JP3288913B2 - 流量センサ・デバイスおよびその方法 - Google Patents
流量センサ・デバイスおよびその方法Info
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Description
バイスに関し、さらに詳しくは、固体流量センサ・デバ
イスに関する。
バイオメディカル,自動車,航空,化学およびHVAC
(heating, ventilation, and air conditioning)用途を
含む多くの用途で重要である。
量風量を測定または検出するために多用される。一般
に、熱線風速計は、測定対象のガス流に露出される電気
加熱細線(一般にプラチナ)からなる。他の条件が等し
い場合、流体速度の増加は、細線からガスへの熱流速度
を増加し、それにより細線を冷却し、その抵抗を変化さ
せる傾向がある。定電流風速計では、ガス速度は細線抵
抗を測定することによって判定される。定抵抗型風速計
では、細線温度を維持するために必要な電流および抵抗
係数からガス速度は判定される。熱線風速計は液体測定
用にも修正できるが、泡や、細線へのごみの付着により
問題が生じる。熱線風速計は大きく、高価で、高額な監
視および/または制御装置を必要とし、細線が測定対象
の流体に露出されるのでその利用領域が制限される。
シリコン質量風量センサ(micro-machined silicon mass
air flow sensor) も報告されている。このデバイス
は、微細加工されたキャビティ上に懸垂された温度抵抗
性膜(temperature resistivity films) を利用する。一
般に、加熱および検出抵抗器は、クロス・パターンで形
成される。熱は、風量により一方の抵抗器から他方の抵
抗器に伝達される。熱伝達によって生じる抵抗の不均衡
は、流速に正比例する。微細加工版の熱線風速計は高価
で、製造が困難で、高価な監視および/または制御装置
を必要とする。
量計が含まれる。ベンチュリ型流量計は、流体の流れを
運ぶ閉チャネルに絞りが設けられると、この絞り部分に
速度の増加および運動エネルギの増加が生じる。エネル
ギ均衡関係に基づいてこの速度の増加の結果、圧力が減
少する。流速は、とりわけ、圧力の低下,絞りの断面積
および流体の密度から得られる。従来のベンチュリ型流
量測定装置は極めて大きくて重く、またスペースが貴重
で過剰な重量が問題になる用途に適していない。さら
に、従来のベンチュリ型装置は高価な監視および/また
は制御装置を必要とする。
し、コスト効率的で、外部監視/および制御装置の条件
を低減し、既存の圧力検出技術を利用し、小型軽量な流
量センサが必要とされる。
の流速(flow velocity) を測定する固体流量センサ・デ
バイスを提供する。さらに詳しくは、固体流量センサ・
デバイスは、この固体流量センサ・デバイスが流体スト
リームに入れられると、圧力差を与えまたは生成するボ
ディ部と、圧力差を測定する圧力センサとを含む。流速
は、この圧力差から部分的に測定される。本発明は、以
下の詳細な説明とともに図1ないし図7を参照して詳し
く理解される。
はプレート部12からなる固体または微細加工流量セン
サ・デバイス10の1実施例の斜視図を示す。半導体ダ
イ11は、好ましくはシリコンからなるが、他の半導体
材料も利用できる。プレート部12は、半導体ダイ11
を支持する機能を果たし、pyrex (商標),シリコンな
ど、熱および化学的に抵抗性のある材料からなる。好ま
しくは、プレート部12は、半導体ダイ11の熱膨張係
数(TCE:thermal coefficient of expansion) に近
接した(数ポイントまたはppm(parts per million)
以内)の熱膨張係数を有する。プレート部12は、周知
のガラス・フリット処理(glass frit process)またはウ
ェハ・ボンディング処理を利用して、半導体ダイ11に
接着される。別の実施例では、半導体ダイ11およびプ
レート部12は、単一材料から形成される。
り部(flow constricting portion)3と、圧力センサ部
14とを含む。ボディ部13は、測定対象の速度を有す
る流体を通過させる微細加工チャネル,ダクト,通路ま
たはベンチュリ部16を含む。チャネル16は、ボディ
部13の一方側から他方側(図2においてより詳しく示
す)を通過する。圧力センサ部14は、圧力センサ部1
4の一方側または上側22上に形成されたダイヤフラム
または薄い隔壁(thin partition)18と圧電抵抗素子2
1とからなる。ダイヤフラム18は、厚さ19を有し、
