JP3293469B2 - 熱式流速センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば自動車のエ
ンジン制御や空調機器など、空気等流体の流速計測が必
要な場所に使用される流速センサに関し、特にその検出
感度向上および測定可能流速範囲の拡大に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】図３４は例えば特開昭６０−１４２２６
８号公報に示された従来の熱式流速センサ（従来例１）
の要部断面図であり、図３５はその上面図である。図に
おいて、１はシリコン基板、２はこのシリコン基板１に
エッチングにより形成された空気スペース、３，４はこ
の空気スペース２上に架橋された薄膜部材すなわち薄肉
部、５は発熱抵抗体、６，７はそれぞれ上流側および下
流側薄膜感温抵抗体、８は周囲の空気の温度をモニタす
る比較抵抗である。上流側および下流側薄膜感温抵抗体
６，７は発熱抵抗体５を挟んで対称な位置に配されてい
る。発熱抵抗体５および薄膜感温抵抗体６，７は、例え
ば窒化シリコンからなる薄膜の絶縁層９，１０により包
まれて薄肉部３，４を形成している。

【０００３】この従来の熱式流速センサの基本的な動作
について説明する。図３５において、発熱抵抗体５はシ
リコン基板１の温度より２００℃高くなる温度に加熱さ
れている。シリコン基板１の温度は周囲の空気の温度と
ほとんど同じであり、比較抵抗８により測定される。空
気の流れがないときには、薄膜感温抵抗体６，７は、発
熱抵抗体５の熱により、平均で約１４０℃に熱せられ
る。すなわち、薄膜感温抵抗体６，７は発熱抵抗体５に
対して正確に対称に配置されているので、空気の流速が
０のときにはこの２つのセンサの温度は同一になり、薄
膜感温抵抗体６，７の抵抗値に差は生じない。従って、
この２つの感温抵抗体６，７に微小測定電流を流しても
電圧の差は発生しない。

【０００４】空気の流れがあるときには、上流側に位置
する感温抵抗体６はヒーター５へ向かう空気の流れによ
り熱が運び去られるため冷やされ、一方、下流側に位置
する感温抵抗体７はヒーター５からの空気の流れによっ
て熱せられることになる。図３６に感温抵抗体６，７の
温度の流速依存性を示す。流速が速くなるにつれて、上
流側の感温抵抗体６の温度は低下し、下流側の感温抵抗
体７の温度は上昇している。これによって生ずる感温抵
抗体６，７の間の抵抗値の差が電圧値の差をもたらし、
この電位差から流速が測定される。この２つの感温抵抗
体の温度差を縦軸にとったグラフを図３７に示す。流速
（横軸）と温度差（縦軸）が一対一に対応しており、流
速センサとして利用できることが判る。

【０００５】図３８および図３９にこれらの機能を実現
するための回路例を示す。図３８に示された回路はヒー
ター５の温度を制御するためのものであり、図３９に示
された回路は感温抵抗体６，７の間の抵抗値の差に比例
する電圧信号を得るためのものである。

【０００６】図３８に示される温度制御回路は、ヒータ
ー５の温度を、比較抵抗８によって検出される周囲温度
よりも一定温度高く保つためのホイストンブリッジ回路
４６により構成される。ホイストンブリッジ回路４６は
ヒーター５と抵抗４５により一辺を、比較抵抗８と抵抗
４７，４８により他辺を構成している。アンプ４９，５
０からなる積分回路は出力の電位を変化させることでブ
リッジ回路４６がバランスするように動作し、ヒーター
５によって消費される電力を一定に保つようにする。

【０００７】図３９に示す回路はヒーター５の上流側に
位置する感温抵抗体６と下流側に位置する感温抵抗体７
との間の差を検出するためのものである。この回路は、
アンプ７２からなる定電流電源部５２と、アンプ６６，
６８，７０からなる差動増幅部５４から構成される。定
電流電源部５２は、一辺に高インピーダンス抵抗５６，
５８と、他辺に零調用可変抵抗６０および感温抵抗体
６，７を有するホイストンブリッジ回路を駆動する。差
動増幅部５４の利得は可変抵抗６２により調整される。
出力端６４は感温抵抗体６，７の間の抵抗値の差に比例
する出力電圧を出力する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このタイプの熱式流速
センサを、測定可能流速範囲が広く感度の良いものにす
るためには、感温抵抗体６，７の温度が、広い流速範囲
にわたって大きく変化することが望ましい。しかし、従
来の熱式流速センサでは、流速が０の時に下流側の感温
抵抗体７がすでにヒーター５の温度の６〜７割近くまで
熱せられているため、ヒーター５から空気を介して伝達
される熱量は少なく、しかも比較的低い流速で飽和温度
に達する。図３６を見ると、実際に下流側感温抵抗体７
の温度変化は小さく、１０ｍ／ｓ以上ではすでに飽和傾
向にあることが判る。

【０００９】図４０にヒーター５および感温抵抗体６，
７における熱の移動を表した模式図を示す。図におい
て、Ｑ１はヒーター５から空気への熱伝達量、Ｑ２はヒ
ーター５から薄膜部材を介して上流側感温抵抗体６へ伝
わる熱伝導量、Ｑ３はヒーター５から薄膜部材を介して
下流側感温抵抗体７へ伝わる熱伝導量、Ｑ４は上流側感
温抵抗体６から空気への熱伝達量、Ｑ５は空気から下流
側感温抵抗体７への熱伝達量である。

