化に対する温度補正を高精度に行うことができ、セ
ンサの検出精度を向上させることができる。

【００２５】また、このような加速度センサにおいて、
前記センサ用発熱装置に用いられている発熱体を間欠駆
動する手段を設けてもよい。発熱体を間欠駆動すること
で周囲の温度上昇を小さくできるので、加速度センサの
出力を安定させることができると共に加速度センサの消
費電力を抑えることができる。

【００２６】また、上記のような加速度センサにおいて
は、前記温度測定手段からの出力信号がローパスフィル
タを通過させるようにしてもよい。温度測定手段からの
出力信号をローパスフィルタに通すようにすれば、出力
信号から高周波ノイズを除去することができると共に加
速度センサを取り付けられている機器の振動や、当該機
器が手持ち操作されるものである場合には手ぶれなどに
よる不要な信号を除去することができる。

【００２７】なお、この発明の以上説明した構成要素
は、可能な限り任意に組み合わせることができる。

【００２８】

【発明の実施の形態】（第１の実施形態）本発明の一実
施形態による流量センサ（ガスフローセンサ）３１の構
造を図５及び図６に示す。図６は図５のＢ−Ｂ線断面を
表し、図５は保護膜４０等を除去してサーモパイル３
７、３８を露出させた状態の平面を表している。この流
量センサ３１にあっては、シリコン基板３２の上面に上
方で広くなった凹状の空隙部３３を形成し、この空隙部
３３を覆うようにしてシリコン基板３２の上面に絶縁薄
膜３４を設け、この絶縁薄膜３４の一部によって空隙部
３３の上に薄膜状のブリッジ部３５を形成している。こ
のブリッジ部３５は空隙部３３によってシリコン基板３
２と断熱されている。ブリッジ部３５の表面において
は、その中央部にポリシリコンからなるヒータ３６を設
け、ヒータ３６を挟んで上流側と下流側の対称な位置に
それぞれ測温体としてサーモパイル３７、３８を設けて
いる。また、ブリッジ部３５の外側において、絶縁薄膜
３４の上に周囲温度感知用の測温抵抗体５２を設けてあ
り、ヒータ３６、サーモパイル３７、３８及び測温抵抗
体５２を覆うようにしてシリコン基板３２の上を保護膜
４０で覆っている。

【００２９】上記サーモパイル３７、３８はポリシリコ
ン／アルミニウムからなる熱電対によって構成されてお
り、ブリッジ部３５の縁を横切るようにしてポリシリコ
ンからなる第１の細線４１とアルミニウムからなる第２
の細線４２が交互に、かつ平行に配線され、ブリッジ部
３５内における第１の細線４１と第２の細線４２の接続
点によって温接点４３の群が構成され、ブリッジ部３５
外における第１の細線４１と第２の細線４２の接続点に
よって冷接点４４の群を構成している。

【００３０】冷接点４４は、ヒートシンクの役目をする
シリコン基板３２の上に位置しているので、気体に接触
しても温度は変化しにくく、常に周囲温度とほぼ等しい
温度に保たれている。温接点４３は、シリコン基板３２
から浮いたブリッジ部３５の上に形成されているので、
熱容量が小さく、気体に触れると敏感に温度が変化す
る。

【００３１】この流量センサ３１においても、サーモパ
イル３７、３８の温接点４３及び冷接点４４の数をそれ
ぞれｎ個、温接点４３の温度をＴw、冷接点４４の温度
をＴcとすると、サーモパイル３７、３８の出力電圧
（両端間電圧）Ｖは、次の（２）式で表される。 Ｖ＝ｎ・α（Ｔw−Ｔc） …（２） ただし、αはゼーベック係数である。

【００３２】ブリッジ部３５の外側（シリコン基板３２
の上面）で、絶縁薄膜３４の上面に設けられた測温抵抗
体５２は、ポリシリコンによって形成されている。この
測温抵抗体５２は、シリコン基板３２の温度、すなわち
周囲温度と等しい温度に保たれている。

【００３３】この流量センサ３１においては、測温抵抗
体５２、ヒータ３６、サーモパイル３７、３８の第１の
細線４１はそれぞれ同一材料（ポリシリコン）によって
形成され、Ｐ（燐）等の不純物をドーピングされてい
る。

【００３４】３９、４５及び５３は、それぞれヒータ３
６、サーモパイル３７、３８及び測温抵抗体５２にワイ
ヤボンディングするためのワイヤパッドである。

【００３５】なお、図示しないが、サーモパイルは、ヒ
ータの片側にだけ設けてもよい。上記実施形態のように
ヒータの両側にサーモパイルを配置した構造の場合に
は、図５の矢印方向と反対向きに気体が流れた場合にも
流体流量（ガス流量）を検出することができる。一方、
ヒータの片側にのみサーモパイルを設けた構造では、両
側にサーモパイルを設けた構造と比較して、より高流速
域で測定可能になる。

【００３６】次に、上記流量センサ３１の製造プロセス
を図７（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）、図８（ｅ）（ｆ）
（ｇ）（ｈ）（ｉ）及び図９（ｊ）（ｋ）（ｌ）（ｍ）
により説明する。これらの製造プロセスを説明する図は
いずれも、図５（ａ）のＣ−Ｃ線に沿った断面を表して
いる。以下、これらの図に従って当該製造プロセスを説
明する。

【００３７】まず、熱酸化法等によりシリコン基板３２
の表裏両面に例えばＳｉＯ_２からなる絶縁薄膜３４を形
成し［図７（ａ）］、ＣＶＤ法等を用いて上面側の絶縁
薄膜３４の上にポリシリコンを膜厚５００ｎｍとなるよ
うに堆積させてポリシリコン膜４６を形成する［図７
（ｂ）］。ついで、イオン注入法等によりポリシリコン
膜４６の全体にＰ等の不純物原子をイオン注入法等でド
ーズ量１×１０^２０個／ｃｍ^３だけドープする［図７
（ｃ）］。さらに、ポリシリコン膜４６の表面全体をレ
ジスト膜５４で覆った後、ポリシリコン膜４６のヒータ
形成領域５６ａ及び測温体形成領域５６ｂでレジスト膜
５４に窓５５を開口させる［図７（ｄ）］。

【００３８】この窓５５を通してさらにＰ等の不純物原
子をイオン注入法等により３×１０ ^２０個／ｃｍ^３より
も少ないドーズ量で追加注入させる［図８（ｅ）］。つ
いで、レジスト膜５４にあけた窓５５のうち、測温体形
成領域５６ｂの窓５５をレジストによって塞いだ後、ヒ
ータ形成領域５６ａで開口している窓５５を通してＰ等
の不純物原子をイオン注入法等により追加注入し、全注
入量が４×１０^２０個／ｃｍ^３となるようにする。

