JP3705681B2

JP3705681B2 - Flow sensor

Info

Publication number: JP3705681B2
Application number: JP27783797A
Authority: JP
Inventors: 健一中村; 徳大根田; 文彦佐藤; 俊彦丹村
Original assignee: Omron Corp; Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Omron Corp; Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 1997-10-09
Filing date: 1997-10-09
Publication date: 2005-10-12
Anticipated expiration: 2017-10-09
Also published as: JPH11118553A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体の流量や流速を測定するフローセンサに関し、特に流体の移動方向の依存性をなくした新規な構造のフローセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
気体や液体などの流体の流量や流速を測定するために、ヒータ線を利用した熱式フローセンサが広く利用されている。かかるフローセンサとして、半導体基板上に形成したダイヤフラムの表面に、ヒータ線とその両側の温度センサ線とを設けたマイクロフローセンサが提案されている。
【０００３】
かかるマイクロフローセンサは、トーマスガスメータの原理に基づくものであり、その原理は、ヒータ線から発生する熱による温度分布が、流量や流速に応じて変化し、その変化した温度分布を両側の温度センサ線により検出することにある。
【０００４】
図１は、従来のマイクロフローセンサの一部を示す図である。図１（１）が平面図を、図１（２）がその断面図を示す。半導体基板１０のの表面に形成されたダイヤフラム１２上に、Ｗ字形状のヒータ線１４と、その両側に逆Ｕ字形状の温度センサ線１６，１８が設けられる。ダイヤフラム１２を形成するために、半導体基板１０の裏面側から矩形の貫通孔１１を設けることが一般に行われる。従って、ダイヤフラム１２の形状は矩形であり、それに伴い、ヒータ線１４，温度センサ線１６，１８も矩形の形状をなす。尚、貫通孔１１が設けられた半導体基板１０は、強度を補強する為に、支持基板１３に搭載される。支持基板１３には、貫通孔１１内の膨張防止の為の孔１５が形成されている。
【０００５】
流体の流量や流速を検出する為に、ヒータ線１４に電流を流すことで熱を発生させる。流速がゼロの状態では、その熱による温度分布は、ヒータ線１４の両側（紙面では左右）で対称に広がる。図中矢印２０の如き方向に流体が移動したとすると、それにより、温度分布の等温線は矢印２０の方向に広がる。即ち、等温線の形状は、ヒータ線１４の中心から楕円形上に延びる曲線である。流速が小さければ、この等温線の矢印２０方向への広がりは小さく、流速が大きければ、等温線の矢印２０方向への広がりは大きくなる。
【０００６】
温度センサ線１６，１８は例えば抵抗線で構成され、温度に応じて抵抗値が変化することを利用して、両温度センサ線１６，１８の抵抗値の違いを電圧値の違いで検出し、流速や流量の検出を行う。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来のフローセンサは、直線状に延びるヒータ線１４とその両側に並列に設けられた温度センサ線１６，１８とで構成されるので、その検出感度及び検出値に流体の移動方向に対する指向性を有する。即ち、流体の移動方向に依存して、検出感度が変化し、また検出値が変化する。
【０００８】
図２は、図１の拡大平面図である。図２（１）は、流体の移動方向がヒータ線１４に垂直の場合を示し、図２（２）は、流体の移動方向がヒータ線１４に斜めの場合を示す。図中破線で、ヒータ線１４が発生する熱の温度分布の等温線３０が示される。流体の移動方向２０がヒータ線１４に垂直の場合と、斜めの場合とでは、図示される通り等温線３０の形状が異なる。
【０００９】
図２（１）の流体の移動方向がヒータ線１４に垂直な場合は、等温線３０は、矢印２０の方向に拡がる。この例では、温度センサ線１８は等温線３０の外側に位置し、温度センサ線１６の殆どの部分は等温線３０の内側に位置する。従って、温度センサ線１８は温度が低い状態にあり、温度センサ線１６は温度が高い状態にある。従って、温度センサ線１８と１６との抵抗値の差は十分大きい。
【００１０】
それに対して、図２（２）の流体の移動方向がヒータ線１４に斜めの場合は、等温線３０は、ヒータ線１４から斜め方向に拡がる。その結果、温度センサ線１６の一部分が等温線３０の内側に位置するだけであり、残りの一部は、反対側の温度センサ線１８と同等の温度状態になる。従って、温度センサ線１８と１６との抵抗値の差は、図２（１）よりも少ない。即ち、同じ流量または流速であっても、流体の移動方向に依存して、検出される値に差が生じるのである。
【００１１】