【００１０】下流側感温抵抗体７について見ると、Ｑ３
とＱ５の２つの熱流入が起こっている。このうちＱ３は
流速には依存せず、流速依存性を持つのはＱ５のみであ
る。Ｑ５は感温抵抗体７の上を通過する空気と感温抵抗
体７自身との温度差に比例する。流速０のときの熱流入
の大半はＱ３によると考えてよいが、図３６に示したよ
うに、この時すでに感温抵抗体７は１４０℃まで加熱さ
れている。このため、感温抵抗体７と空気との温度差が
小さくなり、この温度差に比例するＱ５も大きくできな
い。よって、流れが存在する状態でも感温抵抗体７の温
度上昇は小さい。しかも、多少なりとも温度上昇が起こ
れば、空気との温度差はさらに縮小され、飽和状態によ
り近づくことになる。その結果、図３７に示したよう
に、流速が増大するとともに上流と下流の感温抵抗体
６，７の温度差の変化は小さくなり、感度は低下して行
く。

【００１１】また、上流側感温抵抗体６について言え
ば、ヒーター５から伝わった熱量Ｑ２の一部がＱ４とな
って空気に伝わる。Ｑ２は空気の流速には依存しない
が、Ｑ４は流速が速くなるにつれて増大するので、感温
抵抗体６の温度は流速の増大とともに降下する。この場
合、Ｑ２の値が大きいほどＱ４の変化幅が広くとれ、感
度の向上、および測定可能流速範囲の拡大には有利であ
る。図３６を見ても、上流側感温抵抗体６の温度は大き
な傾きを持って変化している。しかし、例えば自動車の
エンジン制御などに使用する場合は、図３６に示されて
いる流速範囲（０〜２０００ｃｍ／ｓｅｃ）では不十分
で、少なくとも０〜１００００ｃｍ／ｓｅｃの測定範囲
は必要である。図３６の上流側感温抵抗体６の温度変化
の勾配を（−４０℃）／（２０００ｃｍ／ｓｅｃ）と考
えれば、流速が１００００ｃｍ／ｓｅｃに達するまで
に、この温度変化の勾配が徐々に減少していくことは明
らかである。その結果、流速が増大するとともに上流側
と下流側の感温抵抗体６，７の温度差の変化は小さくな
り、感度は低下して行く。

【００１２】さらに、Ｆ．Ｍａｙｅｒらの研究（F.Maye
r et al : Transducers'95 Eurosensors IX 132-C2 pp.
528-531）によれば、流速が速くなると下流側の感温抵
抗体７の温度が低下することが報告されている。この現
象は本願発明者の行った実験によっても確認されている
（図４１）。また、Ｌｉ Ｑｕｉらの研究（Li Qui et
al : Transducers'95 Eurosensors IX 130-C2 pp.520-5
23）によれば、ある流速以上で上下流の感温抵抗体の温
度差６，７が低下することが報告されている。これらの
報告は、流速が増大すると、出力の２値化（一つの出力
に対応する流速ポイントが２つ存在すること）が起こり
得ることを示している。これにより、測定可能流速範囲
の拡大が制限される。

【００１３】このように、従来の温度差を用いた熱式流
速センサにおいては、流速が増大するとともに感度が低
下し、測定可能流速範囲も大きく取れないという問題点
があった。

【００１４】さらに、別の従来例（従来例２）として、
特開平４−２３０８０８号公報には、ヒーター５と上流
側感温部６との間、およびヒーター５と下流側感温部７
との間にそれぞれスリットを設け、感度の向上を図る例
が記載されている。このようにヒーター５の両側にスリ
ットを設けることにより、ヒーター５から薄肉部を介し
て上流側および下流側感温部６，７に伝わる熱量が低減
され、各感温部６，７の温度上昇はスリットを設けない
場合に比べて低くなる。流速が０の時には、ほぼ自然対
流と空気の熱伝導によってのみ感温部６，７に熱が伝わ
る。この状態で風が吹くと、下流側感温部７は強制対流
により熱が伝わるため温度が急激に上昇し、センサの感
度向上をもたらす。しかしながら、上流側感温部６の温
度は元々低くなっているため、強制対流により奪われる
熱量は僅かであり温度変化は小さく、これはセンサの感
度低下を招く。このように、下流側感温部７で感度向上
した反面、上流側感温部６で感度低下するため、トータ
ルとしての感度はあまり向上しない。このように、ヒー
ター５の両側にスリットを設けたのでは感度向上効果は
あまり期待できない。

【００１５】本発明は上記のような問題点を解決するた
めになされたもので、感度を向上できるとともに測定可
能流速範囲を拡大できる熱式流速センサを得ることを目
的としている。

【００１６】

【課題を解決するための手段】この発明に係わる熱式流
速センサは、発熱部と、前記発熱部の上流側および下流
側にそれぞれ配置された上流側および下流側温度検出部
と、前記発熱部と前記上流側温度検出部間および前記発
熱部と前記下流側温度検出部間のうちの前記発熱部と前
記下流側温度検出部間のみに設けられたスリットとを半
導体基板の薄肉部に備えると共に、前記上流側温度検出
部より上流側に流体温度検出部を備え、前記発熱部を前
記流体温度検出部により検出された流体温度に対して定
温度差駆動した時に生じる前記上流側と下流側温度検出
部の温度差から流速を検出するようにしたものである。

