JP2006162423A - フローセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】流体の温度・流速・流量などの物理的変化をセンシングするデバイスにおいて、流体の特定方向の流れだけでなく、全方位からの流体の変化量を検知し計測するフローセンサを提供する。
【解決手段】基板から空洞部を介して熱分離した薄膜に、ヒータとそのヒータを取り囲むように配列した複数個の温度センサアレイを具備した構造、又は、ヒータと複数個の温度センサアレイを有する薄膜を空間的に分離して全方位からの流体の変化量のみを検知する構造とすること。
【選択図】 図1

Description

本発明は、基板２０から熱分離した薄膜1に形成したヒータ３と複数個の温度センサアレイとを備えたフローセンサに関し、流体の流れる方向・流量・流体の温度などを全方位にわたって検出するためのフローセンサである。

これまで熱伝導式のフローセンサとしては、基板から熱分離した薄膜上に、白金ヒータとその白金ヒータを挟み上流側と下流側に白金細線による電気抵抗変化を利用する温度センサを配置し、上流側と下流側の流れによる温度差を検出して気流を計測するフローセンンサが報告されていた。(特許文献１)

また、１個の中央のヒータとその周囲に４個の温度センサ（ヒータを中心に２対）を配した構造の別のフローセンサがあった（非特許文献１）。そこでは、ヒータと４個の温度センサのアレーの熱容量とヒータからの熱伝導を小さくするために、ダイアフラム構造にヒータと４個の温度センサとを形成していた。そして、気流の方向によりヒータからの熱が運ばれるので、ヒータに対して上流側の温度センサは冷え、下流側の温度センサは温まるので、ヒータに対して上流側と下流側の１対の温度センサの温度差から流速を計測していた。また、気流の方向は、ヒータに対して直交配置した２対（４個）の温度センサの温度差とその大きさのベクトル合成から決定していた。

これに代るものとしては、半導体基板を用いてこの基板から空洞部を介して熱分離した薄膜にヒータと１個または２個の温度センサ配置し、ヒータの熱を温度センサで測定して、温度センサの温度差を検出する方法がある。これは、例えばＳＯＩ型Ｓｉ基板の数μｍの厚みの活成層に形成した温度センサとしてのｐｎ接合ダイオード１３ａとその周辺を囲む不純物拡散によって形成されたヒータと、このヒータに隣接する温度センサとしてのｐｎ接合ダイオード１３ｂからなるセンサ本体を、ＳＯＩ基板の下地基板をエッチングして宙吊り状態にし、かつ電気配線を酸化膜によって絶縁して取り回して電極へ導く構造にしたブリッジ上のフローセンサであり、ヒータの設定温度によって外界の温度変化をｍｓ(ミリセック)オーダの速さで検知することができるために、温・湿度測定ばかりでなく、気体の流れの変化、真空度の変化なども高感度で測定することができる画期的な気体センシングデバイスである(特許文献２)。
特願平４−５５７２号公報『流速センサ』 特願2003-076619 『気体センシングデバイスとこれに用いる温度センサ』 S．Kim，et．al．，"DESIGN AND FABRICATION OF A FLOW SENSORDETECTING FLOW DIRECTION AND VELOCITY" ，Proc．Transducers‘03，pp．1927−1930

しかしながら、前記薄膜の白金抵抗体は抵抗温度係数にバラツキがあり、これを高温で使用する場合の経時変化が大きくなり、これが消費電力に影響して、信頼性に欠けるものになっていた。

１個の中央のヒータとその周囲に４個の温度センサ（ヒータを中心に２対）を配した構造のフローセンサは、２対温度センサであり、方向精度が悪いという問題があった。

また半導体を用いたフローセンサにおいても、流体の特定方向の流れに対して敏感に計測するものの、ヒータの温度測定用温度センサとヒータから離れた場所での温度センサ２個だけでは全方位からの流体の変化量は正確に検知できないという問題があった。気体に限らず、水や油その他の液体も含めた流体の温度・流速・流量などを全方位から高精度で、かつ高速に計測できる構成のセンサがなく必要とされていた。

上記の課題を解決するために、本発明の請求項１に係わるフローセンサとしては、主要概略図を図１に示す。基板２０から空洞部を介して熱分離した薄膜１に、少なくとも1個のヒータとこのヒータを取り囲むように配列した４個を越える複数個の温度センサ６を有した温度センサアレイを具備した構造とした。この温度センサアレイの一定時間のスキャンニングによって、温度センサアレイの温度分布情報から、周囲流体の流れの情報を割り出すようにしたフローセンサである。

また、本発明の請求項２に係わるフローセンサとしては、主要概略図を、図３に示す。ヒータ３とそのヒータを取り囲むように配列した複数の温度センサがそれぞれ分離してある。ヒータ３は下地基板８と繋がっている梁９だけで固定されており、温度センサ６は下地基板８と繋がっている梁９で固定される構造である。従って請求項１の場合より、温度センサは、流体の温度変化による熱伝導の変化をのみ直接検知するようにしたものである。ヒータから熱分離されているためにより正確に検出でき、３個以上の温度センサで十分に流体の流れの情報を得ることが出来る構造とした。