【００３９】この後、レジスト膜５４を除去すると、ヒ
ータ形成領域５６ａでは４×１０^{２ ０}個／ｃｍ^３の不純
物濃度となり、ヒータ形成領域５６ａ及び測温体形成領
域５６ｂ以外の領域（特に、サーモパイル形成領域）で
は不純物濃度が１×１０^２０個／ｃｍ^３となる［図８
（ｆ）］。測温体形成領域５６ｂでは不純物濃度が４×
１０^２０個／ｃｍ^３よりも少なくなっているが、この不
純物濃度は、ヒータ３６の抵抗温度係数と測温抵抗体５
２の抵抗温度係数とが後述のような比になるよう制御さ
れる。

【００４０】この後、フォトリソグラフィによりポリシ
リコン膜４６をエッチングし、ポリシリコン膜４６によ
ってヒータ３６、周囲温度測定用の測温抵抗体５２、サ
ーモパイル３７、３８の各第１の細線４１のパターンを
形成し、さらにパターニングされたポリシリコン膜４６
の不純物を熱拡散させる。このとき、ポリシリコン膜４
６の表面には酸化膜４７が形成される［図８（ｇ）］。

【００４１】この結果、同時にパターニングされたヒー
タ３６、測温抵抗体５２、サーモパイル３７、３８の各
第１の細線４１のうち、ヒータ３６の不純物濃度がもっ
とも高く、つぎに測温抵抗体５２の不純物濃度が高くな
る。

【００４２】ついで、温接点４３及び冷接点４４となる
箇所で第１の細線４１を覆う酸化膜４７の一部をエッチ
ングして開口４８を設け［図８（ｈ）］、酸化膜４７の
上からアルミニウムをスパッタ等で堆積させ、さらにフ
ォトリソグラフィによってアルミニウム膜をパターニン
グしてサーモパイル３７、３８の第２の細線４２を形成
する［図８（ｉ）］。このとき、第２の細線４２は、酸
化膜４７の開口４８を通して各端を第１の細線４１の各
端に接続され、酸化膜４７の下に形成された第１の細線
４１と第２の細線４２とによってサーモパイル３７、３
８が形成される。

【００４３】次に、サーモパイル３７、３８の両端、ヒ
ータ３６の両端および測温抵抗体５２の両端において、
酸化膜４７の一部をエッチングして開口４９を設け、サ
ーモパイル３７、３８の両端、ヒータ３６の両端及び測
温抵抗体５２の両端に金属材料を堆積させてそれぞれの
ワイヤパッド４５、３９、５３を設ける［図９
（ｊ）］。ついで、ＣＶＤ法等により基板全体に例えば
ＳｉＯ_２を堆積させ、配線保護のための保護膜４０を形
成する［図９（ｋ）］。

【００４４】この後、保護膜４０を部分的にエッチング
して各ワイヤパッド４５、３９、５３の上面を露出させ
る。同時にヒータ３６とサーモパイル３７、３８の中間
において、保護膜４０をエッチング除去し、さらにエッ
チングにより絶縁薄膜３４も部分的に除去して開口５１
を形成し、開口５１からシリコン基板３２を露出させる
［図９（ｌ）］。ついで、この開口５１からシリコン基
板３２の上面をエッチングすることによりシリコン基板
３２の上面に空隙部３３を凹設すると共に絶縁薄膜３４
によってブリッジ部３５を形成する［図９（ｍ）］。

【００４５】このようにしてヒータ形成領域５６ａと測
温体形成領域５６ｂで不純物を追加ドーピングすること
によって流量センサ３１を製造すれば、無駄なドーピン
グ処理時間を減らすことができ、効率よく感度の良好な
流量センサを製造することができる。

【００４６】この流量センサ３１にあっても、ヒータ３
６に電流を流して発熱させながら上流側及び下流側のサ
ーモパイル３７、３８の出力が監視される。気体の流れ
ていない無風時には、サーモパイル３７の出力電圧とサ
ーモパイル３８の出力電圧とは等しいが、図５に矢印で
示す方向に、上流側から下流側に向けて気体が移動して
いると、上流側のサーモパイル３７の温接点４３は冷却
されて降温し、出力電圧が小さくなる。一方、気体によ
って運ばれる熱で下流側のサーモパイル３８の温接点４
３は温度が上昇し、出力電圧が大きくなる。従って、両
サーモパイル３７、３８の出力電圧値の差により空気の
流量を測定することができる。

【００４７】また、この流量センサ３１では、ヒータ３
６の不純物ドーピング量は第１の細線４１の不純物ドー
ピング量よりも大きくなっている。例えば、上記のよう
にヒータ３６と第１の細線４１が膜厚５００ｎｍのポリ
シリコンからなる場合、第１の細線４１には１×１０
^２０個／ｃｍ^３程度の密度でＰがドーピングされるのに
対し、ヒータ３６には４×１０^２０個／ｃｍ^３程度の密
度でＰがドーピングされる。このように、第１の細線４
１よりもヒータ３６の不純物ドーピング量を大きくして
いるので、ヒータ３６の抵抗を下げることができ、ヒー
タ３６の発熱温度を高くすることができる。一方、第１
の細線４１の不純物ドーピング量はヒータ３６よりも小
さくなっているので、ゼーベック係数を高くすることが
できる。よって、ゼーベック係数の高いサーモパイル３
７、３８を用いながらヒータ３６の発熱温度を高くする
ことができ、流量センサ３１の感度を向上させることが
できる。

【００４８】図１０はヒータ制御回路６１の構成を示す
図である。このヒータ制御回路６１は、ヒータ３６の発
熱温度が測温抵抗体５２で検出されている周囲温度より
も一定温度だけ高い温度に自動調整する働きをする。こ
のヒータ制御回路６１は、固定抵抗６３、６４、ヒータ
３６、測温抵抗体５２、オペアンプ（差動増幅回路）６
２及びトランジスタ６５によって構成されている。固定
抵抗６３、６４はヒータ３６及び測温抵抗体５２と共に
ブリッジ回路を構成されており、固定抵抗６３と測温抵
抗体５２の中点がオペアンプ６２の反転入力端子に接続
され、固定抵抗６４とヒータ３６の中点がオペアンプ６
２の非反転入力端子に接続されている。トランジスタ６
５は、定電圧回路６６と固定抵抗６３及び６４との間に
挿入されており、オペアンプ６２の出力はトランジスタ
６５のベースに接続されている。

【００４９】このヒータ制御回路６１は、ヒータ３６を
周囲温度に対して一定温度ΔＴｈだけ高い温度で熱平衡
状態を保とうとするものであり、例えば無風状態の熱平
衡状態から気体の流れのある状態に変化してヒータ３６
の温度が下がると、オペアンプ６２の非反転入力端子の
電位が下がり、トランジスタ６５を駆動し、電流が供給
されて再び熱平衡状態になるという動作を繰り返す。周
囲温度が変化した場合も同様である。詳しくいうと、こ
のヒータ制御回路６１にあっては、ヒータ３６の発熱温
度が平衡時の温度よりも上昇すると、オペアンプ６２か
ら出力される電位が高くなるので、トランジスタ６５の
ベース電流が減少し、ブリッジ回路に流れる電流も減少
する。この結果、ヒータ３６に流れる電流が減少してヒ
ータ３６の発熱温度が下がる。逆に、ヒータ３６の発熱
温度が平衡時の温度よりも低下すると、オペアンプ６２
の出力電位が低下するので、トランジスタ６５のベース
電流が増加し、ブリッジ回路に流れる電流も増加する。
この結果、ヒータ３６に流れる電流が増加してヒータ３
６の発熱温度が上がる。

