JP2007282218A5 - - Google Patents

Description

フロー適応可能アナログ−デジタルコンバータを備えるフローセンサ

本発明は、ヒーターと、ヒーターの向い合う側に配置された第１および第２の温度センサとを具備する、流体のフローを測定するデバイスに関連する。デバイスは、温度センサからの信号をデジタル化するアナログ−デジタルコンバータをさらに具備する。このタイプのフローセンサは、例えば、米国特許出願第２００３/０１１５９５２号に説明されている。それは、アナログ−デジタルコンバータに基準電圧を供給する基準電圧発生器を備える。

そのようなデバイスの正確さを改善するための手段を提供することが、本発明の目的である。この目的は、独立クレームにしたがったフローセンサにより達成される。

したがって、アナログ−デジタルコンバータに対して基準電圧を発生させる基準電圧発生器は、流体の増加する流速に対して、基準電圧を減少させるように適合されている。このことは、流体のフロー上で測定されるアナログ感知信号の依存性が、弱いフローに対して最も強く、より強い流速に対して増加的に弱くなる、という理解に基づいている。より高い流速に対して基準電圧を減少させることにより、コンバータの分解能をそのような速度において増加させることで、このふるまいに適合することができる。

さらなる利点および有利な実施形態を、独立クレームと以下の説明中でより詳細に図解する。この説明は添付の図面を参照する。

実施形態の詳細な説明

図１および図２のデバイスは、シリコン基板１をベースとする半導体チップとして設計されているが、他の半導体または誘電体基板もまた使用することができる。デバイスは、共通の基板に搭載されていない個別の部品で作られていてもよい。

凹部または開口部２が、エッチング技術により基板１中に形成され、薄膜（メンブレン）３によって被われている。ヒーター４が薄膜３上に延在している。図１および図２の実施形態では、ヒーター４は３つの並列コンダクタ４ａ、４ｂ、４ｃによって形成されており、２つの外側コンダクタ４ａ、４ｃは電気的に並列に配置されている一方、（二重断面を持っている）中央のコンダクタ４ｂはコンダクタ４ａ、４ｃに対して直列である。

２つの感知熱電対列６ａおよび６ｂは、複数の直列の熱電対をそれぞれ備え、第１および第２の温度センサを形成している。それらはヒーター４のアップストリームおよびダウンストリーム（用語「アップストリーム」および「ダウンストリーム」は、ヒーターの縦軸に対して垂直のフロー方向Ｆに関して規定されている）に配置されている。各感知熱電対は、集積回路の金属層中に形成されている（図１中に直線で示す）金属棒７、とともに、集積回路のポリシリコン層中に形成されている（図１中に点線で示す）ポリシリコン棒８を備える。各熱電対の金属棒７およびポリシリコン棒８は、薄膜３上の第１の接合部９において相互接続している。２つの隣接している熱電対の金属棒７およびポリシリコン棒８は、第２の接合部１０において相互接続しており、第２の接合部１０は薄膜３上ではなく、基板１のバルク部に位置している。

このようなデバイスの動作の基本的原理は、例えば、米国特許出願第２００３/０１１５９５２号に説明されている。フロー方向Ｆに沿ったフローは、ヒーター４からの熱の分散を非対称になるようにし、このことは２つの熱電対列６ａ、６ｂの第１の接合部９における温度の差を作り出す。同時に、第２の接合部１０は、熱伝導性基板１を通しての熱交換のため、実質上一定の温度を維持する。したがって、熱電対列６ａ、６ｂからの電圧の差（または、それらに比例する任意の値）は、以下で「感知信号」と呼ばれるが、実質上、第１の接合部９におけるヒーター４のアップストリームおよびダウンストリームの温度差ΔＴの測定である。この温度差ΔＴは流体のマスフローの測定である。

図１および図２で見られるように、２つの付加的な監視熱電対１２ａ、１２ｂがデバイス上に提供され、監視熱電対１２ａ、１２ｂのそれぞれは感知熱電対列６ａ、６ｂの中央に位置している。監視熱電対１２ａ、１２ｂはともに、デバイスの監視温度センサを形成する。

各監視熱電対１２ａ、１２ｂもまた、薄膜３上に位置している第１の接合部９’において相互接続されている、金属棒７’およびポリシリコン棒８’を備えている。監視熱電対１２ａ、１２ｂの第１の接合部９’は、感知熱電対列６ａ、６ｂの第１の接合部９よりもヒーター４により近く位置しており、ヒーター４の温度に実質上対応している温度を有している。金属棒７’の第２の末端は、例えば、第２の接合部１０’においてポリシリコンリード線１３に接続されている。図１および図２の実施形態では、第２の接合部１０’は基板１のバルク上に位置している。

