JP5112728B2 - 熱電対を有する流量センサ - Google Patents

Description

本発明は、基板、特に半導体基板上に集積されたヒータと２以上の感知用熱電対(6a,6b) とを有している流体の流量測定装置に関する。

流量測定装置は、感知用熱電対により測定された信号から流体の流量を測定するように構成されている。この型式の流量センサは、例えば特許文献１に記載されている。
米国特許第２００３／０１１５９５２号明細書

本発明の目的は、そのような流量測定装置の正確度を改善する手段を提供することである。

監視用信号を発生するためには少なくとも１つの監視用熱電対が基板上に設けられる。この監視用熱電対の１つの接合部は、感知用熱電対のどの接合部よりもヒータに近い位置に設けられている。監視用熱電対はヒータの両側に配置されその１つはヒータの上流に位置しており、他方の監視用熱電対はヒータの下流に位置している。
感知信号は以下説明するように幾つかの方法で装置の正確度を改善するために使用されることができる。

１つの有効な実施形態では、装置は感知信号と監視用信号との比に比例する信号を生成する手段を備えている。そのような信号はゼーベック定数およびその他の熱電対の固有の特性に対する依存度が少ない利点がある。

別の有効な実施形態では、装置は、監視用信号を一定に維持するようにヒータを流れる電流を制御する制御ループを備えている。前記特許文献１に記載されている加熱制御はよく似た効果を得ることができるけれども、その装置で測定されたヒータ温度はヒータの温度依存性の比抵抗から導出されたものであり、ゼーベック定数および上述したその他の固有の熱電対特性の変化に対する固有の補正は従来技術では達成されない。

別の有効な実施形態の装置は、アナログ・デジタル変換器を使用し、それは基準信号入力を有しており、この基準信号入力に供給される信号によって正規化された感知信号のデジタル化された値を生成する。監視用信号は基準信号入力に供給される。この測定の利点は２倍にされることである。すなわち、第１にデジタル化された信号は感知信号と監視用信号との比に対応し、上述した有利な結果が得られる。第２に、変換器の分解能は低い流量で減少し（その場合には監視用信号は大きくなる）、一方、高い流量で増加する（その場合には監視用信号は小さくなる）。これは感知信号の流量に対する依存性が流量ｋ増加と共に減少するために有効である。

これら、およびその他の有効な実施形態は、従属請求項および以下の説明において詳細に示されている。これらの説明は添付図面を参照にして行われる。

図１および２に示された装置は、シリコン基板1 による半導体チップとして設計されている。もちろん、別の半導体或いはガラス基板のような誘電体基板も同様に使用可能である。凹部または開口2 がエッチング技術により基板1 に形成され、薄膜3 により覆われている。図１および２の実施形態では、ヒータ4 は３本の並列の導体4a, 4b, 4cにより形成され、外側の２本の導体4a, 4cは電気的に並列に配置されているが、中央の導体4bは導体4a, 4cと直列である（２倍の断面積を有している）。

２個の感知用熱電対6aおよび6bはそれぞれ複数の直列の熱電対から構成され、ヒータ4 の上流側と下流側に配置されている（用語“上流”および“下流”はヒータの縦軸に垂直な流体の流動方向Ｆに関して規定される）。各感知用熱電対は集積回路の金属層中に形成された金属バー7 （図１に連続線で示されている）および集積回路のポリシリコン層中に形成されたポリシリコンバー8 （図１に点線で示されている）から構成されている。各熱電対の金属バー7 およびポリシリコンバー8 は薄膜3 上の第１の接合部9 で相互接続されている。２つの隣接する熱電対のポリシリコンバー8 および金属バー7 は第２の接合部10で相互接続され，その第２の接合部10は薄膜3 上には位置しておらず、基板1 の本体上に位置している。

このような装置の基本的な動作は例えば前記特許文献１に記載されている。流動方向Ｆに沿った流れはヒータ4 からの熱の分布を非対称にし、それにより２個の感知用熱電対6aおよび6bの第１の接合部9 における温度の差を生じさせる。同時に、第２の接合部10は熱伝導性基板1 を通しての熱交換により実質上一定の温度に維持されている。したがって、２個の感知用熱電対6aおよび6bからの電圧の差は以下の説明においては“感知信号”と呼ばれ、ヒータ4 の上流と下流の第１の接合部9 の実質的な温度差ΔＴの尺度となる。この温度差ΔＴは流れる流体の質量の尺度である。

図１および２に示されているように、２個の付加的な監視用熱電対12a, 12bが装置上に設けられており、そのそれぞれは感知用熱電対6aおよび6bの１つのほぼ中央に位置されている。図１に明らかに示されているように、１つの監視用熱電対はヒータ4 の上流に配置され、他の１つの監視用熱電対はヒータ4 の下流に配置されている。各監視用熱電対12a, 12bはこの場合にも金属バー7'およびポリシリコンバー8'から構成され、薄膜3 上の第１の接合部9'で接続されている。監視用熱電対12a, 12bの第１の接合部9'は感知用熱電対6a, 6bの第１の接合部9 よりもヒータ4 に非常に近い位置に配置され、ヒータ4 の温度に実 質的に対応した温度を有している。金属バー7'の第２の端部は例えば第２の接合部10' でポリシリコン導体13に接続されている。第２の接合部10' は、図１および２に示された実施形態では、基板1 の本体上に位置している。