【００５０】また、周囲温度を検出している測温抵抗体
５２の温度が平衡時の温度よりも上昇すると、オペアン
プ６２から出力される電位が低下するので、トランジス
タ６５のベース電流が増加し、ブリッジ回路に流れる電
流も増加する。この結果、ヒータ３６に流れる電流が増
加してヒータ３６の発熱温度が上がる。逆に、測温抵抗
体５２の発熱温度が平衡時の温度よりも低下すると、オ
ペアンプ６２から出力される電位が高くなるので、トラ
ンジスタ６５のベース電流が減少し、ブリッジ回路に流
れる電流も減少する。この結果、ヒータ３６に流れる電
流が減少してヒータ３６の発熱温度が下がる。

【００５１】ヒータ制御回路６１は、上記のような動作
により、ヒータ３６の発熱温度が測温抵抗体５２に対し
て一定に保たれるように自動調整すると共に、測温抵抗
体５２の検知温度が下がったらヒータ３６の温度も下
げ、測温抵抗体５２の検知温度が上がったらヒータ３６
の温度も上昇させる。ただし、ヒータ３６には、通電に
よる温度上昇が無視できない電流値が流れるようにし、
測温抵抗体５２には通電による温度上昇が無視できる程
度の電流しか流れないよう、ヒータ３６及び測温抵抗体
５２の抵抗値が設定されるものとする。

【００５２】しかし、このようなブリッジ回路を用いた
ヒータ制御回路６１で、ヒータ３６と測温抵抗体５２と
を同一材質で形成した場合には、以下に説明するよう
に、ヒータ３６は周囲温度（測温抵抗体５２の温度）に
対して厳密には一定温度上昇とならず、この温度上昇値
の温度特性が流速センサの特性誤差を生むことになる。

【００５３】ヒータ３６と測温抵抗体５２とが同じ材質
で、不純物のドーピング量が等しいとすると、ヒータ３
６の抵抗温度係数と測温抵抗体５２の抵抗温度係数とは
等しくなる。いま、横軸に温度をとり、縦軸に抵抗値を
とって、ヒータ３６及び測温抵抗体５２の抵抗値温度特
性を考える。ヒータ３６と測温抵抗体５２とでは、抵抗
値の温度特性は一致しない（抵抗率の温度特性は一致す
る。）が、説明の便宜上ヒータ３６と測温抵抗体５２の
抵抗値温度特性が一致するとして説明する。

【００５４】はじめに周囲温度がＴ１で、そのときの測
温抵抗体５２の抵抗値がＲｂであって、ヒータ３６の温
度が周囲温度よりもΔＴｈだけ大きな温度Ｔ２（＝Ｔ１
＋ΔＴｈ）で、そのときのヒータ３６の抵抗値がＲｈで
あったとすると、ブリッジ回路の平衡条件より、 Ｒ１・Ｒｈ＝Ｒ２・Ｒｂ …（３） が成り立つ。ただし、Ｒ１は固定抵抗６３の抵抗値、Ｒ
２は固定抵抗６４の抵抗値である。

【００５５】いま、周囲温度がＴ１からΔＴだけ上昇し
てＴ１´となり、測温抵抗体５２の抵抗値がＲｂ´とな
ったとする。ブリッジ回路においては、測温抵抗体５２
の抵抗値がＲｂからＲｂ´に増加したとすると、ブリッ
ジ回路の平衡条件を満たすところで安定し、その結果ヒ
ータ３６に流れる電流が大きくなってヒータ３６の発熱
温度も高くなる。この時のヒータ３６の抵抗値をＲｈ´
とすると、ブリッジ回路の平衡条件より、 Ｒ１・Ｒｈ´＝Ｒ２・Ｒｂ´ …（４） となる。よって、上記（３）式と（４）式とから、 Ｒｈ´／Ｒｈ＝Ｒｂ´／Ｒｂ …（５） が得られる。ここで、測温抵抗体５２の抵抗値Ｒｂに比
べてヒータ３６の抵抗値Ｒｈは大きいので、（５）式又
は図１１から分かるように、測温抵抗体５２の温度がＴ
１からＴ１´へとΔＴだけ上昇したとしても、ヒータ３
６の温度上昇ΔＴ´は周囲温度の上昇ΔＴよりも大きく
なる。

【００５６】この結果、温度上昇後におけるヒータ３６
の温度Ｔ２´と測温抵抗体５２の温度Ｔ１´との温度差
ΔＴｈ´＝Ｔ２´−Ｔ１´は、はじめの温度差ΔＴより
も大きくなってしまう。

【００５７】そこで、上記のようなヒータ制御回路６１
において、ヒータ３６の発熱温度を測温抵抗体５２の温
度よりも一定温度だけ高い温度に保つための条件を以下
で明らかにする。いま、ヒータ３６の抵抗温度係数をβ
ｈ、測温抵抗体５２の抵抗温度係数をβｂとする。ただ
し、抵抗温度係数βｈ及びβｂは、いずれもを同一温度
（以下、基準温度という。）を基準とする係数であると
する。従って、基準温度における測温抵抗体５２の抵抗
値をｒｂ、基準温度よりもΔＴだけ温度が上昇したとき
の測温抵抗体５２の抵抗値をＲｂ（ΔＴ）とすれば、 Ｒｂ（ΔＴ）＝ｒｂ（１＋βｂ・ΔＴ） …（６） となる。同様に、基準温度におけるヒータ３６の抵抗値
をｒｈ、基準温度よりもΔＴだけ温度が上昇したときの
ヒータ３６の抵抗値をＲｈ（ΔＴ）とすれば、 Ｒｈ（ΔＴ）＝ｒｈ（１＋βｈ・ΔＴ） …（７） と表される。

【００５８】いま、周囲温度が基準温度に等しく、ヒー
タ３６が周囲温度よりもΔＴｈだけ高い温度に保たれて
いて、ブリッジ回路が平衡状態にあるとすると、次の
（８）式が成り立つ。ただし、Ｒ １、Ｒ２は２つの固
定抵抗６３、６４の抵抗値である。 Ｒ１・Ｒｈ（ΔＴｈ）＝Ｒ２・Ｒｂ（０） すなわち、（６）式、（７）式を用いると、 Ｒ１・ｒｈ（１＋βｈ・ΔＴｈ）＝Ｒ２・ｒｂ …（８）

