JP3067883B2

JP3067883B2 - センサ装置

Info

Publication number: JP3067883B2
Application number: JP4033703A
Authority: JP
Inventors: 宏志山田
Original assignee: トキコ株式会社
Priority date: 1992-02-20
Filing date: 1992-02-20
Publication date: 2000-07-24
Anticipated expiration: 2015-07-24
Also published as: JPH05231896A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はセンサ装置に係り、特
に、極めて微小な流体の流量を検出する場合に好適なセ
ンサ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば特開昭６０−１４２２６８
号公報に記載の流量センサ（マイクロフローセンサ）が
提供されている。この種の流量センサは、図４、図５に
示す如く、基板１に凹部２を形成すると共に、該凹部２
の中央部上面に、流体の流れ方向（図中矢印方向）の上
流側から下流側に向って順に第１測温抵抗体３、発熱体
４、第２測温抵抗体５を薄膜の橋桁状に形成し、この第
１測温抵抗体３、発熱体４、及び第２測温抵抗体５を、
凹部２で形成される空間によって、半導体基板１に対し
て熱的絶縁を図ってなるものである。そして、上流側の
第１測温抵抗体３と下流側の第２測温抵抗体５とにより
構成したブリッジ回路で流量信号を測定することによ
り、流体の流量を計測するようになっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た従来の流量センサは、微細構造かつ薄膜構造であるた
め、流体に含有されているゴミが凹部２に詰まるゴミ詰
まりにより熱的短絡が発生したり、薄膜の破損等が発生
すると、薄膜の橋桁構造とされている測温抵抗体・発熱
体の温度分布が変化するため、正確な流量信号を得るこ
とができず、この結果、流体の流量を正確に計測するこ
とができないという問題があった。また、流量センサの
薄膜の温度分布に異常が発生したか否かは、該流量セン
サによる計測流量と、別の流量計による計測流量とを比
較しなければ判明しないため、該流量センサに異常が発
生した状態で動作させる恐れがあり、この結果、正確な
流量を計測することができないという問題があった。

【０００４】本発明は前記課題を解決するもので、異常
が発生した状態での動作を防止すると共に、ゴミが多い
状況や風圧が高い状況等の種々の測定条件下における適
応性を向上させることを達成したセンサ装置の提供を目
的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明は、基板上に薄膜の発熱体と該発熱体の両側
に薄膜の第１、第２の測温抵抗体とを形成し、該発熱体
及び第１、第２の測温抵抗体下方の基板部には該発熱体
及び第１、第２の測温抵抗体を熱絶縁するための空間部
を形成してなるセンサ素子を複数個設けてなるセンサ装
置において、前記複数個のセンサ素子の第１の測温抵抗
体同士及び第２の測温抵抗体同士を直列に接続するとと
もに、直列接続された各センサ素子の測温抵抗体の接続
点の信号出力を用い、各センサ素子同士の対応する測温
抵抗体の抵抗値の関係が予め設定されている正常時の各
センサ素子同士の対応する測温抵抗体の関係を逸脱して
いるか否かを比較することにより異常の有無を判定し、
逸脱しているときには異常信号を出力する異常信号出力
手段を具備することを特徴とする。

【０００６】

【作用】本発明によれば、各センサ素子の第１の測温抵
抗体同士を直列に接続すると共に、第２の測温抵抗体同
士を直列に接続することにより、複数のセンサ素子をあ
たかも１つのセンサ素子として使用して検出信号を得な
がら、直列に接続した上記測温抵抗体の接続点の信号を
用い、各センサ素子同士の対応する測温抵抗体の抵抗値
の関係が予め接続されている正常時の各センサ素子同士
の対応する測温抵抗体の抵抗値の関係を逸脱しているか
否かを比較することにより、各センサ素子の測温抵抗体
の温度分布に異常が無いか否かを判定する。これによ
り、上記センサ装置を用いた場合は、計測時における、
空間部のゴミ詰まりや薄膜（測温抵抗体、発熱体）への
ゴミ付着、薄膜の破損等により、薄膜の温度分布が変化
するといった異常が発生した場合は、異常を即座に検知
することができる。従って、センサ素子に異常が発生し
た状態でのセンサ装置の動作を防止することができ、ま
た、計測対象雰囲気中にゴミが多い状況下や計測対象雰
囲気中の圧力が高い状況下等の種々の測定条件下におい
ても、センサ素子により的確な計測を行うことができる
ため、センサ装置の適応性を向上させることができる。

