JP2002533663A - 質量流量を測定する方法およびセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 加熱素子4 は液体またはガスの質量流量を測定するために２つの温度センサ5 、6 間に配置される。質量流量は温度センサ5 、6 の温度差から決定される。加熱素子4 は装置の電力消費を減少するためにパルスにより動作される。監視回路12はさらに電力消費を減少する。実際の測定部分11は温度センサ5 、6 の信号がしきい値状態を満たすとき前記監視回路12によってのみオンに切換えられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】

本発明は独立クレームにしたがったガスまたは液体の質量流量を測定する方法
およびセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】

このタイプの装置は、文献（“Scaling of Thermal CMOS Gas Flow Microsens
ors : Experiment and Simulation ”、F. Mayer、IEEE Micro Electro Mechani
cal Systems （IEEE、1996年）、116ff 頁）または文献（Single-Chip CMOS Ane
momenter、F. Mayer、IEEE International Electron Devices Meeting （IEDM、
1997年）、895ff 頁）に記載されている。これらはガスまたは流体の質量流量を
決定するために使用される。これらは２つの温度センサ間に配置されている加熱
素子を含んでいる。２つの温度センサの温度差は質量流量の指示を与える。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】

このようなセンサは電力消費が比較的大きい。それ故、正確性を犠牲にするが
、加熱素子を通る電流を出来る限り低く維持しようとする。

【０００４】 米国特許第4 651 564 号明細書は加熱素子がパルス方法で動作されるセンサ
について説明し、パルスはパルス間の休止期間と同じ長さである。このパルス動
作は測定の正確性を増加する。しかしながら、電力消費の減少はこの明細書記載
の発明の目的ではない。

【０００５】 EP-A-698 786号明細書は異なる加熱電流により動作される加熱素子を具備す
る装置について記載している。加熱素子は同時に温度センサとして使用される。
異なる加熱電流における測定は測定される流動を決定するために必要とされる。

【０００６】 それ故、低い電力消費で動作する最初に説明したタイプのセンサおよび方法
をそれぞれ与えることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】

この目的は独立クレームの構成により達成される。

【０００８】 本発明によれば、加熱素子はそれ故、サイクルで動作され、ここで第１の短
いサイクル相では第２の長いサイクル相よりも多量の加熱が発生する。したがっ
て、例えば第２のサイクル相でスイッチはオフの状態のままであるか、低い電力
で動作されることができる。

【０００９】 このパルス動作により、電力消費は実質上減少されることができる。質量流
量を決定するため２つのセンサ信号を処理することによって、これは依然として
可能である。好ましくは加熱素子のパルス長またはスイッチオン時間は、熱平衡
に到達され、質量流量が実質上通常の方法で決定されることができるようにこの
目的に対して選択される。

【００１０】 好ましい実施形態では、センサには監視回路が設けられ、これは周期的に温
度信号をチェックする。これらの温度信号が所定のしきい値状態を満たすと直ち
に測定回路は動作状態にされ、これは質量流量を正確に決定する。この方法で、
必要な電力はさらに減少されることができる。

【００１１】 好ましくは、異なる動作モードが与えられる。電力消費が減少した第１のモ
ードでは、非常に短い加熱パルスだけが発生され、一方第２の加熱モードのパル
スはそれより長い。これは必要ならば、電力消費が減少した動作モードを使用す
ることを可能にする。正確度が減少した測定だけがこの動作モードで可能である
が、これは多くの応用に対して十分である。増加した電力消費の動作モードは高
い正確度の測定が必要である場合のみ使用される。

【００１２】 好ましくは、加熱パルスは連続的な加熱パルス間の距離の少なくとも５倍、
好ましくは１０倍である。

【００１３】

【発明の実施の形態】

さらに本発明の別の実施形態、利点、応用は請求項２以下および、図面を参照
する以下の説明から明白になる。 本発明にしたがった流量センサの好ましい実施形態では、図１で示されている
ようなセンサ装置が使用される。この装置は文献（“Scaling of Thermal CMOS
Gas Flow Microsensors : Experiment and Simulation ”、F. Mayer、IEEE Mic
ro Electro Mechanical Systems （IEEE、1996年）、116ff 頁）に詳細に記載さ
れている。