この厚さ19は、以下で詳しく説明するように、被測定
速度を有する流体が上側22より上およびチャネル16
を介して1方向に同時に通過する際に、ダイヤフラム1
8がこのダイヤフラム18の上下に存在する圧力差に応
じてたわむ(deflect) ような厚さである。
電抵抗素子21は、拡散,フォトリソグラフィおよびエ
ッチング処理方法など、周知の処理方法を利用して形成
される。圧力センサ部14は、信号処理回路素子ならび
に/または温度および/またはオフセット補償回路素子
をさらに含み、完全一体型流量センサ・デバイスを提供
する。完全一体型流量センサ・デバイスは、外部監視お
よび/または制御装置の必要性を低減する。
び圧力センサ部14の反対側または下側23を示す、半
導体ダイ11の斜視図である。チャネル16は、入口側
または第1開口部24から出口側または第2開口部26
にボディ部13を介して延在する。本実施例において、
チャネル16は、入口側24と出口側26との間で、入
口側24から内部またはスロート(throat)部27に向け
て先細るあいは絞る。チャネル16は、内部27におい
てスパン28を有する。チャネル16は、入口側24に
おいて固有断面積を有し、内部27において固有断面積
を有する。内部27におけるチャネル16の断面積は、
入口側24におけるチャネル16の断面積よりも小さ
い。好ましくは、チャネル16は、出口側26における
チャネル16の断面積が内部27におけるチャネル16
の断面積よりも大きくなるように、内部27から出口側
26に拡大する。
の対向する側壁29は、丸みまたは湾曲形を有する。チ
ャネル16は、フォトリソグラフィおよびエッチング方
法など従来の処理方法を利用してボディ部13内に形成
される。例えば、ボディ部13がシリコンからなる場
合、KOHまたはHF/HNO3 などの湿式エッチング
が用いられる。あるいは、反応性イオン・エッチング
(RIE:reactive ion etching)またはプラズマ・エ
ッチングなど乾式エッチング方法も利用される。シリコ
ンなど半導体材料を乾式エッチングするための化学品お
よびシステムは周知である。例えば、シリコンの乾式エ
ッチング品には、CF4 ,SF6 ,NF3 ,Cl2 およ
びCCl2 F2 が含まれる。チャネル16の形状を最も
よく制御するためには、乾式エッチング方法が好まし
い。
7を有するチャネル36と、圧力センサ部34とを有す
る半導体ダイ31の別の実施例を示す。対置する側壁3
7は、直線部分41,42,43を有する。圧力センサ
部34は、厚さ39を有するダイヤフラム38を含む。
図2の実施例と同様に、内部またはスロート部47にお
けるチャネル36の断面積は、入口側44におけるチャ
ネル36の断面積よりも小さい。好ましくは、チャネル
36は、内部から出口側46に拡大する。チャネル36
は、内部47においてスパン48を有する。チャネル1
6と同様に、チャネル36は周知の処理方法を用いて形
成される。
る限り、他のチャネル形状も可能であることが理解され
る。例えば、チャネル16または36の一方の側壁は直
線形、すなわち、先細りなしにして、他方の側壁は図2
または図3に示すような絞り型あるいは他の形状を有す
ることができる。あるいは、一方の側壁がある形状を有
し、他方の側壁が別の形状を有する。
量センサ・デバイス10は、流体ストリーム内に配置さ
れる。流体が上側22の上(主ストリーム・フロー)お
よびチャネル16を介して(変質フロー)、1方向で通
過される場合に、チャネル16の流量絞り特性よって確
立される圧力差または圧力降下に基づいてダイヤフラム
18がたわむように、圧力センサ部14はボディ部13
と関連または結合される。すなわち、圧力センサ部14
の上部22では、ダイヤフラム18は非変質ストリーム
・フローまたは主ストリーム・フローに露出され、圧力
センサ部14の下側23では、ダイヤフラム18はチャ
ネル16によって変質されたフローに露出される。チャ
ネル16は流体の流量を絞るので、主ストリーム・フロ
ーに比較して圧力差が生じ、その結果、ダイヤフラム1
8のたわみが生じる。このたわみは、圧電抵抗素子21
(図1に図示)によって検出される。このとき、流体の
速度は次式によって求められる。
力,P2 はチャネル16における圧力,ρは流体密度,
A1 は入口側24におけるチャネル16の断面積,A2
は内部27におけるチャネル16の断面積である。ダイ
ヤフラム18によって測定または検出される圧力差は、
P1 −P2 に等しい。流量センサ10の感度は、内部2
7におけるチャネル16の断面積の絞りまたは減少を変
更し、ダイヤフラム18の厚さ19を変更し、および/