【００５９】この平衡状態から、周囲温度がΔＴだけ上
昇した場合を考えると、測温抵抗体５２の温度は、 Ｒｂ（ΔＴ）＝ｒｂ（１＋βｂ・ΔＴ） …（９） となる。このとき、ヒータ３６の温度も同じだけ上昇し
ていると、 Ｒｈ（ΔＴｈ＋ΔＴ）＝ｒｈ（１＋βｈ・ΔＴｈ＋βｈ・ΔＴ） …（１０） となる。この状態でブリッジ回路が平衡すればよいか
ら、次の（１１）式が成立すればよい。 Ｒ１・Ｒｈ（ΔＴｈ＋ΔＴ）＝Ｒ２・Ｒｂ（ΔＴ） …（１１） この（１１）式に（９）式及び（１０）式を代入する
と、 Ｒ１・ｒｈ（１＋βｈ・ΔＴｈ＋βｈ・ΔＴ） ＝Ｒ２・ｒｂ（１＋βｂ・ΔＴ） …（１２） となる。この（１２）式に上記（８）式を適用すると、 Ｒ１・ｒｈ（βｈ・ΔＴ）＝Ｒ２・ｒｂ（βｂ・ΔＴ） …（１３） が得られる。

【００６０】よって、 βｈ＝｛（Ｒ２・ｒｂ）／（Ｒ１・ｒｈ）｝βｂ …（１４） であれば、任意の上昇温度ΔＴについて条件を満たすこ
とになる。ここで、この（１４）式に（８）式を代入す
ると、 βｈ＝（１＋βｈ・ΔＴｈ）・βｂ …（１５） となる。

【００６１】（１５）式においては、 （１＋βｈ・ΔＴｈ）＞１ であるから、周囲温度が変動してもヒータ３６の発熱温
度が周囲温度よりもΔＴｈだけ高くなるようにするため
には、上記（１５）式を満たす必要があり、ヒータ３６
の抵抗温度係数βｈが測温抵抗体５２の抵抗温度係数β
ｂよりも大きくなっていなければならない。

【００６２】言い換えると、この実施形態では、測温抵
抗体５２の抵抗温度係数βｂがヒータ３６の抵抗温度係
数βｈよりも小さくなっていて、上記（１５）式を満た
すようにしているので、ヒータ３６の発熱温度が常に周
囲温度よりもΔＴｈだけ高くなるよう、より高精度に制
御することができる。

【００６３】抵抗温度係数の数値で言えば、ポリシリコ
ンを使用した測温抵抗体５２における抵抗温度係数βｂ
は約０.１％／℃程度であり、ヒータ３６の温度上昇Δ
Ｔｈは５℃〜１００℃程度であるので、上記（１５）式
によれば、ヒータ３６の抵抗温度係数βｈは測温抵抗体
５２の抵抗温度係数βｂの１.００５倍〜１.１倍に設定
すればよいことが分かる。

【００６４】（第２の実施形態）図１２は本発明の別な
実施形態によるヒータ制御回路７１の構成を示す回路図
である。第１の実施形態では、ヒータ３６の抵抗温度係
数βｈと測温抵抗体５２の抵抗温度係数βｂとが異なる
ので、ヒータ３６と測温抵抗体５２を別工程で形成する
か、別工程でドーピングするか、いずれにしても工程が
増加するが、この実施形態では、ヒータ３６の抵抗温度
係数βｈと測温抵抗体５２の抵抗温度係数βｂは同じで
あってもよいので、工程数を少なくできる。

【００６５】以下、この実施形態を図１２に従って説明
する。このヒータ制御回路７１は、図１０に示したヒー
タ制御回路６１に対して、定電圧回路６６の電圧Ｖｃｃ
を分圧抵抗７２、７３で分圧し、その電圧Ｖａを抵抗７
４を介して測温抵抗体５２に印加し、測温抵抗体５２に
電流を流し込むことができるようにしたものである。す
なわち、固定抵抗６３、６４、ヒータ３６及び測温抵抗
体５２によってブリッジ回路が構成されており、固定抵
抗６３と測温抵抗体５２の中点がオペアンプ６２の反転
入力端子に接続され、固定抵抗６４とヒータ３６の中点
がオペアンプ６２の非反転入力端子に接続されている。
トランジスタ６５は、定電圧回路６６と固定抵抗６３及
び６４との間に挿入されており、オペアンプ６２の出力
は、トランジスタ６５のベースに接続されている。ま
た、定電圧回路６６の出力とグランドとの間には、直列
に接続された分圧抵抗７２、７３が接続されており、分
圧抵抗７２、７３の中点と、固定抵抗６３及び測温抵抗
体５２の中点との間には抵抗７４が接続されており、定
電圧回路６６の出力電圧Ｖｃｃを分圧抵抗７２、７３で
分圧し、抵抗７４を介して測温抵抗体５２に印加できる
ようにしている。

【００６６】このような構成のヒータ制御回路７１にお
いて、分圧抵抗７２、７３の中点の電圧をＶａ、固定抵
抗６３と測温抵抗体５２の中点の電圧をＶｂ、定電圧回
路６６の出力電圧をＶｃｃとすれば、電圧ＶａとＶｂと
の間には、次のような関係がある。ただし、Ｒ３、Ｒ４
は分圧抵抗７２、７３の抵抗値、Ｒ５は抵抗７４の抵抗
値である。

【００６７】

【数１】

【００６８】従って、抵抗７４の両端間の電圧差ΔＶ
は、次の（１７）式のように表される。

【００６９】

【数２】

【００７０】図１０に示したようなヒータ制御回路６１
（以下においては、図１０のヒータ制御回路とは、ヒー
タ３６の抵抗温度係数βｈと測温抵抗体５２の抵抗温度
係数βｂとが等しいものをさす。以下、同じ）では、固
定抵抗６３と測温抵抗体５２に流れる電流は常に等しく
なるため、周囲温度の上昇に伴って測温抵抗体５２の抵
抗値Ｒｂが大きくなると、ヒータ３６の発熱温度は周囲
温度の変化以上に大きく変化する。

【００７１】これに対し、この実施形態によるヒータ制
御回路７１では、周囲温度が上昇して測温抵抗体５２の
抵抗値Ｒｂが大きくなると、測温抵抗体５２の上側の電
圧Ｖｂが大きくなるので、抵抗７４の両端間の電圧差Δ
Ｖは、測温抵抗体５２の上側の電圧Ｖｂが上昇するにつ
れて小さくなり、抵抗７４から測温抵抗体５２に流れ込
む電流も減少する。その結果、測温抵抗体５２の上側の
電圧Ｖｂの上昇が抑制されることになり、測温抵抗体５
２の上側に加わる電圧Ｖｂは図１０のヒータ制御回路６
１ほどは上昇しないことになる。すなわち、図１１を参
照して説明すれば、周囲温度がＴ１からＴ１´に上昇
し、測温抵抗体５２の抵抗値がＲｂからＲｂ´に変化し
たとしても、測温抵抗体５２の上側の電圧Ｖｂは、抵抗
７４からの流入電流の減少により図１０のヒータ制御回
路６１の場合ほど上昇せず、結果としてヒータ３６の抵
抗Ｒｈ´も図１０のヒータ制御回路６１の場合ほどには
上昇し得ないことになり、ヒータ３６の発熱温度の上昇
ΔＴ´も図１０のヒータ制御回路６１の場合より小さく
なる。