各監視熱電対１２ａ、１２ｂは、したがって、基板１とヒーター４の間の温度差に実質上等しい電圧を発生させる。監視熱電対１２ａ、１２ｂからの電圧は監視信号ＴＰを発生させるために加えられる。

デバイスの回路の実施形態を図３に示す。それは、感知信号ΔＴをデジタル化するＡ／Ｄコンバータ１６と、ヒーター４を通る電流を制御するヒーター制御１７と、デジタル化感知信号を処理してデバイスを制御するマイクロ制御装置１８とを備える。すべての部品１６、１７、１８に対する回路が基板１に集積されていると都合がよいが、それは少なくとも部分的に外部構成部品により形成することもできる。

基本的に、Ａ／Ｄコンバータ１６は逐次近似ＡＤＣ、デルタエンコードＡＤＣ、または、シグマ−デルタコンバータのような、任意のタイプであってもよい。すべてのそのようなコンバータ設計は、基準電圧Ｖｒｅｆを要求し、Ｖｒｅｆにより正規化された入力信号のデジタル化値を発生させる。用語「正規化された」は、この文脈では、所定の入力電圧に対する出力値が、逆数の値１／Ｖｒｅｆに線形的に基づいている、として理解すべきである。

Ａ／Ｄコンバータ１６は、例えばドイツ特許出願第１０１２９３００号で開示されているもののような、シグマ−デルタコンバータであると都合がよい。その文書の「Ａ／Ｄ−Ｗａｎｄｌｅｒ（変換器）」のセクションの説明およびその関連する図面は、ここで参照により組み込まれている。

図３に見られるように、監視信号ＴＰがＡ／Ｄコンバータ１６の基準入力に基準電圧Ｖｒｅｆとして供給される。この測定の目的を以下に説明する。

図３の実施形態のヒーター制御１７は、ヒーター４により消費される電力を一定の値に調整する。あるいは、ヒーター制御１７はヒーター４を通る電流を一定の値に調整する。

フローｖの関数としての温度差ΔＴの依存性は、図４の上側のグラフに示されている。ゼロフローに対して、ΔＴ＝０である。フローが増加すると、ΔＴは線形的に上昇し始めるだろう。しかしながら、より大きいフローにおいては、ヒーター４の温度（およびしたがって、監視信号ＴＰ）は、通過流体がヒーター４にもたらす冷却効果のため実質上減少するだろう。したがって、増加フローｖに対して、曲線の勾配ΔＴ（ｖ）は、図４の上側のグラフで示されるように減少するだろう。

Ａ／Ｄコンバータ１６のＶｒｅｆが定数である場合、Ａ／Ｄコンバータ１６からのデジタル化値は、図４の下側のグラフの「Ｖｒｅｆ＝ｃｏｎｓｔ」曲線にしたがうだろう。当業者に理解されるように、Ａ／Ｄコンバータの分解能は入力電圧のその範囲を超えて変化することはないため、このことは、より大きいマスフローｖに対する測定分解能の減少を引き起こすだろう。

しかしながら、上に述べたように、Ｖｒｅｆは一定ではなく、むしろ、監視信号ＴＰに設定される。したがって、ヒーター温度が高いとき、Ａ／Ｄコンバータの分解能は粗くなり、ヒーター温度が低いとき、分解能は細かくなるだろう。このことにより、図４の下側のグラフの曲線「Ｖｒｅｆ＝ＴＰ」によって示されるように、Ａ／Ｄコンバータ１６の出力においてデジタル化信号が線形化されることになる。

したがって、監視信号ＴＰを基準電圧Ｖｒｅｆとして使用することで、より広い範囲のマスフロー上でさらに一定したデジタル化分解能を得ることができ、このことは、次に測定の正確さを増加させることを可能にし、および／または、Ａ／Ｄコンバータのビット分解能を減少させることを可能にする。

同時に、上記のように、デジタル化値は比率ΔＴ：ＴＰに比例しているので、ゼーベック係数の変動、または、使用される熱電対の他のパラメータの変動は補償される傾向がある。そのような変動は例えば、デバイスの全体の温度が変化したとき、または、薄膜３がストレスにさらされたときに観察することができる。