またはチャネル16のスパン28を変更することによっ
て変えられる。同様な結果は、図3の実施例でも達成さ
れる。
む環境に配置される場合、流量センサ・デバイス10の
外面は、危険材料に抵抗のある任意の保護膜によって被
覆される。あるいは、圧電素子21および任意の追加回
路素子を保護するため、圧力センサ部14の上側のみが
被覆される。保護膜の厚さは、この厚さがダイヤフラム
18のたわみ特性に影響しないような、あるいは圧力セ
ンサ部14が補償されるような厚さである。保護膜の例
には、誘電不活性化(dielectric passivation),有機不
活性化などが含まれる。
速を測定する流量センサ10の好適な実施例において、
圧力センサ部14は、好ましくは、差動圧力センサから
なる。差動圧力センサのための圧電抵抗素子および回路
素子は周知である。ボディ部13は、好ましくは、シリ
コンからなる。内部27または47におけるチャネル1
6または36の断面積は、好ましくは、約0.0010
〜0.0012平方センチメートル(cm2 )(170
〜180平方ミル)のオーダーである。入口側24また
は44におけるチャネル16または36の断面積は、好
ましくは、0.010〜0.012cm2 (1700〜
1800平方ミル)のオーダーである。好ましくは、ス
パン28または48は、約0.20〜0.23cm(8
0〜90ミル)のオーダーである。 図4は、本発明に
よる流量センサ・デバイス70の別の実施例の断面斜視
図を示す。流量センサ・デバイス70は、ボディ部7
2,プレート部73および圧力センサ部74からなる。
ボディ部72は、チャネル,ダクト,流量絞り通路また
はベンチュリ76を含む。チャネル76の形状は、チャ
ネル16または36の形状と同様である。チャネル76
の断面積がチャネル76の入口側と出口側との間で減少
または絞られる限り、チャネル76の他の形状も可能で
ある。本実施例において、ボディ部72は、半導体材
料,金属材料,セラミック材料,有機材料または複合材
料からなる。ボディ部72のために選択される材料は、
とりわけ、特定用途の環境および流体の特性に依存す
る。
からなる場合、前述のようなエッチング方法を含む半導
体処理方法が用いられる。ボディ部72が金属からなる
場合、フライス加工または鋳込方法などが用いられる。
ボディ部72がセラミックからなる場合、粘性形成また
は焼結方法などが用いられる。ボディ部が有機材料から
なる場合、フライス加工または成形方法などが用いられ
る。好ましくは、流量センサ・デバイス70が温度変化
またはサイクリングを有する環境で用いられる場合、圧
力センサ部74の材料のTCEに近いTCEを有する材
料がボディ部72およびプレート部73に選ばれる。
な市販の圧力センサ・デバイスからなる。圧力センサ部
74は、厚さ79を有するダイヤフラム78を有し、圧
電抵抗素子81を含む。一般に、周知の処理方法を利用
して、キャビティ83が圧力センサ部74にエッチング
され、ダイヤフラム78を形成する。圧力センサ部74
は、温度および/またはオフセット補償回路素子ならび
に/あるいは信号処理素子をさらに含むことができる。
(商標),シリコンなど、熱および化学抵抗性のある材
料からなる。あるいは、プレート部73は、半導体材料
からなる。プレート部73は穴84を含み、この穴は、
好ましくは、チャネル76の内部またはスロート部87
の上の実質的に中央に配置される。
・デバイス10と同様に機能する。流体が圧力センサ7
4の上面の上およびチャネル76を介して1方向で通過
すると、穴84によりダイヤフラム78はチャネル76
と交信し、あるいはチャネル76の絞り特性によって生
じる対応する圧力差を検出できる。圧電抵抗素子81
は、ダイヤフラム78のたわみを検出する。このたわみ
は、ダイヤフラム78の上側と下側との間の圧力差に相
関する。流速は、測定された圧力差と、入口側または流
体が入る側(図示せず)におけるチャネル76の断面積
と、入口側における断面積よりも小さいチャネル76の
内部87における断面積と、流体の密度とにより、上記
の式を利用して求められる。
ィ部72は、グラス・フリット処理などを利用してプレ
ート部73に結合される。あるいは、圧力センサ部74
およびボディ部72は、有機接着剤を利用してプレート
部73に結合される。別の実施例では、ボディ部72お
よびプレート部73は、単一の材料から形成され、ボデ
ィ部72をプレート部73に取り付ける必要性を省く。
流速を測定する流量センサ・デバイス70の好適な実施
例では、圧力センサ部74は、好ましくは、差動圧力セ
ンサからなる。Motorola Inc. から入手可能なMPX2010