【００７２】このような構成のヒータ制御回路７１によ
れば、定電圧回路６６の出力電圧Ｖｃｃに対して分圧抵
抗７２、７３及び抵抗７４の抵抗値Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５を
適当に選択することにより、抵抗７４を通って測温抵抗
体５２に流れ込む電流を自由に設定することができるか
ら、結局は抵抗７４を通ってブリッジ回路に流れ込む電
流を自由に設定できることを意味する。従って、このよ
うな構成のヒータ制御回路７１によれば、温度特性を自
由に設定できることになり、測温抵抗体５２の抵抗温度
係数βｂとヒータ３６の抵抗温度係数βｈとが等しい場
合でも周囲温度の変化に伴うヒータ３６の発熱温度の変
化を図１０のヒータ制御回路６１よりも小さくすること
ができ、好ましくはヒータ３６の発熱温度の変化ΔＴ´
を周囲温度の変化ΔＴにほぼ等しくすることができる。

【００７３】よって、図１２に示すような構成のヒータ
制御回路７１によれば、図１０のようなヒータ制御回路
６１（βｈ＝βｂのもの）と比較して、ヒータ３６の発
熱温度と測温抵抗体５２の温度（周囲温度）との差ΔＴ
ｈをより精度よく一定に保つことができる。しかも、測
温抵抗体５２の抵抗温度係数βｂとヒータ３６の抵抗温
度係数βｈとが等しくてもよいので、測温抵抗体５２と
ヒータ３６とを同一材料によって形成し、Ｐ等の不純物
の注入量も同じでよく、測温抵抗体５２及びヒータ３６
を同一工程で製作することができ、製作工程の簡略化に
よってコストを安価にできる。

【００７４】つぎに、図１３に示したヒータ制御回路８
１を説明する。これは図１２のヒータ制御回路７１の変
形例でもある。ヒータ制御回路７１では、固定抵抗６３
及び測温抵抗体５２の中点と分圧抵抗７２、７３の中点
とを抵抗７４によって接続していたのに対し、このヒー
タ制御回路８１では、固定抵抗６４及びヒータ３６の中
点と分圧抵抗７２、７３の中点とを抵抗８２によって接
続している。

【００７５】このようなヒータ制御回路８１によれば、
周囲温度の上昇によって測温抵抗体５２の抵抗Ｒｂが大
きくなると、ヒータ３６に流れる電流が増加してヒータ
３６の発熱温度が高くなると共にヒータ３６の抵抗値Ｒ
ｈも大きくなる。ヒータ３６の抵抗値Ｒｈが大きくなる
と、ヒータ３６の上側の電圧Ｖｃが高くなり、抵抗８２
の両端間の電圧差ΔＶ＝Ｖｃ−Ｖａはヒータ３６の上側
の電圧Ｖｃが上昇するにつれて大きくなり、抵抗８２か
ら外部へ流れ出す電流が増加する。その結果、ヒータ３
６に流れる電流が減少し、ヒータ３６の発熱温度の上昇
が抑制されることになる。

【００７６】よって、図１３に示すような構成のヒータ
制御回路８１によっても、図１０のようなヒータ制御回
路６１（βｈ＝βｂのもの）と比較して、ヒータ３６の
発熱温度と測温抵抗体５２の温度（周囲温度）との差Δ
Ｔｈをより精度よく一定に保つことができる。

【００７７】この実施形態は、図１２のような構成や図
１３のような構成以外にも種々設計変更することができ
るが、その場合でも固定抵抗６３（又は、固定抵抗６
４）に流れる電流と抵抗７４（又は、抵抗８２）に流れ
る電流との比が一定でないことが重要である。

【００７８】この実施形態の変形例としては、測温抵抗
体５２及びヒータ３６を固定抵抗６３、６４よりも高電
圧側に配置したブリッジ回路を用いてもよい。その場合
には、図１４に示すように、測温抵抗体５２と固定抵抗
６３との中点に、電流をブリッジ回路へ流入させるため
の抵抗７４を介して電圧Ｖａを印加し、周囲温度の上昇
によって測温抵抗体５２の抵抗値が大きくなり、その枝
の中点電圧が低くなったときに抵抗７４を介して固定抵
抗６３に流れる電流が増大し、当該中点の電圧低下が抑
制されるようにしてもよい。同様に、図１５に示すよう
に、ヒータ３６と固定抵抗６４との中点に、ブリッジ回
路から電流を流出させるための抵抗８２を介して電圧Ｖ
ａを印加するようにしてもよい。

【００７９】また、ブリッジ回路も測温抵抗体、ヒータ
及び３個以上の固定抵抗によって構成されている必要は
なく、例えば固定抵抗６３又は６４に代えて複数の抵抗
からなる抵抗ネットワークを用いてもよい。また、ブリ
ッジ回路に交流電圧を加えてヒータを発熱させる場合に
は、ブリッジ回路にキャパシタやインダクタが含まれて
いてもよい。

【００８０】なお、本発明のセンサは、上記のような流
量センサに限らず、湿気センサやガスセンサとして用い
る場合にも適用することができる。さらには、特にセン
サの種類を限定することなく、ブリッジ回路によって温
度補償を行いたい場合には有用である。

【００８１】（第３の実施形態）図１６は上記のような
流量センサ３１を用いた給湯器９１の構造を示す図であ
る。この給湯器９１にあっては、缶体９２内にガスバー
ナ９３が設けられており、その上方には内部を流れる水
とガスバーナ９３の燃焼ガスとを熱交換させて水を加熱
するための熱交換器９４が配設されている。また、缶体
９２の底面には、ガスバーナ９３に燃焼空気を供給する
ための送風ファン９５が設けられており、缶体９２の上
部には燃焼ガスを排出するための排気口９６が開口され
ている。缶体９２には、ガスバーナ９３の上面側と下面
側を連通させるように空気バイパス路９７が設けられて
おり、空気バイパス路９７には流量センサ３１が設けら
れている。

【００８２】空気バイパス路９７に設けられた流量セン
サ３１で空気の流量（送風量）を計測することによって
空気バイパス路９７の入口と出口との圧力差を測ること
ができ、それによってガスバーナ９３を通過する空気の
流量を知ることができるので、ガス流量に対して最適な
空燃比（空気とガスの混合比）となるように送風ファン
９５の回転数をフィードバック制御し、煤や一酸化炭素
ガスなどの発生を抑制することができる。

【００８３】（第４の実施形態）図１７は上記のような
流量センサを用いた２次元加速度センサ１０１の構造を
示す断面図である。この加速度センサ１０１は、密閉ケ
ース１０２の上面に回路基板１０３を取付け、回路基板
１０３の下面に取付けられた本発明の流量センサ（フロ
ーセンサ）１０４を回路基板１０３と密閉ケース１０２
によって構成されたセンサ収納室１０５内に密封し、さ
らにセンサ収納室１０５内にガス１０６を封入したもの
である。また、密閉ケース１０２の底面のうち、流量セ
ンサ１０４と対向する部分１０７を上方へ膨らませるこ
とにより、流量センサ１０４と対向する部分では流量セ
ンサ１０４と密閉ケース１０２の底面との間の距離を小
さくし、ガス１０６の流路１０８を狭くしている。この
ように流量センサ１０４を密閉した密閉型の加速度セン
サ１０１では、１０４からは、加速度センサ１０１に働
いている加速度を示す信号が出力される。