これを考慮すると、図１の設計はさらなる利点を有していることが明らかになるだろう。すなわち、監視熱電対１２ａ、１２ｂは並列であり、感知熱電対列６ａ、６ｂの対応している熱電対の近くにあり、したがって、薄膜３中のひずみは熱電対１２ａ、１２ｂの両方とともに、熱電対列６ａ、６ｂに同様に影響し、したがって、Ａ／Ｄコンバータ１６の出力値中では除去されるだろう。

図３の実施形態では、感知信号ＴＰが基準電圧Ｖｒｅｆを発生させるのに使用された。一般的に、ヒーター４の温度を示す温度信号に比例している基準電圧を発生させる、任意の電圧源を使用することができる。基準電圧はヒーター４と基板１との間の温度差に比例していると都合がよく、または、基板１の温度は流体の温度によって主に左右されているため、基準電圧はヒーター４と流体との間の温度差に比例しているべきである。

代わりに、適切な基準電圧Ｖｒｅｆは感知信号ΔＴ自体から発生させることもできる。すなわち、感知信号ΔＴが増加するとき、基準電圧Ｖｒｅｆは減少しなければならない。これは例えば、ΔＴを処理して、そこからＶｒｅｆを発生させるために、適切なアナログ回路を使用することにより、達成することができるが、有利な実施は、図５の実施形態で示されているようなデジタル処理を使用する。

図５では、基準電圧Ｖｒｅｆは、マイクロ制御装置１８により駆動されるデジタル−アナログコンバータ２０によって発生される。

図５のデバイスは最初に、固定の平均基準電圧Ｖｒｅｆをアナログ−デジタルコンバータ１６に供給している間に、生のデジタル化値を測定するように適合されている。次に、例えば、マイクロ制御装置１８中の較正テーブルを使用して適切な基準電圧を選択するために、生のデジタル化値を使用することができる。次に、選択された基準電圧を使用して、訂正されたデジタル化値が測定される。訂正されたデジタル化値が流体のマスフローに有利に実質的に比例しているような方法で、生のデジタル化値の増加している値を減少させるように適切な基準電圧が選択される。

デジタル−アナログコンバータ２０によって、固定の基準電圧と適切な基準電圧の両方が、マイクロ制御装置１８の制御の下で発生する。

これまでに説明した実施形態では、薄膜３は、バルク基板１によってサポートされるチップ表面の残りの「通常領域」とは対照的に、「測定領域」を形成している。測定領域はそこに位置している構成部品の間に、通常領域よりもかなり低い熱伝導性を有している。ヒーター４、感知熱電対列６ａ、６ｂおよび監視熱電対のそれぞれの少なくとも一部は、測定領域に位置しているべきである。当業者に知られている通り、薄膜３は、さまざまな他の「薄膜構造」で置き換えることができ、用語「薄膜構造」は、半導体チップ中の開口部もしくは凹部２上に配置された任意の薄型構造のことを言う。薄膜構造は、チップ中の開口部もしくは凹部を完全に閉じる薄膜によって、あるいは、開口部もしくは凹部上へまたは開口部もしくは凹部中へと延在しているブリッジまたは舌状体（tongue）によって形成することができる。

凹部または開口部２を使用する代わりに、測定領域は、ナノポーラスシリコン酸化物のような、低い熱伝導性を持つ素材の層の表面上に位置していてもよい。

図１の実施形態では、監視熱電対１２ａ、１２ｂはヒーター４のアップストリームおよびダウンストリームに配置される。代わりに、例えば、ヒーター４のコンダクタ４ａ、４ｂ、４ｃの間の１つまたは両方のギャップに適切な温度センサを搭載することができる。

これまでに示した実施形態では、ほとんどの温度センサは、複数の直列の熱電対からなる熱電対列であったが、それらのいくつかまたはすべては、望ましい信号電圧および利用可能な空間に基づいて、単一の熱電対で置き換えてもよい（またはその逆も然り）、ということに留意すべきである。

上に説明した実施形態では、さまざまな熱電対列中で使用される、または、単独で使用される各熱電対が、第１および第２の素材からなる２つのコンダクタからなることを理解すべきである。共有ゼーベック係数から利益を受けるために、同じ素材がすべての熱電対に対して使用されていると都合がよい。１つの素材はポリシリコンであり、もう１つはアルミニウムのような金属であると都合がよく、両者は集積回路技術で従来使用されている素材である。さらに、再度説明すると、均質な特性を備える熱電対を得るために、熱電対のすべてのコンダクタは、例えば、１つはポリシリコン層であり、もう１つは金属層であるような、基板にデポジットされた、同じ２つの層から製造されるべきである。