本発明の請求項３に係わるフローセンサとしては、主要概略図を図４に示す。例えばドーナッツ形をしたヒータ３の中央に、ヒータとは非接触で温度センサ１２を形成したことが特徴であるフローセンサである。ヒータ近傍の温度をモニタして、ヒータ近傍の温度と温度センサアレイとの温度差を測定することができ、流速や流量などの分布を計測して定量化できるようにした構造である。またヒータの温度を一定に制御できるので、環境による温度の影響を受けにくい構造とした。

本発明のフローセンサでは、４個を超える温度センサをヒータの周りに配置し、略同時に温度計測することにより、直読できる、もしくは、多くの温度センサ出力からのベクトル合成をも利用できることから、高速に、かつ、高感度に方向と流速とを計測できるようにするものである。温度センサの数が４個以上という意味は、少なくとも一方向２個の温度センサが必要であり、４個ということは２方向の流体の様子を検知できるが温度センサの分布の不均一性やヒータの影響を考えると４個を越える温度センサが必要である。

また、請求項２に係わるフローセンサにおいては、ヒータと温度センサとを基板から熱分離するに当たり、ヒータと温度センサとは、互いに薄膜等で接続せずに基板から直接、梁を介して片持ちもしくは両端支持の形態で突き出させた構造にしてあり、ヒータからの熱は周囲流体を通してのみ温度センサに熱伝導するように工夫したもので、高感度に計測できるという利点がある。最低３個の温度センサにより、流れの方向を決定する温度分布計測を出来る。

さらに、流体とは、ガス以外に液体でも使用でき、液体の流れの分布を見ることも出来るようにするものである。あるいは気体でも感度が高いために希薄な真空状態の流速や流量の分布を見ることも可能である。

以下、本発明のフローセンサの実施例について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明のフローセンサの１実施例を示したものである。薄膜１は、下地基板８から熱的に分離された構造であり、薄膜１の中心部にドーナツ状のヒータ３を形成した。ヒータ３の外側には複数の温度センサ１３ｂを配置し、温度センサ１３ｂとヒータ３の間には温度差が出来るようにスリット７を設けた。薄膜１は下地基板８と梁９で繋がっており、この梁で支えられている。基板上の外周部には、ヒータ電極１０と温度センサの電極５を設け、ヒータ３あるいは温度センサ１３ｂからの配線１１は梁９上を通ってヒータ電極１０、電極５と繋がっている。

図１(ｂ)は、図１(ａ)のＡＡ‘での断面部を表している。基板としてはＳＯＩ基板を使用した例であり、ＳＯＩ活成層２の上に酸化膜４、下にはＢＯＸ層があり、ＳＯＩ活成層領域に、前記ヒータ３、温度センサ６、酸化膜４、スリット７などを形成し、下地基板８をエッチング除去して熱分離した構造になっている。複数個の温度センサアレイからの略同時的な温度分布計測により、気体や液体などの流体の方向、流量、流体の温度などを全方位にわたって検出できる。この構造の場合、基板が四角の形状のために、温度センサの梁の長さ(薄膜から基板までの長さ)が違う事や、２本のヒータの配線の配置から対称な構造ではない。構造が対称でないとヒータから複数個の温度センサまでの熱の伝わり方もそれぞれ違いがあり、温度分布が異なる場合もあるがあらかじめ温度分布を把握しておき、測定したときの温度との温度差により検出できるようにしたものである。

図２は、本発明のフローセンサの別の実施例を示したものである。実施例1の構造からさらに薄膜1のヒータ３と温度センサ６の間を除去し、溝２４を設けた。ヒータ３および温度センサ６は多数の梁９で支えられた構造になっており、梁９で強度を持たせるような構造となっている。

ヒータ３は、ヒータ電極１０を外挿する２本の梁９によって、基板に支持されている構造となっている。このため、ヒータの熱は流体自体を伝わって温度センサ６へ伝達されることになる。従ってヒータ３と温度センサ６との温度差がより大きくなり、感度が上がる構造である。図２から、温度センサを支持している円周状の梁９がヒータ３から基板１までの梁９と繋がっているがヒータから基板までの梁から切り離すとさらに温度バランスが良くなり、各温度センサでの温度分布が均一になる。またヒータも完全に熱分離されるので感度も上がる構造としている。

たとえば実施例2のフローセンサチップの外形寸法の例としては、１〜６ｍｍ角程度であり、薄膜１の厚みも、外形寸が小さい程薄くなるが、おおよそ１〜１０μｍの厚みで形成している。薄膜の厚さは１μｍ程度が下限の厚さと考えられ、薄いほど熱感度を良くすることができる。