【００８４】１方向の加速度を検知する場合には、流量
センサ１０４として例えば図５に示したような構造の流
量センサを１つ用いれば良いが、この実施形態のように
２次元加速度センサとして用いる場合には、例えば図５
のような構造の流量センサを流量検知方向を互いに直交
させるようにして回路基板１０３に実装すればよい。あ
るいは、ヒータ３６と２つのサーモパイル３７、３８か
らなる図５のような電極構造を２組み互いに直交させる
ようにして１枚のシリコン基板２上に形成したものでも
よい。もちろん、３組の流量センサを用いれば３次元加
速度センサとすることもできる。

【００８５】次に、流量センサ１０４を用いた加速度セ
ンサ１０１と加速度との関係について説明する。流量セ
ンサ１０４を用いた加速度センサ１０１を動かしたとき
の流量センサ１０４からの出力信号には、加速度センサ
１０１を操作したときの移動方向の速度に応じた信号成
分と、移動方向の加速度に応じた信号成分と、重力加速
度による信号成分とが含まれている。

【００８６】この重力加速度による信号成分とは、流量
センサ１０４がヒータ３６を備えていることによるもの
である。流量センサ１０４は、例えばＸ軸方向で考える
と、図１８（ａ）に示すように、ヒータ３６の両側にサ
ーモパイル３７、３８を配置した構造を有しており、加
速度センサ１０１が水平に移動すると、図１８（ｂ）に
示すように、サーモパイル３７側とサーモパイル３８側
とで温度分布が異なることによってサーモパイル３７、
３８の差信号が変化するものである（図３の説明を参
照）。ところが、このような流量センサ１０４では、ヒ
ータ３６で気体が温められているため、加速度センサ１
０１が傾くと、図１８（ｃ）に示すように温められた気
体が上昇し、対流によって図１８（ｂ）と同様な温度分
布となる。このため、加速度センサ１０１を移動させて
いない場合でも、加速度センサ１０１が傾いているとサ
ーモパイル３７、３８から差信号が出力され、加速度セ
ンサ１０１から信号が出力されてしまう。これが重力加
速度による信号成分である。

【００８７】流量センサを用いたセンサが開放型である
場合には、そのセンサを移動させたときの移動方向の加
速度に応じた信号成分と重力加速度による信号成分と
は、移動方向の速度に応じた信号成分と比較して非常に
小さいので、移動方向の加速度に応じた信号成分と重力
加速度による信号成分とは無視することができる。しか
し、密閉型の加速度センサ１０１の場合には、移動加速
度と比較して移動速度に対する感度が低いので、流量セ
ンサ３７、３８から出力される差信号は、加速度センサ
１０１が感知している加速度を表しているものとして扱
われる。従って、流量センサ１０４を密閉した加速度セ
ンサ１０１では、移動速度に対する感度は無視すること
ができ、また水平に設置されている場合には重力加速度
による信号成分も無視することができるので、この加速
度センサ１０１からは感知している加速度を示す加速度
信号を出力させることができ、加速度計測用のセンサと
して用いることができる。

【００８８】図１９は上記２次元加速度センサ１０１に
用いられている信号処理回路１１１を示す回路ブロック
図である。流量センサ１０４は、２つの流量センサ１０
４Ａ及び１０４Ｂで表されており、流量センサ１０４Ａ
はＸ軸方向の加速度を検知するように設置されており、
流量センサ１０４ＢはＹ軸方向の加速度を検知するよう
に設置されている。また、センサ駆動回路１１２及び１
１５は、それぞれ流量センサ１０４Ａ、１０４Ｂのヒー
タ３６の発熱量を制御する回路であって、ヒータ３６を
間欠駆動する。センサ駆動回路１１２及び１１５で、流
量センサ１０４Ａ及び１０４Ｂのヒータ３６を間欠駆動
することで流量センサ１０４Ａ、１０４Ｂの周辺の温度
上昇を防止し、出力を安定化させるとともに消費電力を
抑えることができる。Ｘ軸方向の流量センサ１０４Ａか
ら出力された信号（加速度信号）は、増幅回路１１３に
より増幅され、ローパスフィルタ１１４で高周波成分を
カットされた後、Ｘ方向の加速度を示す信号として演算
処理回路（マイコン）１１８のＡ／Ｄポートへ入力され
る。ここで、ローパスフィルタ１１４（ローパスフィル
タ１１７も同じ。）を用いるのは、高周波ノイズをカッ
トするとともに加速度センサ１０１を取り付けた機器の
振動（あるいは、加速度センサ１０１を取り付けた機器
が手持ち機器の場合には、手振れ）による不要な信号成
分を除去するためである。同様に、Ｙ軸方向の流量セン
サ１０４Ｂから出力された信号（加速度信号）は、増幅
回路１１６により増幅され、ローパスフィルタ１１７で
高周波成分をカットされた後、Ｙ方向の加速度を示す信
号として演算処理回路（マイコン）１１８のＡ／Ｄポー
トへ入力される。演算処理回路（マイコン）１１８にお
いては、Ｘ軸方向の加速度とＹ軸方向の加速度の合成な
ど、必要な処理が実行される。なお、ローパスフィルタ
１１４、１１７の後段に、電圧−周波数（ＶＦ）変換回
路を設け、カウンタを通してパルス出力を演算処理回路
１１８へ送るようにしてもよい。

【００８９】このような流量センサ１０４を利用した加
速度センサ１０１では、構造が単純であるため、安価に
加速度センサ１０１を製作することができる。また、半
導体プロセスを用いて流量センサ１０４を製造できるの
で、加速度センサ１０１を小型化できる。さらに、可動
部分を持たないので、衝撃に強くて破損しにくという特
徴がある。また、このような加速度センサ１０１は、出
力感度が高いので、高精度の出力を得ることができる。
さらに、周辺回路も安価な部品で構成することが可能で
ある。

【００９０】（第５の実施形態）図２０（ａ）（ｂ）は
別な実施形態による加速度センサ１２１を示している。
この加速度センサ１２１では、回路基板１０３と密閉ケ
ース１０２とで構成されたセンサ収納室１０５内に比較
的比重の重いガス１２２と比較的比重の軽いガス１２３
との２種のガスを封入している。しかして、センサ収納
室１０５内では、図２０（ａ）に示すように重いガス１
２２と軽いガス１２３とが分離して２層となっている。
この状態では、図２０（ｂ）に示すように、加速度セン
サ１０４を＋Ｘ方向に移動させると、重いガス１２２が
慣性等によって相対的に−Ｘ方向へ移動するので、軽い
ガス１２３は＋Ｘ方向へ押し出される。このとき軽いガ
ス１２３の流れ（加速度）が流量センサ１０４により検
出される。この実施形態では、重いガス１２２と軽いガ
ス１２３を封入することにより軽いガス１２３の流れを
構造的に増幅させることにより、加速度センサ１２１の
感度を高めている。