【００１４】 これは開口または凹部２がエッチングされているシリコンの単結晶１に整列
される。開口または凹部２は誘電体から作られた薄膜３により被覆される。抵抗
性の加熱素子４は薄膜３に配置される。２つの熱電対５、６は加熱素子４に関し
て対称的に整列され、温度センサとして作用する。熱電対５、６と加熱素子４は
測定される媒体が最初に第１の熱電対５を通過し、その後加熱素子４を、そして
最後に第２の熱電対６を通過する流れの方向７になる方法で整列されている。

【００１５】 前述の文献で説明されているように、測定される媒体の質量流量は図１にし
たがった装置により決定されることができる。この目的で、熱電対５、６の温度
差が測定され、これは流量速度と、媒体の密度および圧力に依存する。適切な較
正テーブルにより、質量流量は温度差から計算されることができる。

【００１６】 質量流量を測定するため、図２で示されているような回路が使用されること
ができる。これは加熱素子４と熱電対５、６とを有する実際のセンサセクション
10と、センサセクション10からの信号を処理し質量流量を計算する測定セクショ
ン11と、以下さらにその目的を説明する随意選択的な監視回路12と、加熱素子４
の駆動装置13とを具備する。

【００１７】 測定セクション11は正確な増幅器15を具備し、これは熱電対５、６の温度信
号の差を増幅する。このようにして増幅された差信号はアナログデジタル変換器
16を経てマイクロプロセッサ17へ与えられる。マイクロプロセッサ17は差信号か
ら質量流量を決定するために較正テーブルを使用する。変換器16が適切な方法で
非線形に動作するならば、マイクロプロセッサの仕事はまた変換器16により実行
されることができる。

【００１８】 測定セクション11はさらに測定制御装置18を具備し、これはとりわけ部分15
−17に与えられる電力を制御し、その機能をさらに以下説明する。

【００１９】 電力消費を低く維持するため、装置はサイクルおよびパルスで動作される。
これは図３で示されている。

【００２０】 マイクロプロセッサ17または測定制御装置18はパルスを駆動装置13へ送信し
、これは加熱素子４に対して例えば４０ｍｓの長さｔｐの対応する電流パルスＩ
を発生する。電流パルス間で、加熱素子４は例えば２秒の長さｔｒの期間中は加
熱されない（または減少した方法でのみ加熱される）。

【００２１】 電流パルスＩの長さｔｐは、熱電対５、６の温度Ｔ１、Ｔ２が各パルスの終
了時に平衡値Ｔ１ ｍａｘとＴ２ ｍａｘに到達するように選択される。それ故
、マイクロプロセッサは時間ｔｍにおいて温度差Ｔ２ ｍａｘ−Ｔ１ ｍａｘを
測定することができ、これを通常の方法で処理する。

【００２２】 熱電対は抵抗よりもパルス状の温度変化下で少ないドリフトとエージングを
示す傾向があるので、熱電対は抵抗よりも温度パルスの測定に適している。

【００２３】 この装置のパルス動作により、加熱素子４の電力消費は顕著に減少されるこ
とができる。それぞれ良好に電力節約するため、パルス長ｔｐは第２のサイクル
長ｔｒよりも少なくとも５分の１、好ましくは１０分の１よりも小さくするべき
である。

【００２４】 さらに電力消費を減少するため、種々の付加的な測定が交互にまたは組合わ
せて使用されることができる。これらを以下説明する。

【００２５】 第１の測定は、センサが２つの動作モードを有することからなり、これは測
定制御装置18または監視制御装置22により選択される。第１の動作モードでは、
パルス長ｔｐは例えば１０ｍｓまで減少され、測定は対応して早期に実行される
。この場合、パルス長は熱平衡に到達するのに十分ではない。しかしながら、僅
かに減少した正確度の測定を行うことが可能である。第２の動作モードでは、例
えば４０ｍｓの十分なパルス幅ｔｐが使用される。