【０００７】

【実施例】以下、本発明のセンサ装置を流量センサ装置
に適用してなる第１実施例及び第２実施例を図面に基づ
いて説明する。

【０００８】第１実施例。図１は第１実施例及び第２実施例に共通のセンサ装置の
概略平面図であり、該センサ装置は、一の半導体基板１
０に第１の流量センサ１１及び第２の流量センサ１２を
流体の流れ方向（図中矢印方向）に対して並列に一体的
に配置して構成されている。前記第１の流量センサ１１
は、半導体基板１０に形成した凹部１３の中央部上面
に、流体の流れ方向の上流側から下流側に向って順に第
１測温抵抗体１４、発熱体１５、第２測温抵抗体１６を
薄膜の橋桁状に形成してなるものである。同様に前記第
２の流量センサ１２は、基板１０に形成した凹部１７の
中央部上面に、流体の流れ方向の上流側から下流側に向
って順に第１測温抵抗体１８、発熱体１９、第２測温抵
抗体２０を薄膜の橋桁状に形成してなるものである。

【０００９】また、前記センサ装置の流量信号及びセン
サ異常測定回路は図２に示す如く構成されている。即
ち、第１の流量センサ１１の上流側の測温抵抗Ｒ１ｕ、
下流側の測温抵抗Ｒ１ｄ、第２の流量センサ１２の上流
側の測温抵抗Ｒ２ｕ、下流側の測温抵抗Ｒ２ｄ、抵抗Ｒ
３、Ｒ３によりブリッジ回路を構成し、該ブリッジ回路
には所定電圧ＶＳ１が印加されている。測温抵抗Ｒ１
ｕ、測温抵抗Ｒ２ｕの分岐部はオペアンプ３０の入力側
（＋端子）へ接続され、オペアンプ３０の出力側は抵抗
Ｒ６を介してオペアンプ３１の入力側（−端子）と、抵
抗Ｒ８を介してオペアンプ３２の入力側（−端子）とへ
各々接続されている。また、オペアンプ３１の出力側は
抵抗（２Ｒ２／Ｒ１−１）Ｒ７を介してオペアンプ３２
の入力側（＋端子）へ接続され、オペアンプ３２の出力
側はオペアンプ３３の入力側（＋端子）と、オペアンプ
３４の入力側（−端子）とへ各々接続されている。ま
た、オペアンプ３３の入力側（−端子）は抵抗Ｒ９を介
してオペアンプ３５の入力側（−端子）と、所定電圧Ｖ
Ｓ２が印加された可変抵抗Ｒｘの可変調節端とへ各々接
続され、オペアンプ３５の出力側はオペアンプ３４の入
力側（＋端子）へ接続されている。また、オペアンプ３
３の出力側はオア回路３６の第４入力端へ接続され、オ
ペアンプ３４の出力側はオア回路３６の第３入力端へ接
続されている。また、測温抵抗Ｒ２ｕ、抵抗Ｒ３の分岐
部はオペアンプ３７の入力側（＋端子）へ接続され、オ
ペアンプ３７の出力側は抵抗Ｒ６を介してオペアンプ３
１の入力側（＋端子）と、抵抗Ｒ４を介してオペアンプ
３８の入力側（−端子）とへ各々接続されている。