さらに、熱電対が温度センサとして使用されると都合がよいが、例えば、抵抗性温度センサのような他のタイプの温度センサも使用してもよいことを理解すべきである。例えば、ヒーター４の抵抗率はその温度に基づいているので、監視熱電対センサ１２ａ、１２ｂをヒーター４の抵抗率測定によって置き換えることができる。そのようなケースでは、基準電圧を発生させるためにヒーター制御１７を使用することができる。

一般的に、本発明の基準電圧は、基準電圧発生器によって発生させなければならない。基準電圧がヒーター４と基板１の間の温度差に比例していると都合がよい。図３の実施形態では、監視熱電対１２ａ、１２ｂがそのような基準電圧発生器の役割を果たし、または、ヒーター４の温度を示す信号を発生させる他の任意の回路を使用することができる。図５の実施形態では、マイクロ制御装置１８およびデジタル−アナログコンバータ２０を基準電圧発生器として使用することができ、またはアナログ回路が同じ役割を果たすことができる。上に述べたように、ヒーター制御１７も基準電圧発生器として使用することができる。

流速が増加すると、基準電圧は連続的に（または擬似連続的に、すなわち、非常に小さいステップで）減少させることができ、または、それはより大きいステップを数ステップで行うような、ステップ方法で減少させることができる。

図１は、デバイスの可能性ある実施形態の平面図である。 図２は、図１の線ｌｌ−ｌｌに沿った、概念的断面図である。 図３は、デバイスの回路の第１の実施形態のブロック図である。 図４は、一定のおよび一定でないＶｒｅｆ入力を備えるマスフローの関数としての、感知信号ΔＴ、監視信号ＴＰ、感知信号のデジタル化値を図解する。 図５は、デバイスの回路の第２の実施形態のブロック図である。

Claims (10)

1. 流体のフローを測定するデバイスにおいて、
   ヒーター（４）と、
   前記ヒーター（４）の向い合う側に配置され、前記ヒーター（４）からのアップストリームおよびダウンストリームの温度の差に基づいて感知信号（ΔＴ）を発生させる、第１および第２の温度センサ（６ａ、６ｂ）と、
   基準入力を有し、前記基準入力において、信号（Ｖｒｅｆ）によって正規化された前記感知信号（ΔＴ）のデジタル化された値を発生させ、前記感知信号（ΔＴ）をデジタル化する、アナログ−デジタルコンバータ（１６）と、
   前記基準入力に接続された基準電圧発生器と
   を具備し、
   前記基準電圧発生器は、前記流体のフローを増加させるために、前記基準電圧を減少させるように適合されていることを特徴とする、
   流体のフローを測定するデバイス。
2. 前記基準電圧発生器は、前記フローの増加の際に前記基準電圧を減少させるために、前記ヒーター（４）の温度を示す温度信号によって制御される、請求項１記載のデバイス。
3. 前記ヒーター（４）の温度を示す信号を発生させる温度監視センサ（１２ａ、１２ｂ）をさらに具備し、前記温度監視センサ（１２ａ、１２ｂ）は前記ヒーター（４）に配置されている、請求項２記載のデバイス。
4. 前記温度監視センサ（１２ａ、１２ｂ）は少なくとも１つの熱電対を備えている、請求項３記載のデバイス。
5. 前記基準電圧は前記ヒーター（４）の温度を示す温度信号に比例し、前記基準電圧は前記ヒーター（４）と前記流体との間の温度の差、または、前記ヒーターと前記ヒーターを保持している基板との間の温度の差に比例している、請求項１ないし４のいずれか１項記載のデバイス。
6. 前記アナログ−デジタルコンバータ（１６）はシグマ−デルタコンバータである、請求項１ないし５のいずれか１項記載のデバイス。
7. 前記デバイスは第１に、前記アナログ−デジタルコンバータ（１６）に固定基準電圧を供給している間に生のデジタル化値を測定し、次に前記基準電圧を前記生のデジタル化値に基づいている値に設定し、次に前記フローを計算するために訂正されたデジタル化値を測定するように適合されている、請求項１ないし６のいずれか１項記載のデバイス。
8. 前記第１および第２の温度センサ（６ａ、６ｂ）は熱電対を備えている、請求項１ないし７のいずれか１項記載のデバイス。
9. 前記ヒーター（４）と、前記第１および第２の温度センサと、前記アナログ−デジタルコンバータ（１６）とは、基板（１）、半導体基板（１）上に集積されている、請求項１ないし８のいずれか１項記載のデバイス。
10. 定電流または電力消費で前記ヒーター（４）を動作させるためのヒーター制御（１７）をさらに具備する、請求項１ないし９のいずれか１項記載のデバイス。