更に、流量や流速の変化に対する両温度センサ線１６，１８の抵抗値の差の変化も、ヒータ線１４に垂直方向のほうが斜め方向の場合よりも大きくなる。図２から明らかな通り、流量や流速の変化に対して等温線３０が流速方向２０に移動するので、図２（１）の場合は、その等温線３０の移動に対して温度センサ線１６の大部分で影響を受けるのに対して、図２（２）の場合は、その等温線３０の移動の影響は温度センサ線１６の一部分である。
【００１２】
図３は、図２の二つの場合の流速と検出される電圧差との関係を示すグラフ図である。実線が図２（１）のヒータ線に垂直方向に流体が移動する場合の特性曲線であり、破線が図２（２）のヒータ線に斜め方向に流体が移動する場合の特性曲線である。この特性曲線は、流速が低い領域では、両温度センサ線の抵抗変化による両温度センサ線の電圧の差は、流速の増加に応じて増加する。しかし、流速が大きくなると、両温度センサ線での温度は殆ど同じとなるので、検出される電圧差は、低下する。
【００１３】
上記した通り、垂直方向（実線）と斜め方向（破線）とでは、同じ流速に対して検出される電圧差ΔＶが異なる。また、単位流速変化ｄｖに対する検出電圧差ΔＶの変化量ｄΔＶも、垂直方向と斜め方向とで異なる。従って、流体の移動方向が常に一定でない環境のもとでは、従来のフローセンサでは検出値に誤差が発生し、また、感度も変化する。また、流体の移動方向が常に一定であっても、フローセンサの取り付け状態によって、その検出値に誤差が発生し、斜めに取り付けられると検出感度が低下する。
【００１４】
そこで、本発明の目的は、流体の移動方向に依存せずに常に検出値が一定であり、また検出感度も高いフローセンサを提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成する為に、本発明は、ヒータ線の形状を円形にしてヒータ線が発生する熱による温度分布の等温曲線を同心円形状にする。また、ヒータ線の円形形状に伴い、その両側に設けられる温度センサ線の形状も、円形にする。即ち、温度センサ線を同心円形状にする。
【００１６】
かかる構成にすることで、流体の移動方向が如何なる方向であっても、それに伴い発生する等温曲線の拡がり形状は、常にヒータ線と温度センサ線に対して均一になり、検出値及び検出感度に流体の移動方向の依存性はなくなる。
【００１７】
上記の目的を達成する為に、本発明は、ヒータ線の両側に近接して温度センサ線を設け、流体の流量または流速に応じて変化する前記ヒータ線からの熱の温度分布の変化を前記温度センサ線により検出するフローセンサにおいて、
前記ヒータ線は、当該ヒータ線から発生する熱による等温曲線が同心円形状になるような形状を有し、前記温度センサ線は、前記同心円形状に沿った形状を有することを特徴とする。
【００１８】
上記のフローセンサによれば、流体の移動方向に依存せず、正確で高感度の流速または流量を検出することができる。
【００１９】
更に、上記の温度センサ対を、ヒータ線の第１の方向の両側とそれと異なる第２の方向の両側に設けることで、更に無指向性を高めることができる。
【００２０】
更に、上記の温度センサ対を、ヒータ線の周りに所定角度間隔で設けることで、無指向性で流速または流量を検出することができ且つその方向も検出することができる。
【００２１】
更に、ヒータ線と温度センサ線とを円形のダイヤフラム上に形成し、ヒータ線及び温度センサ線の形状も円形にすることで、ダイヤフラムに印加されるストレスを均一化して、振動に強いダイヤフラム構造にすることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。しかしながら、本発明の技術的範囲はその実施の形態に限定されるものではない。
【００２３】
図４は、本発明の実施の形態例のフローセンサの構造を示す図である。図４（１）はその平面図、図４（２）はその断面図である。本実施の形態例でも、半導体基板１０の裏面側から貫通孔２１を形成し、窒化シリコン膜とシリコン酸化膜などからなるダイヤフラム２２が貫通孔２１を覆うように形成される。但し、貫通孔２１の形状は平面図で円形をなす。具体的には、基板１０の裏面側から円形のマスク膜を利用した等方性エッチング法により形成することができる。
【００２４】
ダイヤフラム２２上に、両端が接続電極２４Ａ，２４Ｂに接続された渦巻き状のヒータ線２４が形成される。更に、そのヒータ線２４の上下に、同様に同心円形状の温度センサ線２６と２８とが形成される。これらの温度センサ線２６，２８は、その両端でそれぞれ接続電極２６Ａ，２６Ｂ及び２８Ａ、２８Ｂに接続される。図４の例では、温度センサ線２６，２８は、その感度を上げる為にヒータ線２４を中心とする５重の同心円形状になっている。そして、温度センサ線２６は、ヒータ線２４の下側に、温度センサ線２８はヒータ線２４の上側に点対称に配置される。
【００２５】
ダイヤフラム２２は、主に温度センサ線２６，２８やヒータ線２４を熱容量の大きい基板１０から熱絶縁する為に設けられる。そして、本実施の形態例では、温度センサ線２６，２８がヒータ線２４の中心に対して同心円形状をなすので、ダイヤフラム２２の形状も同様に円形になる。その結果、ダイヤフラム２２上で基板１０から各温度センサ線２６，２８までの距離が等しくなり、基板１０からの熱伝導による影響が等しくなる。
【００２６】
かかる構造にすることで、図中方向４０，４２，４４のいずれの方向から流体が移動してきても、それぞれの方向に対して形成される等温線の拡がり形状が、いずれも中心に対して同じ形状となる。従って、検出される流量や流速値は流体の移動方向に依存せず常に同じ値となる。更に、検出感度も方向に依存せず常に最大値となる。