【００１０】他方、測温抵抗Ｒ１ｄ、測温抵抗Ｒ２ｄの
分岐部はオペアンプ３９の入力側（＋端子）へ接続さ
れ、オペアンプ３９の出力側は抵抗Ｒ６を介してオペア
ンプ４０の入力側（−端子）と、抵抗Ｒ８を介してオペ
アンプ４１の入力側（−端子）とへ各々接続されてい
る。また、オペアンプ４０の出力側は抵抗（２Ｒ２／Ｒ
１−１）Ｒ７を介してオペアンプ４１の入力側（＋端
子）へ接続され、オペアンプ４１の出力側はオペアンプ
４２の入力側（＋端子）と、オペアンプ４３の入力側
（−端子）とへ各々接続されている。また、オペアンプ
４２の入力側（−端子）は抵抗Ｒ９を介してオペアンプ
３５の入力側（−端子）と、オペアンプ３３の入力側
（−端子）と、可変抵抗Ｒｘとへ各々接続され、オペア
ンプ４３の入力側（＋端子）は抵抗Ｒ９を介してオペア
ンプ３５の入力側（−端子）と、オペアンプ３４の入力
側（＋端子）とへ各々接続されている。また、オペアン
プ４２の出力側はオア回路３６の第１入力端へ接続さ
れ、オペアンプ４３の出力側はオア回路３６の第２入力
端へ接続されている。また、測温抵抗Ｒ２ｄ、抵抗Ｒ３
の分岐部はオペアンプ４４の入力側（＋端子）へ接続さ
れ、オペアンプ４４の出力側は抵抗Ｒ６を介してオペア
ンプ４０の入力側（＋端子）と、抵抗Ｒ４を介してオペ
アンプ３８の入力側（＋端子）とへ各々接続されてい
る。

【００１１】第１実施例によるセンサ装置の流量信号及
びセンサ異常測定回路のオペアンプ３１は、測温抵抗Ｒ
２ｕの電圧降下に相当するＶＲ２ｕを出力するものであ
り、また、オペアンプ３２は、測温抵抗Ｒ１ｕの電圧降
下に相当するＶＲ１ｕと、測温抵抗Ｒ２ｕの電圧降下に
相当するＶＲ２ｕ（＝測温抵抗Ｒ２ｕと抵抗Ｒ３との接
続点の電圧Ｖ−電圧ＶＲ１ｕ）との差を出力するもので
ある。この場合、オペアンプ３２の入力側（＋端子）に
接続した抵抗の抵抗値を、（２Ｒ２／Ｒ１−１）Ｒ７な
る抵抗値に設定してある。これは、一の半導体基板１０
に流量センサ１１、１２に一体的に配置製造する際や、
また一の半導体基板１０に流量センサ１１、１２に一体
的に配置製造してセンサ装置を製造する代わりに、各々
別の半導体基板（ウェハ）から形成した第１の流量セン
サ（センサチップ）と第２の流量センサ（センサチッ
プ）を一の流量センサチップ実装基板に実装してセンサ
装置を製造した際に、両流量センサチップの測温抵抗値
が等しくならずに差が生じた場合を考慮し、測温抵抗Ｒ
１ｕを基準として測温抵抗Ｒ２ｕを補正するためであ
る。

【００１２】前記式において、第１の流量センサ１１の
測温抵抗Ｒ１ｕによる電圧降下と、第２の流量センサ１
２の測温抵抗Ｒ２ｕによる電圧降下との、両者の比が例
えば１：１の場合は、（２Ｒ２／Ｒ１−１）Ｒ７＝Ｒ７
となり、両者の比が例えば２：３の場合は、（２Ｒ２／
Ｒ１−１）Ｒ７＝２Ｒ７となり、両者の比が例えば３：
２の場合は、（２Ｒ２／Ｒ１−１）Ｒ７＝Ｒ７／３とな
る。また、オペアンプ３５は、両流量センサ１１、１２
の異常有無の測定基準とする電圧を反転させ、オペアン
プ３３、３４は、両流量センサ１１、１２における異常
の有無を比較するようになっている。そして、オペアン
プ３８の出力側からは、計測対象流体の流量に対応した
流量信号が出力され、オア回路３６の出力側からは、流
量センサの薄膜部（測温抵抗体、発熱体）の温度分布に
変化が生ずる等の異常が発生した場合に、センサ異常信
号が出力されるようになっている。尚、前記Ｒ１、Ｒ２
は各々無風状態時における第１の流量センサ１１、第２
の流量センサ１２の測温抵抗であり、また、両流量セン
サ１１、１２の異常の有無を測定するための異常有無測
定基準レベルは、上記図２の電源ＶＳ２から作るように
なっている。