【００２６】 動作モードは自動的に選択されるか（例えば第１の動作モードが通常標準的
に使用され、第２の動作モードは増加した正確度の較正または測定に対してだけ
に与えられる）またはこれらは外部から故意に選択されることができる。

【００２７】 電力消費を減少するための第１の測定の重要な利点は、付加的な回路素子を
必要とすることにある。

【００２８】 さらに電力消費を減少するために、Ａ／Ｄ変換器16の分解能は動作モードに
依存して行われることができる。第１の動作モードでは少量の時間だけが測定に
有効であり、さらに、測定結果は正確度が少ない。それ故、Ａ／Ｄ変換器16はこ
の動作モードでは減少された分解能で動作される。これは測定を加速する。さら
に、Ａ／Ｄ変換器16の電力消費が減少される。第２の動作モードでは、Ａ／Ｄ変
換器は十分な分解能で動作される。

【００２９】 電力消費を減少するためのさらなる測定は前述の監視回路12を使用する。こ
れは増幅器20を具備し、その出力信号は比較装置21によって基準電圧Ｖref と比
較される。監視回路12の機能は監視制御装置22により制御される。監視制御装置
22は測定制御装置18に接続され、測定セクション11をオンとオフに切換えること
ができる。

【００３０】 監視制御装置12は２つのモードで装置を動作することを可能にする。第１の
モード（監視モード）では、以下さらに説明するように、監視制御装置22は測定
セクション11を減勢し、監視回路12はセンサの状態を監視する。第２のモード（
測定モード）では、監視制御装置22は測定セクションを付勢し、測定セクション
11は前述したような方法で標準的なパルス測定を実行する。

【００３１】 監視モードでは、監視制御装置22は加熱素子の駆動装置13の制御を行い、図
３のように短い加熱パルスを発生し、これは熱電対４、５に対応する温度変化を
生じさせる。対応する温度信号は増幅器20で増幅され、温度差Ｔ２ｍａｘ−Ｔ１
ｍａｘは比較装置21で基準値Ｖref と比較される。

【００３２】 温度差が基準値Ｖref よりも低い限り、測定される媒体の流速は非常に小さ
く無視されることができることが想定される。正確な測定はこの場合、不必要で
あり、測定セクション11は付勢される必要はない。しかしながら、温度差が基準
値Ｖref を超えるとすぐに、監視制御装置22は測定セクション11を付勢し、これ
はさらに正確な測定を実行する。

【００３３】 監視回路12は大きいアナログ回路を使用してできる限り簡単に設計されるの
に好ましく、それによってその電力消費は減少されることができるが、正確性を
限定する。それ故、測定セクション11は温度差が基準値Ｖref よりも低い状態で
あっても、監視回路を較正する監視モード中に周期的に付勢される。このような
較正相では、測定セクションは測定された質量流量が所定のしきい値よりも下で
あるか否かをチェックする。イエスであるならば、基準値は補正値により減少さ
れる。ノーであるならば、それに対応して増加される。

【００３４】 監視回路12により、複雑な測定セクション11は低い質量流量中にオフに切換
えられている状態であるので、電力消費は減少されることができる。これは質量
流量が長期間にわたって低い測定環境では、特に重要である。

【００３５】 質量流量の弱い変化だけが予測される測定環境では、図４で示されているよ
うに監視回路12の別の実施形態が使用されることができる。マイクロプロセッサ
17は基準値Ｖref に加えて比較値Ｖprevを発生する。増幅器20の出力値Ｖout は
比較値Ｖprevと共に回路25に供給され、これはこれらの２つの値の絶対差Ｖout
−Ｖprevを計算する。この絶対値は比較装置21で基準値Ｖref と比較される。

【００３６】 図４の実施形態の動作方法は図２の動作方法と対応するが、２つの温度セン
サの温度差信号が比較値Ｖprevから所定値だけ偏差を生じるとすぐに、監視制御
装置22が測定セクション11を付勢する点を除く。