【００１７】

【００１８】

【００１９】

【００２０】

【００２１】

【００２２】

【００２３】

【発明の実施の形態】

実施の形態１．以下、本発明の実施の形態を図について
説明する。図１は本発明の実施の形態１による熱式流速
センサの要部を示す上面図、図２は図１のＡ−Ａ´線断
面図である。ただし、図２の断面図は図１の上面図を多
少拡大して示しており、これは、以降の同様のＡ−Ａ´
線断面図においても同じである。図において、１はシリ
コン基板、２はシリコン基板１を裏からエッチングして
形成した空気スペース、３は空気スペース２上に設けら
れたダイヤフラム型薄肉部である。５は発熱部すなわち
発熱抵抗体、６，７は発熱抵抗体５の上流側および下流
側にそれぞれ配置された上流側および下流側温度検出部
すなわち上流側および下流側感温抵抗体、８は上流側感
温抵抗体６より上流側に配置され流体の温度を測定する
流体温度検出部すなわち流体温度検出用感温抵抗体、
９，１０は絶縁層、１１は発熱抵抗体５と下流側感温抵
抗体７との間に設けられたスリット、１２は発熱抵抗体
５、上流側および下流側感温抵抗体６，７、並びに流体
温度検出用感温抵抗体８の両端をそれぞれボンディング
パッド１３に接続する配線である。薄肉部３は絶縁層
９，１０、並びに絶縁層９，１０に挟まれた発熱抵抗体
５、および感温抵抗体６，７から構成されている。

【００２４】発熱抵抗体５、上流側および下流側感温抵
抗体６，７、並びに流体温度検出用感温抵抗体８は例え
ば、スパッタあるいは蒸着などの成膜技術により薄膜形
成した後、エッチングにより所望の抵抗値になるように
パターニングして形成される。抵抗材料としては、信頼
性の高い白金などを使用することが望ましい。

【００２５】発熱抵抗体５は、流体温度検出用感温抵抗
体８によって測定される空気の温度よりも常に一定温度
だけ高くなるように定温度差駆動されている。図３にそ
の駆動回路を簡略化した回路図を示す。発熱抵抗体５、
流体温度検出用感温抵抗体８、および固定抵抗１４，１
５によりブリッジ回路を構成している。空気の流速の変
動により発熱抵抗体５の温度が変化したり、空気の温度
が変化して流体温度検出用感温抵抗体８の温度が変化し
たりして、ブリッジ回路のバランスが崩れると、差動増
幅器１６およびトランジスタ１７が発熱抵抗体５に流れ
る加熱電流を制御し、元のバランス状態に戻すように働
く。この結果、発熱抵抗体５と流体温度検出用感温抵抗
体８との温度差が常に一定に保たれる。１８は電源であ
る。

【００２６】このようなヒーター５の上下流側に位置す
る一対の感温抵抗体６，７の温度差を検出して流速を測
定するタイプの流速センサにおいて、測定可能流速範囲
を広くし、感度を向上させるためには、この感温抵抗体
６，７の温度差が広い流速範囲にわたって大きく変化す
ることが望ましい。このためには、各感温抵抗体６，７
の温度が広い流速範囲にわたって大きく変化することが
必要である。

【００２７】本実施の形態では、発熱抵抗体５と下流側
感温抵抗体７との間にスリット１１を設けているため、
発熱抵抗体５から薄肉部３を介して下流側感温抵抗体７
へ熱伝導により伝わる熱量を大幅に低減できる。つま
り、図４０におけるＱ３が小さくなる。従って、流速が
０のときの下流側感温抵抗体７の温度は、スリット１１
が無い場合に比べて非常に低くなる。発熱抵抗体５から
空気へ伝わる熱伝達量（Ｑ１）はスリット１１の影響を
受けないため、発熱抵抗体５より下流側の空気の温度は
変わらないと考えてよい。この結果、流速が０の時の下
流側感温抵抗体７とその上を流れる空気との温度差は、
スリット１１を設けない場合に比べて非常に大きなもの
となる。空気から感温抵抗体７へ伝わる熱量はこの温度
差に比例するため、空気の流れが発生すると、大量の熱
が感温抵抗体７に伝わり、その温度変化はとても大きな
ものとなる。

【００２８】図４に薄肉部３の温度分布の一例を示す。
点線１９は流速０の時の温度分布、実線２０は空気の流
れが存在するときの温度分布であり、実線２０の形は空
気の流速に依存して変化する。空気の流れが存在する
と、上流側感温抵抗体６の温度は△Ｔｕだけ降下し、下
流側感温抵抗体７の温度は△Ｔｄだけ上昇する。前述の
ように、スリット１１の効果により、△Ｔｄは従来に比
べ非常に大きな値をとる。よって、上流側感温抵抗体６
と下流側感温抵抗体７との温度差の変化量（△Ｔｕ＋△
Ｔｄ）も大きくなり、流速センサとしての感度が向上す
る。また、下流側感温抵抗体７は元の温度が低いため、
飽和温度に達するまでにより多くの熱流入を許容でき、
測定可能流速範囲も拡大できる。