【００１３】上記と同様に、オペアンプ４０は、測温抵
抗Ｒ２ｄの電圧降下に相当するＶＲ２ｄを出力するもの
であり、また、オペアンプ４１は、測温抵抗Ｒ１ｄの電
圧降下に相当するＶＲ１ｄと、測温抵抗Ｒ２ｄの電圧降
下に相当するＶＲ２ｄ（＝測温抵抗Ｒ２ｄと抵抗Ｒ３と
の接続点の電圧Ｖ−電圧ＶＲ１ｄ）との差を出力するも
のである。また、上記と同様に、オペアンプ４１の入力
側（＋端子）に接続した抵抗の抵抗値を、（２Ｒ２／Ｒ
１−１）Ｒ７なる抵抗値に設定してある。これは、各々
別のウエハから形成した第１の流量センサチップと第２
の流量センサチップとを同一基板に実装してセンサ装置
を製造した際に、両流量センサチップの測温抵抗値が等
しくならずに差が生じた場合を考慮し、測温抵抗Ｒ１ｄ
を基準として測温抵抗Ｒ２ｄを補正するためである。

【００１４】次に、上記の如く構成した第１実施例の動
作について説明する。センサ装置による流体の流量計測
時において、第１の流量センサ１１の発熱体１５に通電
して発熱させることにより流体を加熱すると共に、第２
の流量センサ１２の発熱体１９に通電して発熱させるこ
とにより流体を加熱する。流体の加熱に伴い、加熱流体
からの熱が第１の流量センサ１１の測温抵抗体１４（Ｒ
１ｕ）、測温抵抗体１６（Ｒ１ｄ）へ流出入するため、
測温抵抗体１４、１６により流体の温度が検出され、加
熱流体からの熱が第２の流量センサ１２の測温抵抗体１
８（Ｒ２ｕ）、測温抵抗体２０（Ｒ２ｄ）へ流出入する
ため、測温抵抗体１８、２０により流体の温度が検出さ
れる。そして、第１の流量センサ１１における測温抵抗
体１４、１６の抵抗値の差、第２の流量センサにおける
測温抵抗体１８、２０の抵抗値の差に基づき、流体の流
量に対応した流量信号がオペアンプ３８から出力され
る。

【００１５】他方、第１の流量センサ１１の上流側の測
温抵抗Ｒ１ｕと、第２の流量センサ１２の上流側の測温
抵抗Ｒ２ｕとの合計による電圧降下から、第１の流量セ
ンサ１１の上流側の測温抵抗Ｒ１ｕによる電圧降下を減
算することにより、第２の流量センサ１２の上流側の測
温抵抗Ｒ２ｕによる電圧降下を演算し、該演算した電圧
降下をＲ１／Ｒ２倍した値と、第１の流量センサ１１の
上流側の測温抵抗Ｒ１ｕによる電圧降下との差を、基準
検出レベルと比較する。同様に、第１の流量センサ１１
の下流側の測温抵抗Ｒ１ｄと、第２の流量センサ１２の
下流側の測温抵抗Ｒ２ｄとの合計の電圧降下から、第１
の流量センサ１１の下流側の測温抵抗Ｒ１ｄの電圧降下
を減算することにより、第２の流量センサ１２の下流側
の測温抵抗Ｒ２ｄの電圧降下を演算し、該演算した電圧
降下をＲ１／Ｒ２倍した値と、第１の流量センサ１１の
下流側の測温抵抗Ｒ１ｄの電圧降下との差を、基準検出
レベルと比較する。そして、流量センサが正常な場合、
即ち、（Ｒ１−Ｒ１ｕ）／Ｒ１＝（Ｒ２−Ｒ２ｕ）／Ｒ
２及び（Ｒ１ｄ−Ｒ１）／Ｒ１＝（Ｒ２ｄ−Ｒ２）／Ｒ
２の場合は、オア回路３６からはセンサ異常信号が出力
されないが、流量センサに異常がある場合、即ち、前記
式が成立しない場合は、オア回路３６からセンサ異常信
号が出力される結果、流量センサに異常が発生したと判
定される。