【００２７】
尚、図中、１３は半導体基板１０を支持する支持基板であり、半導体基板１０の貫通孔２１に対応する位置に貫通孔２１内の膨張防止の為の孔１５が設けられる。但し、ダイヤフラム２２に同様の孔を形成しても、貫通孔２１の膨張防止を行うことができる。従って、ダイヤフラム２２は貫通孔２１を完全に覆う必要はない。
【００２８】
図５は、図４のフローセンサのダイヤフラム上のヒータ線及び温度センサ線の構造の拡大図である。図５によれば、ヒータ線２４の渦巻き形状、温度センサ線２６，２８の同心円形状がより明確に示される。そして、図５には、方向４０の場合の等温線（破線）３０Ａと、方向４４の場合の等温線（一点鎖線）３０Ｂが示される。いずれの場合も、等温線３０の拡がりに対する温度センサ線２６の位置関係は、全く同じである。従って、同じ流速であれば、方向性に依存せずに検出される値が同じであり、検出感度も同じ高い状態に維持される。
【００２９】
但し、図５から明らかな通り、方向４０に垂直方向の流体の移動に対しては、その流量や流速を検出することはできない。これを解決することができるフローセンサの例は後述する。
【００３０】
図４及び図５に示されたフローセンサは、ヒータ線や温度センサ線が円形をなすので、ダイヤフラム２２の形状も円形にされる。その為に貫通孔２１は円形状に加工される。その結果、ダイヤフラム２２と半導体基板１０との間のストレス、ダイヤフラム２２とその上のヒータ線２４や温度センサ線２６，２８との間のストレスは、均等となり、ダイヤフラムの対振動強度を高くすることができる。従って、流体の移動によりダイヤフラム２２が振動してもその強度が高いので、フローセンサが破損することは避けられる。
【００３１】
図６は、図４及び図５に示した実施の形態例を更に高感度、高精度にしたフローセンサの平面図である。また、図７はそのヒータ線と温度センサ線の拡大平面図である。この例では、ヒータ線２４の両側に点対称に設けられる温度センサ線を、２本づつ合計４本とする。そして、図８の検出回路に示される通り、それらの温度センサ線の抵抗Ｒ１１〜Ｒ１４を、ホイートストーンブリッジ構成に接続し、それぞれの接続点Ｖ１，Ｖ２の電圧差ΔＶを増幅器３８で増幅して流速または流量を検出する。
【００３２】
図６と図７に示される通り、点対称形状に形成されたヒータ線２４の下側に温度センサ線２６（Ｒ１１）と３６（Ｒ１２）が並列に１往復半、ヒータ線に対して点対称に形成される。同様に、ヒータ線２４の上側に温度センサ線２８（Ｒ１３）と３８（Ｒ１４）が並列に１往復半、ヒータ線に対して点対称に形成される。それぞれの温度センサ線は、周囲に形成された電極２６Ａ，２６Ｂ間、３６Ａ，３６Ｂ間、３８Ａ，３８Ｂ間、２８Ａ，２８Ｂ間にそれぞれ設けられる。
【００３３】
そして、ヒータ線２４に近い側に設けられた一対の温度センサ線２６（Ｒ１１）と３８（Ｒ１４）とが、図８に示される検出回路の通り直列に接続され、一定電圧Ｖ０が印加される。同様に、ヒータ線２４に遠い側に設けられた一対の温度センサ線３６（Ｒ１２）と２８（Ｒ１３）とが、図８に示される通り直列に接続され、一定電圧Ｖ０が印加される。そして、その接続点の電圧Ｖ１，Ｖ２の差電圧が検出される。
【００３４】
かかる構成にすることで、検出回路であるホイートストーンブリッジ回路の各抵抗は、流速ゼロの状態では全く同じ温度下におかれるので、全ての抵抗値が等しくなる。従って、この検出回路により流体の移動に伴う温度分布の変化による各温度センサ線の抵抗値の変化を最も感度高く検出することができる。即ち、図面の上方向から下方向に流体が流れる場合、それにより、図面下側の下流側に位置する温度センサ線２６（Ｒ１１），３６（Ｒ１２）の温度が上昇し抵抗値が上昇する。また、図面上側の上流に位置する温度センサ線２８（Ｒ１３），３８（Ｒ１４）の抵抗値は低下する。その結果、直列回路の電圧Ｖ１は、抵抗Ｒ１１の上昇と抵抗Ｒ１４の低下によりより一層低くなる。一方、直列回路の電圧Ｖ２は、抵抗Ｒ１２の上昇と抵抗Ｒ１３の低下によりより一層高くなる。従って、それぞれの抵抗値の変化による増幅作用が働き、電圧差ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１はより大きく増幅される。
【００３５】
上記の通り、ヒータ線２４の両側にそれぞれ一対の温度センサ線を設けることで、無指向性のフローセンサの感度は向上する。
【００３６】
図９は、更に無指向性を向上させたフローセンサの拡大平面図である。この例では、温度センサ線は、ヒータ線２４の第１の方向の両側に設けられる第１の一対の温度センサ線２６，２８と、ヒータ線２４の第１の方向と異なる第２の方向の両側に設けられる第２の一対の温度センサ線４６，４８とを少なくとも有する。
【００３７】
即ち、図４及び図５に示した実施の形態例では、ヒータ線の両側に温度センサ線２６，２８を設けたので、その温度センサ２６，２８を横切る方向４０〜４２に流体が移動する場合は、その方向に依存することなく流速を検出することができるが、方向４０と垂直の方向に流体が移動する場合は、検出することができない。また、方向４０と垂直の方向に近い方向に流体が移動する場合は、検出感度が低下する。
【００３８】
そこで、図９の実施の形態例では、ヒータ線２４の両側に設けた一対の温度センサ線２６，２８に加えて、それらと９０°異なる方向の両側に一対の温度センサ線４６，４８を設ける。その結果、方向４０と垂直の方向４６に流体が移動する場合でも、新たに加えた１対の温度センサ線４６，４８により正確に流速を検出することができる。