【００２９】また、発熱抵抗体５と上流側感温抵抗体６
との間にはスリットを設けていないため、発熱抵抗体５
から薄肉部３を介して上流側感温抵抗体６へ熱量Ｑ２が
熱伝導により伝わり、流速が０のときの上流側感温抵抗
体６の温度は図４の点線１９で示すように下流側感温抵
抗体７に比べて高くなっている。そのため空気の流れが
存在するときの温度降下△Ｔｕが大きく、従来例２のよ
うに感度が低下することはない。

【００３０】図５に上記の温度差を検出するための簡単
な回路図を示す。感温抵抗体６，７を一辺に、固定抵抗
２１，２２を他辺に用いたブリッジ回路である。２３は
電源である。固定抵抗２１，２２に適当な値のものを選
ぶことにより、流速０の時の出力電圧２４を０にするこ
とができる。この回路の場合の出力電圧２４（Ｖout）
は次式（１）で表される。

【００３１】

【数１】

【００３２】ここでＶcは電源２３の電圧、Ｒu，Ｒdは
それぞれ感温抵抗体６，７の抵抗値、Ｒu0，Ｒd0はそれ
ぞれ流速が０の時の感温抵抗体６，７の抵抗値、ΔＲu
は感温抵抗体６の温度がΔＴuだけ低下したときの抵抗
値減少量、ΔＲdは感温抵抗体７の温度がΔＴdだけ上昇
したときの抵抗値増加量である。

【００３３】また、図６の回路図のように、感温抵抗体
７と直列に調整抵抗２５を挿入してＲu0＝Ｒd0となるよ
うにすれば、出力電圧２４（Ｖout）は次式（２）で表
される。

【００３４】

【数２】

【００３５】どちらの場合も、温度差の変化量（△Ｔｕ
＋△Ｔｄ）が大きいほど出力電圧の変化も大きくなり、
流速感度が向上することが判る。

【００３６】実施の形態２．図７は本発明の実施の形態
２による熱式流速センサの要部を示す上面図、図８は図
７のＡ−Ａ´線断面図である。図において、１はシリコ
ン基板、２はシリコン基板１を表からエッチングして形
成した空気スペースである。３は空気スペース２上に設
けられたマイクロブリッジ型薄肉部であり、絶縁層９，
１０、および絶縁層９，１０に挟まれた発熱抵抗体５、
感温抵抗体６，７から構成されている。

【００３７】この実施の形態においても、スリット１１
が存在するため、実施の形態１と同様の作用により、上
流側感温抵抗体６と下流側感温抵抗体７の温度差の変化
量が増大する。よって、感度の向上と測定可能流速範囲
の拡大が実現される。

【００３８】参考例１． 図９は本発明の参考例１による熱式流速センサの要部を
示す上面図である。図において、シリコン基板１の薄肉
部３に、発熱抵抗体５と発熱抵抗体５の上流側に感温抵
抗体６ａ，６ｂ、および下流側に感温抵抗体７ａ，７ｂ
がそれぞれ形成されている。２個の上流側感温抵抗体６
ａ，６ｂおよび２個の下流側感温抵抗体７ａ，７ｂはと
もにそれぞれで同じ温度になるように形成している。

【００３９】図１０は温度差検出用の回路図である。図
において、抵抗体の番号は発熱抵抗体５および感温抵抗
体６ａ，６ｂ、７ａ，７ｂ、８の各々の番号に相当す
る。差動増幅器３７ｃ、３７ｄおよび発熱抵抗体５と流
体温度検出用感温抵抗体８により構成されたブリッジ回
路により定温度差駆動回路を構成している。上流側感温
抵抗体６ａ，６ｂと下流側感温抵抗体７ｂ，７ａにより
フルブリッジ回路を構成している。ブリッジ回路は定電
圧源４２に接続し、ブリッジ出力は差動増幅器３７ａの
入力に接続している。図１１に流速と出力電圧の関係を
示す。流速ゼロの時ブリッジ回路が平衡になるように調
整した場合、差動増幅器３７ａの出力電圧３９（Ｖ₃₉）
は、以下の式（３）で表される。 Ｖ₃₉＝Ｋ（△Ｒ₆−△Ｒ₇）Ｖ_D／（２Ｒ＋△Ｒ₆＋△Ｒ₇） （３） ここで、Ｋは差動増幅器３７ａの増幅率、△Ｒは流速ゼ
ロの抵抗値変動分、Ｒは感温抵抗体６、７の流速ゼロで
の抵抗値、 Ｖ_Dは定電圧電源４２の電圧を示す。

【００４０】なお図示していないが、従来の熱式流速セ
ンサの温度差検出回路はブリッジ一辺を固定抵抗で構成
したハーフブリッジ回路であり、固定抵抗値をＲとした
時の出力電圧３９Ｃは、 Ｖ_39C＝Ｋ（△Ｒ₆−△Ｒ₇）Ｖ_D／２（２Ｒ＋△Ｒ₆＋△Ｒ₇） （４） で表され、本発明の方が２倍感度が高くなる。

【００４１】なお、この参考例では、シリコン基板１を
裏からエッチングして空気スペースを形成したダイヤフ
ラム型構造について述べたが、シリコン基板１を表から
エッチングして空気スペースを形成したマイクロブリッ
ジ型構造においても、全く同様の効果が得られることは
言うまでもない。