【００１６】第２実施例。図３は第２実施例のセンサ装置における流量信号及びセ
ンサ異常測定回路の構成であり、第１の流量センサ１１
の上流側の測温抵抗Ｒ１ｕ、下流側の測温抵抗Ｒ１ｄ、
第２の流量センサ１２の上流側の測温抵抗Ｒ２ｕ、下流
側の測温抵抗Ｒ２ｄ、抵抗Ｒ３、Ｒ３によりブリッジ回
路を構成している。測温抵抗Ｒ１ｕ、測温抵抗Ｒ２ｕの
分岐部はオペアンプ５０の入力側（＋端子）へ接続さ
れ、オペアンプ５０の出力側は抵抗Ｒ４を介してオペア
ンプ５１の入力側（−端子）へ接続されている。また、
測温抵抗Ｒ１ｄ、測温抵抗Ｒ２ｄの分岐部はオペアンプ
５２の入力側（＋端子）へ接続され、オペアンプ５２の
出力側は抵抗Ｒ４を介してオペアンプ５１の入力側（＋
端子）へ接続されている。また、測温抵抗Ｒ２ｕ、抵抗
Ｒ３の分岐部はオペアンプ５３の入力側（＋端子）へ接
続され、オペアンプ５３の出力側は抵抗Ｒ４を介してオ
ペアンプ５４の入力側（−端子）へ接続されている。ま
た、測温抵抗Ｒ２ｄ、抵抗Ｒ３の分岐部はオペアンプ５
５の入力側（＋端子）へ接続され、オペアンプ５５の出
力側は抵抗Ｒ４を介しオペアンプ５４の入力側（＋端
子）へ接続されている。尚、第２実施例のセンサ装置の
外観構成は第１実施例のセンサ装置と同一構成のため、
説明を省略する。

【００１７】更に、オペアンプ５４の出力側からは流量
信号が取り出されると共に、該出力側は抵抗（１＋２Ｒ
２／Ｒ１）Ｒ６を介してオペアンプ５６の入力側（＋端
子）へ接続され、オペアンプ５１の出力側は抵抗Ｒ７を
介してオペアンプ５６の入力側（−端子）へ接続されて
いる。また、オペアンプ５６の出力側はオペアンプ５７
の入力側（＋端子）と、オペアンプ５８の入力側（−端
子）とへ各々接続されている。また、オペアンプ５７の
入力側（−端子）は抵抗Ｒ８を介してオペアンプ５９の
入力側（−端子）と、可変抵抗Ｒｘとへ各々接続され、
オペアンプ５９の出力側はオペアンプ５８の入力側（＋
端子）へ接続されている。更に、オペアンプ５７の出力
側はオア回路６０の第１入力端へ接続され、オペアンプ
５８の出力側はオア回路６０の第２入力端へ接続されて
いる。

【００１８】第２実施例によるセンサ装置の流量信号及
びセンサ異常測定回路のオペアンプ５６も、上記第１実
施例のオペアンプ３２と同様に、測温抵抗Ｒ１ｕ（Ｒ１
ｄ）の電圧降下に相当するＶＲ１ｕ（ＶＲ１ｄ）と、測
温抵抗Ｒ２ｕ（Ｒ２ｄ）の電圧降下に相当するＶＲ２ｕ
（ＶＲ２ｄ）との差を出力するものである。この場合、
オペアンプ５６の入力側（＋端子）に接続した抵抗の抵
抗値を、（１＋２Ｒ２／Ｒ１）Ｒ６なる抵抗値に設定し
てある。これは、各々別のウエハから形成した第１の流
量センサチップと第２の流量センサチップとを同一基板
に実装してセンサ装置を製造した際に、両流量センサチ
ップの測温抵抗値が等しくならずに差が生じた場合を考
慮し、測温抵抗Ｒ１ｕ（Ｒ１ｄ）を基準として測温抵抗
Ｒ２ｕ（Ｒ２ｄ）を補正するためである。また、オペア
ンプ５７、オペアンプ５８は、両流量センサ１１、１２
における異常の有無を比較するようになっている。そし
て、オペアンプ５４の出力側からは、計測対象流体の流
量に対応した流量信号が出力され、オア回路６０の出力
側からは、流量センサの薄膜部（測温抵抗体、発熱体）
の温度分布に変化が生ずる等の異常が発生した場合に、
センサ異常信号が出力されるようになっている。