【００３９】
図９の実施の形態例では、温度センサ線２６，２８を利用することで、方向４０から両側に４５°ずれた方向の流速を、その範囲では方向に依存することなく、高精度に検出することができる。一方、温度センサ線３６，３８を利用することで、方向４６から両側に４５°ずれた方向の流速を、その範囲では方向に依存することなく、高精度に検出することができる。従って、図９によれば、３６０°の方向に対して流速を高精度に検出することができる。更に、９０°毎ではあるが、流速の方向も検出することができる。
【００４０】
この例では、温度センサ線４６，４８は、両側の電極４６Ａ，４６Ｂと４８Ａ，４８Ｂとに接続される。また、温度センサ線２６，２８は、両側の電極２６Ａ，２６Ｂと２８Ａ，２８Ｂとに接続される。従って、それぞれの電極を導出する部分で、２層配線構造が利用される。
【００４１】
図１０は、流体の移動方向も検出することができる無指向性のフローセンサの平面図である。この例は、３０°毎の流体の移動方向を検出することができるように、温度センサ線対２６１と２８１、２６２と２８２、２６３と２８３、２６４と２８４、２６５と２８５、及び２６６と２８６が、それぞれヒータ線２４の両側に３０°づつシフトして配置される。
【００４２】
従って、温度センサ線対２６１から２８１方向、或いはその逆方向に流れる流体の流速を、この温度センサ線対２６１，２８１により検出することができる。同様に、３０°づつシフトした方向の流体の流速を対応する温度センサ線対により検出することができる。温度センサ線の長さが短くならない様に、それぞれの温度センサ線が図５の如き多重化された配線構造をとることが好ましい。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明によれば、ヒータ線の形状をそれから発生する等温線が同心円形状になる様に構成し、その両側の温度センサ線をその同心円形状に沿って並列になるような形状にすることで、流体の移動方向に依存しないでその流速を検出することができる。
【００４４】
更に、ヒータ線の両側にそれぞれ１対の温度センサ線を同心円形状に形成することで、検出回路のホイートストーンブリッジ回路の４つの抵抗値を流速ゼロで常に等しくすることができ、より高精度のフローセンサを実現することができる。
【００４５】
更に、温度センサ線対を異なる方向に複数対設けることで、より無指向性を高めたフローセンサを実現できる。また、複数対の温度センサ線対を所定の角度毎に配置することで、流体の移動方向も併せて検出することができる。
【００４６】
更に、ヒータ線と温度センサ線とを円形のダイヤフラム上に形成し、ヒータ線及び温度センサ線の形状も円形にすることで、ダイヤフラムに印加されるストレスを均一化して、振動に強いダイヤフラム構造にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のマイクロフローセンサの一部を示す図である。
【図２】図１の拡大平面図である。
【図３】図２の二つの場合の流速と検出される電圧差との関係を示すグラフ図である。
【図４】本発明の実施の形態例のフローセンサの構造を示す図である。
【図５】図４のフローセンサのダイヤフラム上のヒータ線及び温度センサ線の構造の拡大図である。
【図６】図４及び図５に示した実施の形態例を更に高感度、高精度にしたフローセンサの平面図である。
【図７】図６のヒータ線と温度センサ線の拡大平面図である。
【図８】図６，７の検出回路である。
【図９】無指向性を向上させたフローセンサの拡大平面図である。
【図１０】流体の移動方向も検出することができる無指向性のフローセンサの平面図である。
【符号の説明】
２４ヒータ線
２６，２８温度センサ線
３６，３８温度センサ線
２２ダイヤフラム
２１貫通孔[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a flow sensor that measures the flow rate and flow velocity of a fluid, and more particularly to a flow sensor having a novel structure that eliminates the dependency of the direction of fluid movement.
[0002]
[Prior art]
In order to measure the flow rate and flow velocity of a fluid such as gas or liquid, a thermal flow sensor using a heater wire is widely used. As such a flow sensor, a micro flow sensor has been proposed in which a heater wire and temperature sensor wires on both sides thereof are provided on the surface of a diaphragm formed on a semiconductor substrate.