【００３７】 測定セクション11が１つの値を測定するとき、これは比較値Ｖprevとして温
度センサの対応する差信号を記憶する。これはその後、消勢される。監視回路12
は比較値からの偏差を測定する。この偏差が基準値Ｖref を超えるとすぐに、測
定セクション11は再度付勢され、次の測定を実行し、新しい比較値Ｖprevを発生
する。このようにして測定セクション11は信号が変化するときのみ付勢される。

【００３８】 これに加えて、測定セクションはまた監視セクションを較正し、値Ｖref と
Ｖprevを更新するためにこの実施形態で周期的に付勢されることができる。

【００３９】 図４の実施形態では、比較値Ｖprevがゼロに等しく設定されるならば、これ
は機能において実質上図２のものに対応している。基本的に、監視回路は図２お
よび４の実施形態に記載されている回路よりも他のまたはさらに別のしきい値状
態に対する温度センサの信号をチェックすることができる。

【００４０】 これまで示した実施形態では、監視回路12と測定セクション11はパルス方法
で加熱素子４を動作する。しかしながら、例えば監視回路12だけがパルス動作を
使用し、測定回路11は付勢時間全体にわたって加熱素子をオンの状態にしておく
ことも可能である。さらに低い正確度しか必要としない場合には、監視回路12が
測定回路よりも小さいエネルギの加熱パルスを使用することも可能である。

【００４１】 温度センサで熱平衡に到達するまで待機すべきであるならば、図１にしたが
ったセンサ形状の典型的なパルス長ｔｐは１５乃至５０ｍｓの範囲である。しか
しながら、約１ｍｓまでの短いパルスを使用することも可能であり、この場合、
平衡温度Ｔ１ｍａｘとＴ２ｍａｘは例えば外挿法により決定される。

【００４２】 電流は２つの加熱パルス間では加熱素子を流れないことが好ましい。しかし
ながら、動作温度にさらに迅速に到達するためにベース電力で連続的に加熱素子
を動作することも考えられる。

【００４３】 図２、４の回路素子は部分的または完全に装置のシリコンキャリア１上に集
積されることができる。しかしながら、これらはまた外部コンポーネントとして
構成されることもできる。

【００４４】 本発明の適用について本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発
明はそれらに限定されず、特許請求の範囲の技術的範囲内で異なる方法により実
行されることもできることが指摘されなければならない。