またはMPX2012 などの差動圧力センサが適している。プ
レート部73は、好ましくは、pyrex (商標)またはシ
リコンからなり、ボディ部72は、好ましくは、シリコ
ンからなる。好ましくは、チャネル76およびスパン8
8の寸法は、チャネル16およびスパン28について上
述した寸法と同じである。
ディ部72から分離される。すなわち、ボディ部72お
よびプレート部73は1つのユニットを形成し、圧力セ
ンサ74は第2ユニットを形成する。この別の実施例で
は、ボディ部72は、例えば、流体ストリーム内に配置
され、圧力センサ部は流体ストリーム外に配置される。
ボディ部72は、例えば、細管(capillary tube)を利用
して圧力センサ74に結合される。一方の細管は、チャ
ネル部76における圧力を圧力センサ部74の一方側に
与え、他方の細管は、主流圧力を圧力センサ部74の反
対側に与える。圧力センサ部74は危険材料に直接露出
されないので、この別の実施例は危険材料環境に適して
いる。
ス110の追加実施例の斜視図を示す。流量センサ・デ
バイス110は、半導体ダイ111およびプレート部1
12を含む。半導体ダイ111は、圧力センサ部114
およびチャネル116を有するボディ部113によって
構成される。本実施例において、プレート部112は、
このプレート部112がボディ部113に結合されると
きに、先細り型突出部117がチャネル116の入口側
124と出口側(図示せず)との間のチャネル116の
断面積を減少するように、プレート部112上に配置ま
たは形成された先細り型突出部またはペデストラル11
7を有する。先細り型突出部117については、図6に
おいてさらに詳しく示す。
壁を有することができる、すなわち、先細り型を有しな
くてもよく、先細り型突出部117のみがチャネル11
6の断面積を減少させ、あるいはチャネル116は、先
細り型突出部117とともに1つまたはそれ以上の先細
り型あるいは狭壁を有することができる。チャネル11
6が先細り壁を有する場合、先細り型突出部117の形
状はこの先細り壁の形状を収容するように修正される。
好ましくは、先細り型突出部117のみがチャネル11
6の断面積を減少させる場合、チャネル116における
ダイヤフラム118のスパン128は実質的に均等であ
る。
もに用いられるプレート部212の別の実施例を示す。
プレート部212は、立ち上がり部218から立ち下が
り部219まで延在する湾曲突出部217を有する。あ
るいは、湾曲突出部217は、プレート部212の一部
のみを覆う。プレート部112または212は、ある内
部においてチャネル116の断面積を低減させる他の形
状を有してもよいことが理解される。
流量センサ・デバイス70と利用するように容易に修正
される。流量センサ・デバイス70と利用するために
は、先細り突出部117およびプレート部112を貫通
する、あるいは湾曲突出部217およびプレート部21
2を貫通する穴が追加される。プレート部112または
プレート部212は、先細り型突出部117または湾曲
突出部217がチャネル76内に延在して、内部または
スロート部87におけるチャネル76の断面積を低減す
るように、ボディ部72と配置される。プレート部11
2または212が流量センサ・デバイス70とともに用
いられる場合、チャネル76は直線壁を有してもよい、
すなわち、先細り型または細幅型を有していなくてもよ
く、あるいはチャネル76は設計条件に応じて先細り型
または細幅型壁を有してもよいことが理解される。チャ
ネル76が先細り型または細幅型壁を有する場合、先細
り型突出部117または湾曲突出部217の形状は、チ
ャネル壁の形状を収容するように修正される。別の実施
例では、ボディ部72およびプレート部112または2
12は、単一材料から形成される。
または212などのプレート部で行う場合、製造が簡略
化される。例えば、標準的なチャネルは、複数のセンサ
用途のために製造でき、プレート部112または212
などのさまざまなプレート部は、所望の流量制限条件を
与えるため標準的なチャネルと利用するために設計され
る。
るいは生成する他のボディ部も存在する。例えば、二重
中空ニードル(double hollow needle)などからなる微細
パイロット・チューブは、衝撃圧力がダイヤフラムの一
方側に印加され、静圧力がダイヤフラムの反対側に印加
されるようなダイヤフラムを有する圧力センサ・デバイ
スに関連または結合される。
(衝撃圧力チューブ)は、衝撃圧力を測定するため二重
中空ニードルの先頭に配置される。第2中空チューブ
(静圧力チューブ)は衝撃圧力チューブを取り囲む。静