[0003]
Such a micro flow sensor is based on the principle of a Thomas gas meter, and the principle is that the temperature distribution due to heat generated from the heater wire changes according to the flow rate or flow velocity, and the changed temperature distribution is used as the temperature sensor on both sides. Detecting with lines.
[0004]
FIG. 1 is a diagram showing a part of a conventional microflow sensor. FIG. 1A is a plan view, and FIG. 1B is a cross-sectional view thereof. A W-shaped heater wire 14 and inverted U-shaped temperature sensor wires 16 and 18 are provided on both sides of the diaphragm 12 formed on the surface of the semiconductor substrate 10. In order to form the diaphragm 12, a rectangular through hole 11 is generally provided from the back side of the semiconductor substrate 10. Accordingly, the shape of the diaphragm 12 is rectangular, and accordingly, the heater wire 14 and the temperature sensor wires 16 and 18 also have a rectangular shape. The semiconductor substrate 10 provided with the through holes 11 is mounted on the support substrate 13 in order to reinforce the strength. A hole 15 for preventing expansion in the through hole 11 is formed in the support substrate 13.
[0005]
In order to detect the flow rate and flow rate of the fluid, heat is generated by passing an electric current through the heater wire 14. In the state where the flow velocity is zero, the temperature distribution due to the heat spreads symmetrically on both sides of the heater wire 14 (left and right on the paper surface). Assuming that the fluid moves in the direction indicated by the arrow 20 in the figure, the temperature distribution isotherm widens in the direction indicated by the arrow 20. That is, the shape of the isotherm is a curve that extends elliptically from the center of the heater wire 14. If the flow rate is small, the isotherm spreads in the direction of the arrow 20 is small, and if the flow rate is large, the spread of the isotherm in the direction of the arrow 20 is large.
[0006]
The temperature sensor lines 16 and 18 are composed of, for example, resistance lines, and the difference in resistance value between the temperature sensor lines 16 and 18 is detected from the difference in voltage value by utilizing the fact that the resistance value changes according to the temperature. Detects flow rate and flow rate.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional flow sensor described above is composed of the linearly extending heater wire 14 and the temperature sensor wires 16 and 18 provided in parallel on both sides thereof. Directivity for That is, the detection sensitivity changes and the detection value changes depending on the moving direction of the fluid.
[0008]
FIG. 2 is an enlarged plan view of FIG. 2 (1) shows the case where the fluid moving direction is perpendicular to the heater wire 14, and FIG. 2 (2) shows the case where the fluid moving direction is oblique to the heater wire 14. The isotherm 30 of the temperature distribution of the heat generated by the heater wire 14 is indicated by a broken line in the figure. The shape of the isotherm 30 is different between when the fluid moving direction 20 is perpendicular to the heater wire 14 and when it is oblique.
[0009]
When the fluid moving direction in FIG. 2 (1) is perpendicular to the heater wire 14, the isotherm 30 extends in the direction of the arrow 20. In this example, the temperature sensor line 18 is located outside the isotherm 30, and most of the temperature sensor line 16 is located inside the isotherm 30. Therefore, the temperature sensor line 18 is in a low temperature state, and the temperature sensor line 16 is in a high temperature state. Therefore, the difference in resistance value between the temperature sensor wires 18 and 16 is sufficiently large.
[0010]
On the other hand, when the moving direction of the fluid in FIG. 2B is oblique to the heater wire 14, the isothermal line 30 extends obliquely from the heater wire 14. As a result, only a part of the temperature sensor line 16 is located inside the isothermal line 30, and the remaining part is in a temperature state equivalent to the temperature sensor line 18 on the opposite side. Therefore, the difference in resistance value between the temperature sensor lines 18 and 16 is smaller than that in FIG. That is, even if the flow rate or flow rate is the same, the detected value differs depending on the moving direction of the fluid.
[0011]
Furthermore, the change in the resistance value difference between the temperature sensor wires 16 and 18 with respect to the change in flow rate and flow velocity is also greater in the direction perpendicular to the heater wire 14 than in the oblique direction. As is clear from FIG. 2, the isotherm 30 moves in the flow velocity direction 20 with respect to changes in the flow rate and flow velocity. Therefore, in the case of FIG. In the case of FIG. 2 (2), the influence of the movement of the isothermal line 30 is a part of the temperature sensor line 16, while being largely affected.
[0012]
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the flow velocity and the detected voltage difference in the two cases of FIG. A solid line is a characteristic curve when the fluid moves in a direction perpendicular to the heater line in FIG. 2A, and a broken line is a characteristic curve when the fluid moves in an oblique direction to the heater line in FIG. In this characteristic curve, in the region where the flow velocity is low, the voltage difference between both temperature sensor lines due to the resistance change of both temperature sensor wires increases as the flow velocity increases. However, as the flow rate increases, the temperature at both temperature sensor lines becomes almost the same, and the detected voltage difference decreases.