【００４２】参考例２． 図１２は本発明の参考例２にる熱式流速センサの要部を
示す上面図である。シリコン基板１の薄肉部３に、発熱
抵抗体５と同等温度となるように発熱抵抗体５の近傍に
発熱温度検出部すなわち発熱温度検出用感温抵抗体３５
を形成する。発熱抵抗体５の上流側と下流側には、ほぼ
等距離で感温抵抗体６と７が形成されている。流れ方向
（ＦＬＯＷ）からの流体流動により、上流側感温抵抗体
６および下流側感温抵抗体７は、冷却効果により抵抗値
が変動するが、図１３に示すような定温度差駆動回路に
構成された発熱抵抗体５の温度は流速によって殆ど変化
しない特性を示す。

【００４３】図１３において、抵抗体の番号は発熱抵抗
体５および感温抵抗体６，７，８，３５の各々の番号に
相当する。差動増幅器３７ｃ，３７ｄおよび発熱抵抗体
５と流体温度検出用感温抵抗体８により構成されたブリ
ッジ回路により定温度差駆動回路を構成している。３８
ａ，３８ｂ，３８ｃは定電流源であり、３つの感温抵抗
体６，７，３５に一定電流を供給している。感温抵抗体
６，７，３５はいずれも温度変化に対して抵抗値が直線
的に変動する白金、ニッケルにより形成されている。差
動増幅器３７ａは、発熱温度検出用感温抵抗体３５と上
流側感温抵抗体６における電圧差を出力とし、差動増幅
器３７ｂは、発熱温度検出用感温抵抗体３５と下流側感
温抵抗体７における電圧差を出力とする構成となってい
る。コンパレータ３６は差動増幅器３７ａの出力電圧３
９と、差動増幅器３７ｂの出力電圧４０を入力とし、双
方の大小関係により出力４１が反転する。

【００４４】図１４は流速と感温抵抗体形成部の温度と
の関係を示す。図中、３５tは発熱温度検出用感温抵抗
体３５の温度、７tは下流側感温抵抗体７の温度、６tは
上流側感温抵抗体６の温度を示す。一般に層流熱伝達で
は境界層の形成により、下流側ほど熱伝達率は小さくな
るため上流側の感温抵抗体に比べて下流側の感温抵抗体
の温度は高くなる。さらに発熱抵抗体５における発熱流
は、薄肉部３の中を伝導するとともに気流を通して下流
側にも伝播するため下流側の感温抵抗体の温度は上昇す
る。したがって図１４のようにそれぞれの感温抵抗体温
度６t，７tは流速に応じて変動する。

【００４５】図１５は流速と感温抵抗体の温度に応じた
出力信号の関係を示す。図中、順方向は図１２における
流れ方向（ＦＬＯＷ）の流速であり、出力軸を挟んで反
対側は逆流方向の流速を表す。３９，４０は図１３の電
子回路における信号３９，４０に対応する。したがって
信号３９は発熱温度検出用感温抵抗体３５と上流側感温
抵抗体６との温度差に比例し、信号４０は発熱温度検出
用感温抵抗体３５と下流側感温抵抗体７との温度差に比
例する関係を示す。また４４は上流側感温抵抗体６の温
度と下流側感温抵抗体７の温度の差に比例した従来の流
速信号を示す。３９，４０の信号は、流速ゼロとなる軸
を挟んで対象とはならない反面、高い流速感度を示して
いる。流れ方向の判別を流速信号３９と流速信号４０の
大小比較により行い、流速の検出は、例えば順方向の場
合は信号３９、逆流方向の場合は信号４０というように
出力の大きい方を用いて行うすることにより、従来に比
べて精度良く流速検出が可能になる。また、図示してい
ないが、信号３９と４０の差信号を用いて流速を検出し
てもよい。

【００４６】なお、この参考例では、シリコン基板１を
裏からエッチングして空気スペースを形成したダイヤフ
ラム型構造について述べたが、これまでの実施の形態お
よび参考例と同様、シリコン基板１を表からエッチング
して空気スペースを形成したマイクロブリッジ型構造に
おいても、全く同様の効果が得られることは言うまでも
ない。

【００４７】参考例３． 図１６は本発明の参考例３による熱式流速センサの要部
を示す上面図、図１７は図１６のＡ−Ａ´線断面図であ
る。この図では、空気スペース２はシリコン基板１を裏
からエッチングして形成されており、空気スペース２上
にダイヤフラム型薄肉部３が設けられている。

【００４８】本参考例では、以下に述べるような２つの
流速検出手段を有している。まず１つは、図１８に示す
ように、発熱抵抗体５と流体温度検出用感温抵抗体８お
よび固定抵抗１４，１５によりブリッジ回路を構成し、
発熱抵抗体５に供給される加熱電流を出力電圧２６とし
て検出し、この電圧から流速を測定する方法である。こ
の方法を加熱電流検出タイプと呼ぶ。もう１つは、図１
９に示すように、感温抵抗体６，７と固定抵抗２１，２
２により構成されたブリッジ回路により、感温抵抗体
６，７の温度差を出力電圧２４として検出し、この電圧
から流速を測定する方法である。この方法を温度差検出
タイプと呼ぶ。この温度差検出タイプは図５に示したも
のと全く同じである。