【００９１】（第６の実施形態）２次元加速度センサが
傾けて設置される場合には、重力加速度による信号成分
を無視することができず、これを補正する必要がある。
この重力加速度の補正方法としては、図２１のような信
号処理回路を用いる方法がある。

【００９２】図２１の信号処理回路１３１では、Ｘ軸方
向の流量センサ１０４Ａから出力された信号（加速度信
号）は、増幅回路１１３により増幅された後、ハイパス
フィルタ１３２で低周波成分をカットされた後、Ｘ方向
の加速度を示す信号として演算処理回路（マイコン）１
１８のＡ／Ｄポートへ入力される。同様に、Ｙ軸方向の
流量センサ１０４Ｂから出力された信号（加速度信号）
は、増幅回路１１６により増幅され、ハイパスフィルタ
１３３で低周波成分をカットされた後、Ｙ方向の加速度
を示す信号として演算処理回路（マイコン）１１８のＡ
／Ｄポートへ入力される。

【００９３】重力加速度による加速度センサからの出力
は、ほぼ直流成分（あるいは、非常に低い周波数成分）
であるから、Ｘ軸流量センサ１０４Ａ及びＹ軸流量セン
サ１０４Ｂの出力に接続するハイパスフィルタ１３２、
１３３の周波数特性を、図２２に示すように、カットオ
フ周波数Ｆｃが重力加速度による出力成分の周波数域よ
りも高く、加速度センサの計測範囲下限値よりも低くな
るように設定すれば、重力加速度による影響のみをカッ
トすることができ、加速度センサの精度を向上させるこ
とができる。

【００９４】なお、重力加速度の影響をカットすると共
に、図１９の信号処理回路１１１のように高周波ノイズ
もカットする必要がある場合には、このハイパスフィル
タ１３２、１３３に代えてバンドパスフィルタを用いて
もよい。

【００９５】（第７の実施形態）図２３は別な実施形態
による加速度センサ１４１を示す斜視図である。この加
速度センサ１４１にあっては、ケース１４２内に、密閉
式のセンサユニット１４３が納められている。加速度セ
ンサ１４１は、図２３に示すように、中空のケース１４
２内に支持梁１４４を掛け渡し、フック１４５でセンサ
ユニット１４３を支持梁１４４の屈曲箇所に揺動自在に
吊り下げたものである。センサユニット１４３は、流量
センサ１０４を実装した回路基板１４６をユニットケー
ス１４７内に固定したものであり、ユニットケース１４
７の上面に設けられたフック１４５で揺動自在に吊り下
げた時、安定した状態では、流量センサ１０４の垂直方
向が重力加速度方向と平行となるように重心位置を調整
してある。また、ケース１４２内に適当な粘度のオイル
１４８を貯めてオイルダンパーとしてあり、センサユニ
ット１４３はオイル１４８内に浸けられている。さら
に、加速度センサ１４１のケース１４２には、内外に貫
通するようにして電極端子１４９が埋め込まれており、
流量センサ１０４又は回路基板１４と電極端子１４９と
は柔軟なリード線１５０によって結ばれているので、流
量センサ１０４の出力は電極端子１４９に取り出される
ようになっている。

【００９６】しかして、この加速度センサ１４１によれ
ば、傾けて設置されていても、加速度センサ１４１内の
センサユニット１４３はオイル１４８の抵抗に抗しなが
ら動いて水平姿勢に保持されるので、流量センサ１０４
は常に重力加速度の影響を受けない状態に維持される。
よって、重力加速度による出力成分は常にゼロとなり、
加速度センサ１４１の精度が向上させられる。

【００９７】（第８の実施形態）図２４は、別な実施形
態による３次元加速度センサ１５１を示す概略斜視図で
ある。この加速度センサ１５１にあっては、Ｘ軸方向の
移動を検知する流量センサ１５２Ａ、Ｙ軸方向の移動を
検知する流量センサ１５２Ｂ、Ｚ軸方向の移動を検知す
る流量センサ１５２Ｃをそれぞれれ立方体状をしたブロ
ック１５３の各面に貼り付けたものが密閉ケース１５４
内に密封されている。よって、各流量センサ１５２Ａ、
１５２Ｂ、１５２ＣによりＸ軸方向の加速度、Ｙ軸方向
の加速度、Ｚ軸方向の加速度を計測することができ、３
次元加速度センサとして用いることができる。

【００９８】（第９の実施形態）図２５は本発明にかか
る加速度センサを用いたゲームコントローラ１６１であ
って、ゲームコントローラ１６１内の回路基板１６２に
上記のような密閉型の３次元加速度センサ１６３を実装
している。そして、このゲームコントローラ１６１の空
中における操作状態が加速度センサ１６３によって検出
され、その計測信号がゲームコントローラ１６１からパ
ーソナルコンピュータやゲームマシンなどに出力され
る。

【００９９】（図１０の実施形態）図２６は異なるゲー
ムコントローラ１６１の形態を表している。このゲーム
コントローラ１６１では、内部の回路基板１６２の上に
本発明にかかる流体センサ１６４がＣＢＯ（チップ・オ
ン・ボード）で実装されており、この流体センサ１６４
を覆うようにして回路基板１６２にキャップ１６５を取
り付け、回路基板１６２とキャップ１６５によって内部
に流体センサ１６４を封止して密閉型の加速度センサを
構成している。キャップ１６５と回路基板１６２の間を
密閉構造とするためには、キャップ１６５の爪１６７を
回路基板１６２の孔１６８に係合させてキャップ１６５
を回路基板１６２の表面に取り付けると共にキャップ１
６５と回路基板１６２の間に気密用のゴムパッキンなど
を挟み込んでおいてもよい。あるいは、キャップ１６５
の下面を回路基板１６２の表面に接着剤で接着すること
により、気密構造としてもよい。

【０１００】

【発明の効果】本発明のセンサ用発熱装置によれば、ブ
リッジ回路を用いて測温抵抗体を基準として発熱体の発
熱温度を制御するようにした発熱装置において、設計自
由度をより高くすることができる。

【０１０１】特に、電流調整手段によりブリッジ回路の
第１の枝又は第２の枝に電流を流入させたり、流出させ
たりするようにしたセンサ用発熱装置によれば、発熱体
の発熱温度と測温抵抗体の温度との温度差をより高い精
度で一定に保つことができる。

【０１０２】また、測温抵抗体の不純物ドーピング量を
発熱体の不純物ドーピング量よりも大きくすることによ
っても、発熱体の発熱温度と測温抵抗体の温度との温度
差をより高い精度で一定に保つことが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の流量センサの構造を示す平面図である。