[0013]
As described above, the voltage difference ΔV detected for the same flow velocity differs between the vertical direction (solid line) and the diagonal direction (broken line). The change amount dΔV of the detected voltage difference ΔV with respect to the unit flow rate change dv is also different between the vertical direction and the oblique direction. Therefore, under an environment where the moving direction of the fluid is not always constant, an error occurs in the detection value in the conventional flow sensor, and the sensitivity also changes. Moreover, even if the moving direction of the fluid is always constant, an error occurs in the detection value depending on the attachment state of the flow sensor, and the detection sensitivity is lowered when it is attached obliquely.
[0014]
Therefore, an object of the present invention is to provide a flow sensor in which the detection value is always constant and the detection sensitivity is high without depending on the moving direction of the fluid.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the present invention, the shape of the heater wire is made circular, and the isothermal curve of the temperature distribution due to the heat generated by the heater wire is made concentric. Further, along with the circular shape of the heater wire, the shape of the temperature sensor wire provided on both sides thereof is also made circular. That is, the temperature sensor line is concentric.
[0016]
With this configuration, regardless of the direction of fluid movement, the spread shape of the isothermal curve that occurs is always uniform with respect to the heater wire and the temperature sensor wire, resulting in a detection value and detection sensitivity. The dependence of the direction of fluid movement is eliminated.
[0017]
In order to achieve the above object, the present invention provides a temperature sensor wire adjacent to both sides of the heater wire, and changes the temperature distribution of heat from the heater wire that changes according to the flow rate or flow velocity of the fluid. In the flow sensor that detects by the temperature sensor wire,
The heater wire has a shape such that an isothermal curve due to heat generated from the heater wire has a concentric shape, and the temperature sensor wire has a shape along the concentric shape.
[0018]
According to the above flow sensor, an accurate and highly sensitive flow velocity or flow rate can be detected without depending on the moving direction of the fluid.
[0019]
Furthermore, by providing the temperature sensor pair on both sides in the first direction of the heater wire and on both sides in the second direction different from the temperature sensor pair, omnidirectionality can be further enhanced.
[0020]
Furthermore, by providing the temperature sensor pair at predetermined angular intervals around the heater wire, the flow velocity or flow rate can be detected non-directionally and the direction thereof can also be detected.
[0021]
Furthermore, the heater wire and the temperature sensor wire are formed on a circular diaphragm, and the heater wire and the temperature sensor wire are also made circular in shape, so that the stress applied to the diaphragm is made uniform and a diaphragm structure that is resistant to vibration is obtained. can do.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the technical scope of the present invention is not limited to the embodiment.
[0023]
FIG. 4 is a diagram showing the structure of the flow sensor according to the embodiment of the present invention. 4 (1) is a plan view thereof, and FIG. 4 (2) is a sectional view thereof. Also in the present embodiment, the through hole 21 is formed from the back side of the semiconductor substrate 10, and the diaphragm 22 made of a silicon nitride film and a silicon oxide film is formed so as to cover the through hole 21. However, the shape of the through hole 21 is circular in a plan view. Specifically, it can be formed from the back side of the substrate 10 by an isotropic etching method using a circular mask film.
[0024]
On the diaphragm 22, a spiral heater wire 24 having both ends connected to the connection electrodes 24A and 24B is formed. Furthermore, concentric temperature sensor wires 26 and 28 are formed on the upper and lower sides of the heater wire 24 in the same manner. These temperature sensor lines 26 and 28 are connected to connection electrodes 26A and 26B and 28A and 28B, respectively, at both ends thereof. In the example of FIG. 4, the temperature sensor wires 26 and 28 have a five-fold concentric shape centered on the heater wire 24 in order to increase the sensitivity. The temperature sensor line 26 is arranged point-symmetrically below the heater line 24, and the temperature sensor line 28 is arranged point-symmetrically above the heater line 24.
[0025]
The diaphragm 22 is mainly provided to thermally insulate the temperature sensor wires 26 and 28 and the heater wire 24 from the substrate 10 having a large heat capacity. In this embodiment, the temperature sensor wires 26 and 28 are concentric with respect to the center of the heater wire 24, so that the shape of the diaphragm 22 is also circular. As a result, the distances from the substrate 10 to the temperature sensor lines 26 and 28 on the diaphragm 22 are equal, and the influence of heat conduction from the substrate 10 is equal.
[0026]
By adopting such a structure, even if the fluid moves from any of the directions 40, 42, and 44 in the figure, the shape of the isotherm formed in each direction is the same with respect to the center. It becomes a shape. Therefore, the detected flow rate and flow velocity value are always the same value regardless of the moving direction of the fluid. Further, the detection sensitivity is always the maximum value regardless of the direction.
[0027]
In the figure, reference numeral 13 denotes a support substrate for supporting the semiconductor substrate 10, and a hole 15 for preventing expansion in the through hole 21 is provided at a position corresponding to the through hole 21 of the semiconductor substrate 10. However, even if a similar hole is formed in the diaphragm 22, the expansion of the through hole 21 can be prevented. Therefore, the diaphragm 22 need not completely cover the through hole 21.