【００４９】図２０に本願発明者が測定した加熱電流検
出タイプの流速センサの流速と出力の関係を示す。ま
た、図２１には図１４を元にして算出した流速感度（[%
/%]：流速が１％変化したときの出力の変化率）を示
す。図２１に示されるとおり、加熱電流タイプの流速セ
ンサは低流速域の感度が低く、流速の増大とともに感度
も上昇し、ある流速以上でほぼ安定する。比較のため、
全く同じ形状のサンプルを温度差検出タイプの流速セン
サとして使用した場合の、流速と出力の関係と、流速と
感度の関係をそれぞれ図２２，図２３に示す。従来例の
説明でも述べたように、温度差検出タイプは、低流速域
の感度は非常に優れているが、高流速になるにつれて感
度は低下してくる。この傾向は図２３からも見て取れ
る。この実験では５０ｍ／ｓｅｃまでしか測定していな
いが、これ以上の流速域では感度はさらに低下すること
はまず間違いない。

【００５０】つまり、加熱電流タイプは低流速域の感度
が低く、温度差検出タイプは高流速域の感度が低い。よ
って、図２４に示すような足し算回路を用いて両者の出
力を加算してやれば、お互いの短所を補うことができ
る。図２４において、２７，２８，２９は重み付けのた
めの抵抗で、これらの値を適当に選ぶことにより、加算
するときの比率、および加算出力電圧３２の値を調節す
ることができる。具体的には、加算出力電圧３２（Ｖou
t）は次式（５）によって表される。

【００５１】

【数３】

【００５２】なお、この加算回路では出力電圧３２は反
転して現れるので、この後にもう一つ反転回路が必要と
なるが、図２４では省略している。Ｖo1，Ｖo2がほぼ同
程度の電圧値が得られている場合、Ｒ₂₇，Ｒ₂₈，Ｒ₂₉と
して例えば、１０ｋΩ，２０ｋΩ，２０ｋΩを選ぶと、
Ｖo1，Ｖo2のそれぞれ１／２ずつが加算され、出力電圧
Ｖoutの値もＶo1，Ｖo2とほぼ同程度の電圧値が得られ
る。以上のように加熱電流検出タイプの出力と温度差検
出タイプの出力を加算することにより、全流速域にわた
って感度の優れた流速センサを得ることができる。

【００５３】参考例４． 図２５は本発明の参考例４による熱式流速センサの要部
を示す上面図、図２６は図２５のＡ−Ａ´線断面図であ
る。この図では、空気スペース２はシリコン基板１を表
からエッチングして形成されており、空気スペース２上
にマイクロブリッジ型薄肉部３が設けられている。

【００５４】この例においても、発熱抵抗体５と流体温
度検出用感温抵抗体８を用いた加熱電流検出タイプの出
力信号と、感温抵抗体６，７を用いた温度差検出タイプ
の出力信号とを加算することにより、参考例３と全く同
様な効果が得られる。すなわち、低流速域で感度が低く
高流速域で感度の高い加熱電流検出タイプの出力信号
と、低流速域で感度が高く高流速域で感度の低い温度差
検出タイプの出力信号とを加算した信号を最終的な出力
信号とすることにより、全流速域で感度の優れた流速セ
ンサを得ることができる。

【００５５】実施の形態３． 図２７は本発明の実施の形態３による熱式流速センサの
要部を示す上面図、図２８は図２７のＡ−Ａ´線断面図
である。この図では、空気スペース２はシリコン基板１
を裏からエッチングして形成されており、空気スペース
２上にダイヤフラム型薄肉部３が設けられている。ま
た、参考例１の場合と同様に、２個の上流側感温抵抗体
６ａ，６ｂおよび２個の下流側感温抵抗体７ａ，７ｂは
例えば図９のようにＳ字状に形成され、ともにそれぞれ
で同じ温度になるように形成されていてもよい。

【００５６】この実施の形態においても、参考例３と同
様、発熱抵抗体５と流体温度検出用感温抵抗体８を用い
た加熱電流検出タイプの出力信号２６と、感温抵抗体６
ａ，７ａを用いた温度差検出タイプの出力信号２４とを
加算して感度の優れた流速センサを得るのであるが、こ
のとき、図２９に示すように、加算回路の重み付け抵抗
に前記上流側および下流側感温抵抗体６ｂ，７ｂを使用
する。薄肉部３にスリット１１を設けているため、流速
が０の時は感温抵抗体６ｂは感温抵抗体７ｂより温度の
高い状態にある。感温抵抗体６ｂ，７ｂを正の抵抗温度
係数を持つ同じ材質で同じ形状に作っておけば、感温抵
抗体６ｂの抵抗値は感温抵抗体７ｂの抵抗値より大きく
なる。流速が増大するにつれ、感温抵抗体６ｂの温度は
下がり、感温抵抗体７ｂの温度は上がる。よって、感温
抵抗体６ｂの抵抗値は低下し、感温抵抗体７ｂの抵抗値
は上昇する。その様子を図３０に示す。曲線３３が感温
抵抗体６ｂの抵抗値の流速依存性、曲線３４が感温抵抗
体７ｂの抵抗値の流速依存性である。