図３は、本発明の請求項２に関わるフローセンサの１実施例を示す。一個のヒータ３が基板１に固定されている３本の梁９によって支えられており、ヒータ３を取り囲むように３個の温度センサがそれぞれ２本の梁により基板に固定されている場合である。ヒータ３と温度センサ６は分離して形成しているので周囲流体の熱伝導を通してのみヒータの熱を受熱しているので感度が高い。また、構造が対称性を持っているので熱分布が均一である。
気流の方向によりヒータからの熱が３個の温度センサに運ばれて、温度差が出来る。気流の方向は温度センサの温度差とその大きさのベクトル合成から正確に決定することが出来るようになった。

図４は、実施例１の構成において、ヒータの温度モニタおよび制御用のヒータ用温度センサ１２をヒータの中心に形成したもので、これによって温度センサアレイの各温度センサ６とヒータの場所の温度との温度差の変化を検知出来るようにした。また外界の温度によってヒータの温度を変えることが出来るようにした。流体の流れる方向だけでなく、流量・流速などを定量化するためのデータを検出することができるようになった。

図４(ｂ)は、図４(ａ)におけるＢＢ‘での断面に相当し、薄膜１の中心にヒータ用温度センサ１２としてのｐｎ接合ダイオード１３ａを設置してある。ｐｎ接合ダイオードは、ｐ，ｎ領域から形成されており、その回りをヒータ層が取り囲むような構造とした。

図５は、フローセンサの別の実施例である。実施例２の構成において、図４同様に、ヒータ用温度センサ１２を、ヒータの中心に形成した場合の例である。薄膜1のヒータ３と温度センサ６の間を除去し、溝２４を設けた。ヒータ３および温度センサ６は多数の梁９で支えられた構造であり、梁９で強度を持たせるような構造となっている。その中心にドーナツ型のヒータがあり、ヒータの中に前記ヒータ用温度センサ１２を形成した。ヒータ３と温度センサ６の熱分離が良く、感度が上がるような構造の例である。またヒータの温度を測定するヒータ用温度センサも備えているために、周囲温度にあわせて、ヒータの温度を一定に制御できるようにした。これにより、例えば２００℃という高温の環境のときに、制御温度を更に高い３００℃の高温に設定でき、十分なセンサとしての出力信号を得ることが出来る。

例えば、航空機の翼の任意の場所に、センサを設置することで、各ポイントの風向・速度などを随時計測することができる。又、何らかの液体もしくはガスなどが、配管や、容器の中を流動する方向・速度・流量などを検出するモニタシステム用のセンサとしても有効である。

又、熱伝導率は物質固有であるので、流体の種類による熱伝導特性を予めメモリーした回路を付設するなどして少なくとも流体の定性分析装置に用いる事なども可能である。

(a)本発明のフローセンサの一実施例を示す概略図である。 (b) 図1(ａ)のＡＡ‘における断面図である。 本発明のフローセンサの別の実施例を示す概略図であり、ヒータとセンサをＳｉ基板から独立して支持した構造にしたものである。 本発明のフローセンサの別の実施例を示す概略図である。 (a)本発明のフローセンサの一実施例を示す概略図であり、ヒータの温度モニタ用のセンサをヒータの中心にも形成したものである。 (b) 図４(ａ)のBB‘における断面図である。 本発明のフローセンサの別の実施例を示す概略図である。

符号の説明

１ 薄膜
２ ＳＯＩ活成層
３ ヒータ
４ 酸化膜
５ 電極
６ 温度センサ
７ スリット
８ 下地基板
９ 梁
１０ ヒータ電極
１１ 配線
１２ ヒータ用温度センサ
１３ａ，１３ｂ ｐｎ接合ダイオード
１５ ＢＯＸ層
２０ 基板
２２ 空洞部
２４ 溝

Claims (3)

1. 基板(２０)から空洞部(２２)を介して熱分離した薄膜(１)に、少なくとも1個のヒータ(３)を該ヒータを取り囲むように配列した複数個の温度センサアレイを具備してなるフローセンサにおいて、前記温度センサアレイとして、４個を越える温度センサの個数を有し、かつ、該温度センサアレイの略同時的な温度分布計測の情報を利用して、周囲流体の流れの情報を得るようにしたことを特徴とするフローセンサ。
2. 基板(２０)から空洞部(２２)を介して熱分離した薄膜(１)に、少なくとも１個のヒータと該ヒータを取り囲むように配列した複数個の温度センサアレイを具備し、前記温度センサアレイの温度変化の情報を利用して周囲流体の流れの情報を得るようにしたフローセンサにおいて、ヒータ(３)と３個以上の前記温度センサアレイを有する薄膜(１)とを空間的に分離して形成してあり、周囲流体の熱伝導を通して前記ヒータから受熱し、前記温度センサアレイが昇温するように構成したことを特徴とするフローセンサ。
3. ヒータの温度を計測するヒータ用温度センサ(１２)を温度センサアレイとは別に設けた請求項１もしくは２のいずれか記載のフローセンサ。

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