【図面の簡単な説明】

【図１】 加熱素子と温度センサの配置の斜視図および中心断面図。

【図２】 本発明にしたがった流量センサの第１の実施形態の簡単化されたブロック図。

【図３】 温度センサからの加熱電流と信号の波形図。

【図４】 本発明にしたがった流量センサの第２の実施形態のブロック図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ， ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ， ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，Ｃ Ｒ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ， ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，Ｋ Ｚ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ， ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，Ｓ Ｋ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガスまたは液体がそれぞれ第１の温度センサ(5) と、加熱素
   子(4) と、第２の温度センサ(6) とを通って導かれ、質量流量が２つの温度セン
   サ(5,6) の温度信号から決定されるガスまたは液体の質量流量を測定する方法に
   おいて、 加熱エネルギを節約するために、加熱素子はサイクルで動作され、第１のサイ
   クル相では、加熱素子は第２のサイクル相よりも高温度で動作され、第１のサイ
   クル相は第２のサイクル相よりも短い時間であることを特徴とする方法。
2. 【請求項２】 質量流量は２つの温度センサ(5,6) の温度信号の差から決定
   されることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】 第１のサイクル相（ｔｐ）は、熱平衡が温度センサ(5,6) の
   領域に到達されるような長さの時間に少なくとも一時的に選択されることを特徴
   とする請求項１または２記載の方法。
4. 【請求項４】 温度センサ(5,6) と加熱素子(4) は少なくとも部分的に誘電
   体薄膜(3) 上に配置され、誘電体薄膜(3) は半導体装置(1) の開口または凹部(2
   ) 上に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の方
   法。
5. 【請求項５】 ２つの異なる動作モードが与えられ、第１の動作モードにお
   いて、第１のサイクル相で、第１の長さの加熱パルスが発生され、第２のサイク
   ル相で、第２の長さの加熱パルスが発生され、第１の長さは第２の長さよりも小
   さく、特に第１の長さは、その第１の長さの端部において温度センサ(5,6) の領
   域では熱平衡に到達できないように小さく設定されていることを特徴とする請求
   項１乃至４のいずれか１項記載の方法。
6. 【請求項６】 第１のサイクル相は第２のサイクル相の５分の１以下、好ま
   しく１０分の１以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載
   の方法。
7. 【請求項７】 順番に流動方向に配置された２つの温度センサ(5,6) と、温
   度センサ(5,6) の間に配置された加熱素子(4) と、両温度センサ(5,6) の温度信
   号から質量流量を決定する測定手段(11,12,13)とを具備し、特に請求項１乃至６
   のいずれか１項記載の方法を実行するためのガスまたは流体の質量流量を決定す
   る質量流量センサにおいて、 測定手段(11,12,13)は加熱パルスを発生するためにパルスのエネルギを加熱素
   子(4) へ供給するパルス制御装置(17,22) を具備し、連続的なパルスの間の距離
   （ｔｒ）はパルス自体の長さよりも長いことを特徴とするセンサ。
8. 【請求項８】 パルス制御装置(17,22) は、少なくとも加熱パルスの一部の
   長さが温度センサ(5,6) が加熱パルスの端部において実質上熱平衡であるような
   長さにされるように構成されていることを特徴とする請求項７記載のセンサ。
9. 【請求項９】 加熱素子(4) と温度センサ(5,6) は、半導体装置(1) の開口
   または凹部(2) 上に延在する誘電体薄膜(3) 上に少なくとも部分的に配置されて
   いることを特徴とする請求項７または８記載のセンサ。
10. 【請求項１０】 測定手段は監視回路(12)と、監視回路(12)により付勢され
    る測定セクション(11)を具備し、 測定セクション(11)は温度信号に基づいて質量流量を決定するように設計され
    ており、 監視回路(12)は温度信号を周期的に監視し、温度信号が所定のしきい値状態を
    満たすならば測定セクション(11)を付勢するように構成されていることを特徴と
    する請求項７または８記載のセンサ。
11. 【請求項１１】 測定セクション(11)は監視回路(12)を較正するように設計
    されていることを特徴とする請求項１０記載のセンサ。
12. 【請求項１２】 パルス制御装置(17,22) は、第１の動作モードにおいて、
    監視回路(12)の動作中に第１加熱パルスを発生し、測定セクション(11)の動作中
    に第２の加熱パルスを発生し、第１の加熱パルスは第２の加熱パルスよりも少な
    いエネルギを有することを特徴とする請求項７乃至１１のいずれか１項記載の方
    法。
13. 【請求項１３】 しきい値状態は所定の比較値（０、Ｖ_prev）からの温度信
    号差の偏差から決定されることを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか１項
    記載のセンサ。
14. 【請求項１４】 温度センサ(5,6) は加熱素子の両側に実質上対称的に配置
    されていることを特徴とする請求項７乃至１３のいずれか１項記載のセンサ。
15. 【請求項１５】 ２つの異なる動作モードを有し、第１の動作モードでは第
    １の長さのパルスが発生され、第２の動作モードでは第２の長さのパルスが発生
    され、第１の長さは第２の長さよりも小さく、第１の長さは、その端部において
    熱平衡は温度センサ(5,6) の領域に到達できないように小さく設定されているこ
    とを特徴とする請求項７乃至１３のいずれか１項記載のセンサ。
16. 【請求項１６】 調節可能な分解能を有するデジタルアナログ変換器(16)を
    具備し、分解能は第２の動作モードよりも第１の動作モードで小さく設定されて
    いることを特徴とする請求項１５記載のセンサ。
17. 【請求項１７】 温度センサ(5,6) は熱電対であることを特徴とする請求項
    ７乃至１６のいずれか１項記載のセンサ。