[0028]
FIG. 5 is an enlarged view of the structure of the heater wire and the temperature sensor wire on the diaphragm of the flow sensor of FIG. According to FIG. 5, the spiral shape of the heater wire 24 and the concentric circular shape of the temperature sensor wires 26 and 28 are more clearly shown. FIG. 5 shows an isotherm (broken line) 30A in the case of the direction 40 and an isotherm (one-dot chain line) 30B in the case of the direction 44. In any case, the positional relationship of the temperature sensor line 26 with respect to the spread of the isothermal line 30 is exactly the same. Therefore, if the flow rate is the same, the value detected without depending on the directionality is the same, and the detection sensitivity is maintained at the same high level.
[0029]
However, as apparent from FIG. 5, the flow rate and flow velocity cannot be detected for the movement of the fluid in the direction perpendicular to the direction 40. An example of a flow sensor that can solve this will be described later.
[0030]
In the flow sensor shown in FIGS. 4 and 5, the heater wire and the temperature sensor wire are circular, so that the shape of the diaphragm 22 is also circular. For this purpose, the through hole 21 is processed into a circular shape. As a result, the stress between the diaphragm 22 and the semiconductor substrate 10 and the stress between the diaphragm 22 and the heater wire 24 and the temperature sensor wires 26 and 28 on the diaphragm 22 are equalized, and the vibration resistance of the diaphragm is increased. Can do. Therefore, even if the diaphragm 22 vibrates due to the movement of the fluid, its strength is high, so that the flow sensor can be prevented from being damaged.
[0031]
FIG. 6 is a plan view of the flow sensor in which the embodiment shown in FIGS. 4 and 5 is further highly sensitive and accurate. FIG. 7 is an enlarged plan view of the heater wire and the temperature sensor wire. In this example, it is assumed that the temperature sensor lines provided symmetrically on both sides of the heater line 24 are four in total. Then, as shown in the detection circuit of FIG. 8, the resistors R11 to R14 of these temperature sensor lines are connected in a Wheatstone bridge configuration, and the voltage difference ΔV between the connection points V1 and V2 is amplified by the amplifier 38. To detect the flow rate or flow rate.
[0032]
As shown in FIGS. 6 and 7, the temperature sensor lines 26 (R11) and 36 (R12) are parallel to the lower side of the heater wire 24 formed in a point-symmetric shape, and are point-symmetric with respect to the heater wire. Formed. Similarly, on the upper side of the heater wire 24, temperature sensor wires 28 (R13) and 38 (R14) are formed in parallel for one reciprocal half and point-symmetric with respect to the heater wire. Each temperature sensor line is provided between the electrodes 26A and 26B, 36A and 36B, 38A and 38B, and 28A and 28B formed on the periphery.
[0033]
Then, a pair of temperature sensor wires 26 (R11) and 38 (R14) provided on the side closer to the heater wire 24 are connected in series as shown in the detection circuit shown in FIG. 8, and a constant voltage V0 is applied. . Similarly, a pair of temperature sensor wires 36 (R12) and 28 (R13) provided on the side far from the heater wire 24 are connected in series as shown in FIG. 8, and a constant voltage V0 is applied. Then, the difference voltage between the voltages V1 and V2 at the connection point is detected.
[0034]
By adopting such a configuration, each resistance of the Wheatstone bridge circuit as the detection circuit is kept at the same temperature when the flow velocity is zero, so that all resistance values are equal. Therefore, this detection circuit can detect the change in resistance value of each temperature sensor line due to the change in temperature distribution accompanying the movement of the fluid with the highest sensitivity. That is, when the fluid flows from the upper side to the lower side of the drawing, the temperature of the temperature sensor wires 26 (R11) and 36 (R12) located on the downstream side of the lower side of the drawing rises and the resistance value rises. Further, the resistance values of the temperature sensor lines 28 (R13) and 38 (R14) located upstream in the upper side of the drawing are lowered. As a result, the voltage V1 of the series circuit becomes even lower due to the increase in the resistance R11 and the decrease in the resistance R14. On the other hand, the voltage V2 of the series circuit becomes higher due to the rise of the resistor R12 and the fall of the resistor R13. Therefore, an amplifying action due to a change in the respective resistance values works, and the voltage difference ΔV = V2−V1 is further amplified.
[0035]
As described above, by providing a pair of temperature sensor wires on both sides of the heater wire 24, the sensitivity of the non-directional flow sensor is improved.
[0036]
FIG. 9 is an enlarged plan view of the flow sensor with further improved omnidirectionality. In this example, the temperature sensor lines include a first pair of temperature sensor lines 26 and 28 provided on both sides of the heater line 24 in the first direction, and a second direction different from the first direction of the heater line 24. It has at least a second pair of temperature sensor lines 46 and 48 provided on both sides.
[0037]
That is, in the embodiment shown in FIGS. 4 and 5, since the temperature sensor wires 26 and 28 are provided on both sides of the heater wire, the fluid moves in the direction 40 to 42 across the temperature sensors 26 and 28. Can detect the flow velocity without depending on the direction, but cannot detect when the fluid moves in a direction perpendicular to the direction 40. In addition, when the fluid moves in a direction close to the direction perpendicular to the direction 40, the detection sensitivity decreases.