【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。

【図３】（ａ）は上記流量センサに流体が流れていない
ときの温度分布を示す図、（ｂ）は同上の流量センサに
流体が流れているときの温度分布を示す図である。

【図４】（ａ）（ｂ）は、図１に示したような構造のセ
ンサを湿気やガス圧を検出するためのセンサとして用い
る場合の検出原理を説明する図である。

【図５】本発明の一実施形態による流量センサの構造を
示す平面図である。

【図６】図６のＢ−Ｂ線断面図である。

【図７】（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は同上の流量センサ
の製造プロセスを説明する断面図である。

【図８】（ｅ）（ｆ）（ｇ）（ｈ）（ｉ）は図８の続図
である。

【図９】（ｊ）（ｋ）（ｌ）（ｍ）は図９の続図であ
る。

【図１０】同上の流量センサに用いられているヒータ制
御回路を示す図である。

【図１１】測温抵抗体及びヒータの温度と各抵抗値との
関係を説明するための図である。

【図１２】本発明の別な実施形態におけるヒータ制御回
路を示す図である。

【図１３】本発明のさらに別な実施形態におけるヒータ
制御回路を示す図である。

【図１４】本発明のさらに別な実施形態におけるヒータ
制御回路を示す図である。

【図１５】本発明のさらに別な実施形態におけるヒータ
制御回路を示す図である。

【図１６】本発明にかかるガス圧センサを用いた給湯器
の構造を示す概略図である。

【図１７】本発明にかかる流量センサを用いた加速度セ
ンサの概略断面図である。

【図１８】加速度センサにおけるおける重力加速度の影
響を説明する図である。

【図１９】同上の加速度センサに用いられている信号処
理回路の構成を示す回路ブロック図である。

【図２０】（ａ）（ｂ）は本発明にかかる流量センサを
用いた別な構造の加速度センサを示す概略断面図であ
る。

【図２１】本発明にかかる加速度センサにおいて、重力
加速度の影響を除去するための信号処理回路の構成を示
す回路ブロック図である。

【図２２】同上の信号処理回路の原理を説明する図であ
る。

【図２３】重力加速度の影響を除去した別な加速度セン
サの構造を示す概略断面図である。

【図２４】本発明にかかる３次元加速度センサの概略図
である。

【図２５】本発明にかかる加速度センサを利用したゲー
ムコントローラを示す斜視図である。

【図２６】本発明にかかる加速度センサを利用した別な
ゲームコントローラを示す一部分解した斜視図である。

【符号の説明】

６１ ヒータ制御回路 ６２ オペアンプ ６３、６４ 固定抵抗 ６５ トランジスタ ６６ 定電圧回路 ７１ ヒータ制御回路 ７２、７３ 分圧抵抗 ７４ 抵抗 ８１ ヒータ制御回路 ８２ 抵抗

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０１Ｐ 15/00 Ｋ (72)発明者 佐々木 昌 京都府京都市下京区塩小路通堀川東入南不 動堂町801番地 オムロン株式会社内 (72)発明者 倉田 剛大 京都府京都市下京区塩小路通堀川東入南不 動堂町801番地 オムロン株式会社内 (72)発明者 片岡 朋宏 京都府京都市下京区塩小路通堀川東入南不 動堂町801番地 オムロン株式会社内 (72)発明者 木下 政宏 京都府京都市下京区塩小路通堀川東入南不 動堂町801番地 オムロン株式会社内 Ｆターム(参考） 2F035 EA04 EA08 EA09 2G060 AA01 AB02 AE19 AF07 BA05 HB06 HC02 HC10

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測温抵抗体と固定抵抗とを含む第１の
   枝、および発熱体と前記固定抵抗とは別な固定抵抗とを
   含む第２の枝を並列に接続したブリッジ回路と、 第１の枝の中点と第２の枝の中点との電位差に基づいて
   前記ブリッジ回路に印加する電圧又は前記ブリッジ回路
   に供給する電流を調整することにより、測温抵抗体と発
   熱体の温度差を制御する手段とを備えたセンサ用発熱装
   置において、 前記第１の枝の中点又は前記第２の枝の中点のうち少な
   くとも一方の中点に、前記ブリッジ回路及び前記制御手
   段の外部から前記第１の枝又は第２の枝に電流を流入出
   させるための電流調整手段を接続したことを特徴とする
   センサ用発熱装置。
2. 【請求項２】 前記電流調整手段により前記第１又は第
   ２の枝に流入出する電流の値は、前記第１又は第２の枝
   に流れる電流の値と比例して変化しないものであること
   を特徴とする、請求項１に記載のセンサ用発熱装置。
3. 【請求項３】 前記電流調整手段は、定電圧源と第１又
   は第２の枝の中点とを抵抗によって接続したものである
   ことを特徴とする、請求項１に記載のセンサ用発熱装
   置。
4. 【請求項４】 不純物をドーピングされた測温抵抗体と
   固定抵抗とを含む第１の枝、および不純物をドーピング
   された発熱体と前記固定抵抗とは別な固定抵抗とを含む
   第２の枝を並列に接続したブリッジ回路と、 第１の枝の中点と第２の枝の中点との電位差に基づいて
   前記ブリッジ回路に印加する電圧又は前記ブリッジ回路
   に供給する電流を調整することにより、測温抵抗体と発
   熱体の温度差を制御する手段とを備えたセンサ用発熱装
   置において、 前記測温抵抗体のドーピング量を前記発熱体のドーピン
   グ量よりも大きくしたことを特徴とするセンサ用発熱装
   置。
5. 【請求項５】 前記測温抵抗体の抵抗温度係数をβｂ、
   前記発熱体の抵抗温度係数をβｈ、測温抵抗体と発熱体
   の温度差をΔＴｈとするとき、 βｂ＝βｈ／（１＋βｈ・ΔＴｈ） となるように前記測温抵抗体の不純物ドーピング量と前
   記発熱体の不純物ドーピング量を設定されていることを
   特徴とする請求項４に記載のセンサ用発熱装置。
6. 【請求項６】 前記測温抵抗体及び前記発熱体がポリシ
   リコンによって形成され、前記測温抵抗体の抵抗温度係
   数に対する前記発熱体の抵抗温度係数の比が、１.００
   ５以上１.１以下であることを特徴とする請求項４に記
   載のセンサ用発熱装置。
7. 【請求項７】 請求項１、２、３、４、５又は６に記載
   したセンサ用発熱装置と、 前記センサ発熱装置の近傍に配置され、該センサ発熱装
   置の発熱部から発生した熱による温度変化を検出する温
   度測定手段とを備えたセンサ。
8. 【請求項８】 請求項１、２、３、４、５又は６に記載
   したセンサ用発熱装置と、前記センサ発熱装置の近傍に
   配置され、該センサ発熱装置の発熱部から発生した熱に
   よる温度変化を検出する温度測定手段とを密閉空間内に
   納め、当該温度測定手段の出力により加速度を計測する
   ようにしたことを特徴とする加速度センサ。
9. 【請求項９】 前記センサ用発熱装置に用いられている
   発熱体を間欠駆動する手段を備えた、請求項８に記載の
   加速度センサ。
10. 【請求項１０】 前記温度測定手段からの出力信号がロ
    ーパスフィルタを通過するようにした、請求項８に記載
    の加速度センサ。