【００５７】図２９に示す加算回路において加算出力３
２は次式（６）で表される。

【００５８】

【数４】

【００５９】ここで、Ｒ_6bは感温抵抗体６ｂの抵抗値、
Ｒ_7bは感温抵抗体７ｂの抵抗値を表す。この式におい
て、Ｒ_6b，Ｒ_7bが図３０に示すように変化すれば、流速
の低いところでは温度差検出タイプの出力信号Ｖo2が支
配的となり、流速の高いところでは加熱電流検出タイプ
の出力信号Ｖo1が支配的となる。例えば、感温抵抗体６
ｂ，７ｂの温度０℃の時の抵抗値を５００Ω、抵抗温度
係数を３０００ｐｐｍ、流速が０の時の温度をそれぞれ
１６０℃，８０℃とすると、流速が０の時の感温抵抗体
６ｂ，７ｂの抵抗値はそれぞれ７４０Ω，６２０Ωとな
る。例えば、Ｒ₂₇を１ｋΩとすると、加熱電流検出タイ
プの出力信号Ｖo1、および温度差検出タイプの出力信号
Ｖo2の加算係数はそれぞれ１．３５および１．６１とな
り、流速０の時には温度差検出タイプの出力信号Ｖo2の
方が約２０％大きな重み付けを課されることになる。逆
に、流速が増大し、感温抵抗体６ｂ，７ｂの温度が逆転
してそれぞれ８０℃，１６０℃となったとすると、今度
は加熱電流検出タイプの出力信号Ｖo1の方が約２０％大
きな重み付けを課される。

【００６０】このように、この実施の形態によれば、流
速の低いところでは低流速域の感度に優れた温度差検出
タイプの特徴がより顕著に現れ、流速の高いところでは
高流速域の感度に優れた加熱電流検出タイプの特徴がよ
り顕著に現れることになる。また、温度差検出タイプの
みでは精度良く検出できなかった高流速域においても加
熱電流検出タイプに大きな重み付けをすることにより精
度良く検出でき、測定可能流速範囲が拡大する。その結
果、広範囲な流速域において感度に優れた流速センサを
得ることができる。

【００６１】なお、この実施の形態では、発熱抵抗体５
により遠い位置にある感温抵抗体６ａ，７ａを流速検知
用に、より近い位置にある感温抵抗体６ｂ，７ｂを重み
付け抵抗用に使用ているが、全く逆の用い方をしても同
様の効果が得られる。またこの実施の形態では、シリコ
ン基板１を裏からエッチングして空気スペースを形成し
たダイヤフラム型構造について述べたが、これまでの実
施の形態および参考例と同様、シリコン基板１を表から
エッチングして空気スペースを形成したマイクロブリッ
ジ型構造においても、全く同様の効果が得られることは
言うまでもない。

【００６２】参考例５． 図３１は本発明の参考例５による熱式流速センサの要部
を示す上面図、図３２は図３１のＡ−Ａ´線断面図であ
る。この図では、空気スペース２はシリコン基板１を裏
からエッチングして形成されており、空気スペース２上
にダイヤフラム型薄肉部３が設けられている。

【００６３】本参考例では、以下に述べるような２つの
流速検出手段を有している。まず１つは、発熱抵抗体５
と流体温度検出用感温抵抗体８と固定抵抗によりブリッ
ジ回路を構成し、発熱抵抗体５を流れる加熱電流を検出
して流速を測定する方法である。この方法は図１８に示
した加熱電流検出タイプと全く同じである。もう１つ
は、感温抵抗体６とヒーター温度センサ３５と固定抵抗
により構成されたブリッジ回路により、感温抵抗体６と
発熱温度検出用感温抵抗体３５との温度差を検出して流
速を測定する方法である。この方法は参考例２に示した
発熱体温度５との温度差検出タイプと全く同じである。

【００６４】前にも述べたように、加熱電流タイプは低
流速域の感度が低く、温度差検出タイプは高流速域の感
度が低い。よって、図３３に示すような足し算回路を用
いて、加熱電流タイプの出力電圧２６（Ｖo1）と、定温
度点との温度差検出タイプの出力電圧３１（Ｖo3）とを
加算してやれば、お互いの短所を補うことができる。図
３３において、２７，２８，２９は重み付けのための抵
抗で、これらの値を適当に選ぶことにより、加算すると
きの比率および加算出力電圧３２の値を調節することが
できる。具体的には、加算出力電圧３２（Ｖout）は次
式（７）によって表される。

【００６５】

【数５】

【００６６】以上のように加熱電流検出タイプの出力と
発熱体温度との温度差検出タイプの出力を加算すること
により、全流速域にわたって感度の優れた流速センサを
得ることができる。

【００６７】なお、この参考例では、シリコン基板１を
裏からエッチングして空気スペースを形成したダイヤフ
ラム型構造について述べたが、これまでの実施の形態お
よび参考例と同様、シリコン基板１を表からエッチング
して空気スペースを形成したマイクロブリッジ型構造に
おいても、全く同様の効果が得られることは言うまでも
ない。

【００６８】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、発熱
部と、前記発熱部の上流側および下流側にそれぞれ配置
された上流側および下流側温度検出部と、前記発熱部と
前記上流側温度検出部間および前記発熱部と前記下流側
温度検出部間のうちの前記発熱部と前記下流側温度検出
部間のみに設けられたスリットとを半導体基板の薄肉部
に備えると共に、前記上流側温度検出部より上流側に流
体温度検出部を備え、前記発熱部を前記流体温度検出部
により検出された流体温度に対して定温度差駆動した時
に生じる前記上流側と下流側温度検出部の温度差から流
速を検出するようにしたので、流れが存在しないときの
下流側温度検出部の温度上昇が小さく、流れが存在する
ときの熱伝達により敏感となる。よって全流速域におい
て感度が向上する。また、下流側温度検出部が飽和温度
に達しにくくなり測定可能流速範囲が拡大する。