[0038]
Therefore, in the embodiment of FIG. 9, in addition to the pair of temperature sensor lines 26 and 28 provided on both sides of the heater wire 24, a pair of temperature sensor lines 46 and 48 are provided on both sides in a direction 90 ° different from them. . As a result, even when the fluid moves in the direction 46 perpendicular to the direction 40, the flow velocity can be accurately detected by the newly added pair of temperature sensor lines 46 and 48.
[0039]
In the embodiment of FIG. 9, by using the temperature sensor lines 26 and 28, the flow velocity in the direction shifted by 45 ° on both sides from the direction 40 is detected with high accuracy without depending on the direction in that range. be able to. On the other hand, by using the temperature sensor lines 36 and 38, the flow velocity in the direction shifted by 45 ° on both sides from the direction 46 can be detected with high accuracy without depending on the direction in that range. Therefore, according to FIG. 9, the flow velocity can be detected with high accuracy in the direction of 360 °. Furthermore, although it is every 90 °, the direction of the flow velocity can also be detected.
[0040]
In this example, the temperature sensor lines 46 and 48 are connected to the electrodes 46A and 46B and 48A and 48B on both sides. The temperature sensor lines 26 and 28 are connected to the electrodes 26A and 26B and 28A and 28B on both sides. Therefore, a two-layer wiring structure is used in a portion where each electrode is derived.
[0041]
FIG. 10 is a plan view of an omnidirectional flow sensor that can also detect the direction of fluid movement. In this example, the temperature sensor line pairs 261 and 281, 262 and 282, 263 and 283, 264 and 284, 265 and 285, and 266 and 286 are provided so that the moving direction of the fluid can be detected every 30 °. , And shifted by 30 ° on both sides of the heater wire 24, respectively.
[0042]
Therefore, the flow rate of the fluid flowing from the temperature sensor line pair 261 to 281 or in the opposite direction can be detected by the temperature sensor line pair 261,281. Similarly, the fluid flow velocity in the direction shifted by 30 ° can be detected by the corresponding temperature sensor line pair. It is preferable that each temperature sensor line has a multiplexed wiring structure as shown in FIG. 5 so that the length of the temperature sensor line is not shortened.
[0043]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the shape of the heater wire is configured so that the isotherm generated therefrom is concentric, and the temperature sensor wires on both sides thereof are arranged in parallel along the concentric shape. Thus, the flow velocity can be detected without depending on the moving direction of the fluid.
[0044]
Furthermore, by forming a pair of temperature sensor wires on both sides of the heater wire in a concentric shape, the four resistance values of the Wheatstone bridge circuit of the detection circuit can always be made equal at zero flow rate for higher accuracy. The flow sensor can be realized.
[0045]
Furthermore, by providing a plurality of temperature sensor line pairs in different directions, a flow sensor with higher omnidirectionality can be realized. Further, by arranging a plurality of pairs of temperature sensor lines for each predetermined angle, the moving direction of the fluid can also be detected.
[0046]
Furthermore, the heater wire and the temperature sensor wire are formed on a circular diaphragm, and the heater wire and the temperature sensor wire are also made circular, so that the stress applied to the diaphragm is made uniform and the diaphragm structure is strong against vibration. can do.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a part of a conventional microflow sensor.
FIG. 2 is an enlarged plan view of FIG. 1;
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the flow velocity and the detected voltage difference in the two cases of FIG. 2;
FIG. 4 is a diagram showing the structure of a flow sensor according to an embodiment of the present invention.
5 is an enlarged view of a structure of a heater wire and a temperature sensor wire on a diaphragm of the flow sensor of FIG.
6 is a plan view of a flow sensor in which the embodiment shown in FIGS. 4 and 5 is further highly sensitive and accurate. FIG.
7 is an enlarged plan view of a heater wire and a temperature sensor wire in FIG. 6. FIG.
8 is a detection circuit of FIGS. 6 and 7. FIG.
FIG. 9 is an enlarged plan view of a flow sensor with improved omnidirectionality.
FIG. 10 is a plan view of an omnidirectional flow sensor that can also detect the moving direction of a fluid.
[Explanation of symbols]
24 Heater wires 26, 28 Temperature sensor wires 36, 38 Temperature sensor wires 22 Diaphragm 21 Through-hole

Claims

In the flow sensor for providing a temperature sensor line adjacent to both sides of the heater line and detecting a change in the temperature distribution of the heat from the heater line that changes in accordance with the flow rate or flow velocity of the fluid by the temperature sensor line,
The heater wire has a shape such that an isothermal curve due to heat generated from the heater wire is concentric.
The temperature sensor lines include a first pair of temperature sensor lines provided on both sides of the heater line in a first direction, and a second pair provided on both sides in a second direction different from the first direction of the heater line. A pair of temperature sensor wires, and each of the first and second pair of temperature sensor wires has a circular shape along the concentric circle shape and is located opposite to both sides of the heater wire. A flow sensor having a semicircular shape .

2. The flow sensor according to claim 1, wherein the first and second directions are directions different from each other by 90 degrees .