【００１９】上記の如く構成した第２実施例では、（Ｒ
１−Ｒ１ｕ）／Ｒ１＝（Ｒ２−Ｒ２ｕ）／Ｒ２及び（Ｒ
１ｄ−Ｒ１）／Ｒ１＝（Ｒ２ｄ−Ｒ２）／Ｒ２の条件以
外に、流体内のゴミが流路に詰まるゴミ詰まりや薄膜
（測温抵抗体、発熱体）の破損が、流量センサの上流側
の測温抵抗もしくは下流側の測温抵抗の何れか一方にだ
け影響を及ぼすといった条件下において、流量センサの
流量信号の正確な測定や、流量センサの異常の有無の的
確な測定を行う場合に好適である。

【００２０】即ち、上記第１実施例及び第２実施例によ
れば、第１の流量センサ１１の上流側の測温抵抗体と第
２の流量センサ１２の上流側の測温抵抗体を直列接続す
ると共に、第１の流量センサ１１の下流側の測温抵抗体
と第２の流量センサ１２の下流側の測温抵抗体を直列接
続することにより、２つの流量センサ１１、１２をあた
かも１つの流量センサとして使用して流量信号を得なが
ら、両流量センサの測温抵抗体の各接続点から信号を取
り出し、両流量センサの測温抵抗体の温度を比較して温
度分布に異常が無いか否かを判定するため、流量センサ
に異常が発生した状態での動作を防止することができる
と共に、計測対象流体内にゴミが多い状況下や風圧が高
い状況下等の種々の測定条件下においても、流量センサ
の適応性を向上させることができる。

【００２１】尚、本発明には下記の変形例がある。上記実施例では第１の流量センサの発熱体と第２の流
量センサの発熱体とを別個に配設する構成としたが、こ
れに限定されず、第１の流量センサの発熱体と第２の流
量センサの発熱体とを直列に接続する構成としてもよ
い。上記実施例では１つの基板上に流量センサを２個配設
する構成としたが、これに限定されず、流量センサを別
々の基板に配設する構成としてもよい。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、下
記の効果を奏する。空間部のゴミ詰まりや薄膜（測温抵抗体、発熱体）へ
のゴミ付着、薄膜の破損等により、薄膜の温度分布が変
化するといった異常がセンサ素子に発生した場合には、
センサ異常信号が出力されるため、従来のようにセンサ
装置に異常が発生した状態での動作を防止することがで
きる。計測対象雰囲気中にゴミが多い状況下や計測対象雰囲
気の圧力が高い状況下等の種々の測定条件下において
も、センサ素子により的確な計測を行うことができるた
め、センサ装置の適応性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１及び第２実施例に共通のセンサ装
置の概略平面図である。

【図２】第１実施例の流量センサの流量信号及びセンサ
異常測定回路図である。

【図３】第２実施例の流量センサの流量信号及びセンサ
異常測定回路図である。

【図４】従来例の流量センサの概略断面図である。

【図５】従来例の流量センサの概略平面図である。

【符号の説明】

１０半導体基板１１第１の流量センサ１２第２の流量センサ１３凹部１４第１測温抵抗体１５発熱体１６第２測温抵抗体１７凹部１８第１測温抵抗体１９発熱体２０第２測温抵抗体３２オペアンプ３６オア回路（異常信号出力手段）３８オペアンプ５４オペアンプ５６オペアンプ６０オア回路（異常信号出力手段）

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に薄膜の発熱体と該発熱体の両側
に薄膜の第１、第２の測温抵抗体とを形成し、該発熱体
及び第１、第２の測温抵抗体下方の基板部には該発熱体
及び第１、第２の測温抵抗体を熱絶縁するための空間部
を形成してなるセンサ素子を複数個設けてなるセンサ装
置において、前記複数個のセンサ素子の第１の測温抵抗体同士及び第
２の測温抵抗体同士を直列に接続するとともに、直列接
続された各センサ素子の測温抵抗体の接続点の信号出力
を用い、各センサ素子同士の対応する測温抵抗体の抵抗
値の関係が予め設定されている正常時の各センサ素子同
士の対応する測温抵抗体の関係を逸脱しているか否かを
比較することにより異常の有無を判定し、逸脱している
ときには異常信号を出力する異常信号出力手段を具備す
ることを特徴とするセンサ装置。