【００６９】

【００７０】

【００７１】

【００７２】

【００７３】

【００７４】

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態１による熱式流速センサ
の要部を示す上面図である。

【図２】 図１のＡ−Ａ´線断面図である。

【図３】 本発明の実施の形態１に係わる定温度差駆動
回路を簡略化して示す回路図である。

【図４】 本発明の実施の形態１に係わる温度分布図で
ある。

【図５】 本発明の実施の形態１に係わる温度差検出用
回路を簡略化して示す回路図である。

【図６】 本発明の実施の形態１に係わる別の温度差検
出用回路を簡略化して示す回路図である。

【図７】 本発明の実施の形態２による熱式流速センサ
の要部を示す上面図である。

【図８】 図７のＡ−Ａ´線断面図である。

【図９】 本発明の参考例１による熱式流速センサの要
部を示す上面図である。

【図１０】 本発明の参考例１に係わる温度差検出用回
路を示す回路図である。

【図１１】 本発明の参考例１に係わる流速と出力電圧
の関係を示す特性図である。

【図１２】 本発明の参考例２による熱式流速センサの
要部を示す上面図である。

【図１３】 本発明の参考例２に係わる温度差検出用回
路を示す回路図である。

【図１４】 本発明の参考例２に係わる抵抗体温度の流
速依存性を示す特性図である。

【図１５】 本発明の参考例２に係わる流速と感温抵抗
体の温度に応じた出力信号の関係を示す特性図である。

【図１６】 本発明の参考例３による熱式流速センサの
要部を示す上面図である。

【図１７】 図１６のＡ−Ａ´線断面図である。

【図１８】 本発明の参考例３に係わる加熱電流検出回
路を簡略化して示す回路図である。

【図１９】 本発明の参考例３に係わる温度差検出回路
を簡略化して示す回路図である。

【図２０】 本発明の参考例３に係わる加熱電流検出回
路の出力信号の流速依存性を示す特性図である。

【図２１】 本発明の参考例３に係わる加熱電流検出タ
イプの感度の流速依存性を示す特性図である。

【図２２】 本発明の参考例３に係わる温度差検出回路
の出力信号の流速依存性を示す特性図である。

【図２３】 本発明の参考例３に係わる温度差検出タイ
プの感度の流速依存性を示す特性図である。

【図２４】 本発明の参考例３に係わる加算回路を簡略
化して示す回路図である。

【図２５】 本発明の参考例４による熱式流速センサの
要部を示す上面図である。

【図２６】 図２５のＡ−Ａ´線断面図である。

【図２７】 本発明の実施の形態３による熱式流速セン
サの要部を示す上面図である。

【図２８】 図２７のＡ−Ａ´線断面図である。

【図２９】 本発明の実施の形態３に係わる加算回路を
簡略化して示す回路図である。

【図３０】 本発明の実施の形態３に係わる加算回路の
重み付け抵抗の流速依存性を示す特性図である。

【図３１】 本発明の参考例５による熱式流速センサの
要部を示す上面図である。

【図３２】 図３１のＡ−Ａ´線断面図である。

【図３３】 本発明の参考例５に係わる加算回路を簡略
化して示す回路図である。

【図３４】 従来例の熱式流速センサの要部を示す断面
図である。

【図３５】 図３４の上面図である。

【図３６】 従来例に係わる感温抵抗体温度の流速依存
性を示す特性図である。

【図３７】 従来例に係わる感温抵抗体の温度差の流速
依存性を示す特性図である。

【図３８】 従来例に係わるヒーター温度制御回路を示
す図である。

【図３９】 従来例に係わる温度差検出回路を示す図で
ある。

【図４０】 従来例に係わる薄肉部での熱伝達の様子を
説明する模式図である。

【図４１】 従来例に係わる感温抵抗体温度の流速依存
性を示す特性図である。

【符号の説明】

１ シリコン基板、 ２ 空気スペース、 ３ 薄肉
部、 ５ 発熱抵抗体、６，６ａ，６ｂ 上流側感温抵
抗体、 ７７ａ，７ｂ 下流側感温抵抗体、 ８流体温
度検出用感温抵抗体、 １１ スリット、 ３５ 発熱
温度検出用感温抵抗体。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−230808（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−89619（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−102023（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−164584（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−301121（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−145752（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01F 1/68 - 1/699

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 発熱部と、前記発熱部の上流側および下
   流側にそれぞれ配置された上流側および下流側温度検出
   部と、前記発熱部と前記上流側温度検出部間および前記
   発熱部と前記下流側温度検出部間のうちの前記発熱部と
   前記下流側温度検出部間のみに設けられたスリットとを
   半導体基板の薄肉部に備えると共に、前記上流側温度検
   出部より上流側に流体温度検出部を備え、前記発熱部を
   前記流体温度検出部により検出された流体温度に対して
   定温度差駆動した時に生じる前記上流側と下流側温度検
   出部の温度差から流速を検出するようにした熱式流速セ
   ンサ。