圧力チューブは、静圧力を測定するための開口部または
側壁タップを有する。衝撃圧力チューブは、ダイヤフラ
ムの一方側と関連し、静圧力チューブはダイヤフラムの
反対側と関連する。例えば、図4の圧力センサ・デバイ
ス74などの圧力センサ・デバイスでは、穴を有するキ
ャップまたはカバーは、圧力センサ・デバイスの上側に
結合される。穴を有するプレート73などのプレート
は、圧力センサ・デバイスの下側に結合される。このと
き、衝撃圧力チューブは、例えば細管を利用して圧力セ
ンサ・デバイスの一方側に結合される。同様に、静圧力
チューブは、例えば細管を利用してダイヤフラムの反対
側に結合される。
配置され、流速は次式から求められる。
1 は静圧力,ρは流体密度である。この実施例は、バイ
オメディカルおよび危険材料用途に適する。
チューブ実施例の圧力センサ部は、温度および/または
オフセット補償ならびに/あるいは信号処理回路素子を
含むことができ、一体型流量センサ・デバイスを提供で
きる。一致型流量センサ・デバイスは、外部監視および
/または制御装置条件を低減する。
る流量センサ・デバイスが提供されたことが理解され
る。この流量センサ・デバイスは、圧力降下を生成する
ボディ部と、この圧力降下を検出する圧力検出部とを含
む。流量センサ・デバイスは半導体技術を利用するの
で、流量センサは小型,堅牢,軽量である。これによ
り、流量センサ・デバイスはさまざまな用途に適する。
流量センサ・デバイスは、既存の圧電抵抗圧力センサ技
術および標準的な処理方法を利用するため、コスト効率
的である。信号処理および/または温度補償ならびに/
あるいはオフセット補償素子は、流量センサ・デバイス
内で一体化でき、外部監視および/または制御素子条件
を低減する。
示す斜視図である。
の実施例を示す斜視図である。
例を示す斜視図である。
の実施例を示す斜視図である。
ある。
図である。
Claims (2)
- 【請求項1】 流体の流速を検出する微細加工センサで
あって: 2つの対置する側壁を有するチャネル(16)と、一方
の端部における第1開口部と、他方の端部における第2
開口部とを有する流量絞り部(13)であって、前記チ
ャネルは前記第1開口部からスロート部(27)に向け
て狭くなり、前記スロート部から前記第2開口部に向け
て広くなり、前記チャネルが前記第1開口部において第
1断面積を有し、前記スロート部において第2断面積を
有し、前記断面積は前記第1断面積よりも小さい、流量
絞り部(13); 前記チャネル(16)の一方の側を形成するカバ−部
(12);およびある厚み(19)と、対向する第1お
よび第2表面と、を有する薄い隔壁(l8)からなる圧
力センサ部(14)であって、前記圧力センサ部は、前
記流量絞り部と距離を隔てた位置関係にあり、流体が前
記チャネルを通過するときに、前記薄い隔壁が前記対向
する第1および第2表面間の圧力差の関数として変形
し、前記圧力センサ部は、前記スロート部(27)にお
いて圧力差を測定するために前記スロート部(27)に
位置する圧電抵抗素子(21)を有する、圧力センサ部
(14); によって構成されることを特徴とする微細加工センサ。 - 【請求項2】 流量センサ装置を製造する方法であっ
て: 流体を通過させるボディ部(13)においてチャネル
(16)を形成する段階であって、前記チャネルは、入
口側から出口側に延在し、前記チャネルは対向する第1
および第2側面を有し、前記チャネルは前記入口側にお
いて第1断面積を有し、前記チャネルは、前記入口側と
前記出口側との間にスロート部(27)を有し、前記チ
ャネルは、前記スロート部において前記第1断面積より
も小さい第2断面積を有する、段階; 前記ボディ部に結合され、前記チャネルの一方の側を形
成するプレート部(12)を形成する段階;および圧力
センサ部(14)を形成する段階であって、前記圧力セ
ンサ部は、ダイヤフラム(18)を有し、前記ダイヤフ
ラムは、対向する第1および第2表面を有し、前記対向
する第2表面は、前記流体が前記チャネルを通過すると
きに、前記対向する第1および第2表面間の圧力差に基
づいて変形するように前記ボディ部と関連し、前記圧力
差は圧電抵抗素子(21)によって前記スロート部(2
7)において測定され、前記流速は前記圧力差,前記第
1断面積および前記第2断面積から求められる、段階; によって構成されることを特徴とする方法。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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