それ故、各監視用熱電対12a, 12bは基板1 とヒータ4 との間の温度差に実質的に等しい電圧を生成する。監視用熱電対12a, 12bからの電圧は監視用信号ＴＰを生成するために加算される。

装置の回路の１実施形態は図５に示されている。それは、感知信号ΔＴをデジタル化するＡ／Ｄ変換器16と、ヒータ4 を通過する電流を制御するヒータ制御装置17と、デジタル化された感知信号を処理して装置を制御するマイクロ制御装置18とを備えている。全ての素子16, 17, 18の回路が基板1 上に集積されることが有利であるが、少なくとも部分的に外部部品で構成することもできる。

基本的にＡ／Ｄ変換器16は連続近似ＡＤＣ、デルタ符号化ＡＤＣ、或いはシグマ・デルタ変換器のような任意の型式のものでよい。そのような全ての変換器の設計は基準電圧Ｖref を必要とし、Ｖref により正規化された入力信号のデジタル化された値を生成する。ここで使用されている用語“正規化された”は、所定の入力電圧に対する出力値が逆数値１／Ｖref に線形的に比例するものと理解すべきである。

Ａ／Ｄ変換器16は、例えば特許公報ＤＥ１０１２９３００号に開示されているようなシグマ・デルタ変換器であることが好ましい。この文献のセクション“Ａ／Ｄワンドラ”およびその関連する図面はここで参考文献とされる。

図５に示されているように、監視用信号ＴＰは基準電圧Ｖref としてＡ／Ｄ変換器16の基準入力へ供給される。この方法の目的について以下説明する。

図５の実施形態のヒータ制御装置17はヒータ4 により消費されるパワーが一定値になるように調整する。その代わりにそれはヒータ4 を通る電流が一定値になるように調整することもできる。

図６の上方のりグラフに示されているように流量ｖの関数として温度差ΔＴの依存性が示されている。流量ゼロではΔＴ＝０である。流量の増加と共にΔＴは線形特性で上昇を開始する。しかしながら、大きい流量では、ヒータ4 の温度（およびそれ故監視用信号ＴＰ）はヒータ4 上を通過する流体の冷却効果のために実質的に減少する。したがって、流量ｖの増加に対する曲線ΔＴ（ｖ）の傾斜勾配は図６の上方のグラフに示されているように減少する。

Ａ／Ｄ変換器16のＶref が一定であるならば、Ａ／Ｄ変換器16からのデジタル値は図６の下方のグラフの“Ｖref ＝一定”の曲線にしたがうであろう。当業者にはよく知られているようにこれは大きい流量ｖに対して測定の分解能を減少させる。その理由は、Ａ／Ｄ変換器の分解能は入力電圧の範囲にわたって変化しないからである。

しかしながら、上述したようにＶref は一定ではなく、むしろ監視用信号ＴＰに設定されている。したがってＡ／Ｄ変換器の分解能はヒータ温度が高くなるとき粗になり、一方、分解能はヒータ温度が低下するとき微細になる。この結果、図６の下方のグラフに曲線 “Ｖref ＝ＴＰ”で示されているようにＡ／Ｄ変換器16の出力におけるデジタル化された信号の線形化が得られる。

したがって、基準電圧Ｖref として監視用信号ＴＰを使用することによって流量の広い範囲にわたってより一定なデジタル分解能を得ることが可能になり、それにより測定の正確度が増加し、Ａ／Ｄ変換器のビット分解能を減少させることができる。

同時に、デジタル化された値はＶref により正規化されているから、比ΔＴ：ＴＰに比例する。それ故、ゼーベック係数または使用される熱電対のその他のパラメータの変化は補償される傾向にある。そのような変化は例えば装置の全体の温度が変化したとき、或いは薄膜3 が応力にさらされたときに観察される。

この観点で、図１の設計はさらに次のような利点を有することが明らかになる。すなわち、監視用熱電対12a, 12bは並列で、感知用熱電対6a, 6bの対応する熱電対に接近しているから、薄膜3 中の歪は監視用熱電対12a, 12bおよび感知用熱電対6a, 6bの両者に同様に影響し、それ故、Ａ／Ｄ変換器16の出力値では消去される。

図７は流量センサの別の回路設計を示している。それは図６の回路とは異なっている。すなわち監視用信号ＴＰがヒータ制御装置17への入力として使用されている。この実施形態では、ヒータ制御装置17は制御ループを形成して、監視用信号ＴＰの値が一定に維持されるようにヒータ4 を流れる電流が制御される。監視用信号ＴＰは実質的に基板 1の本体とヒータ4 との間の温度差に対応しており、この実施形態では、この温度差は実質上一定に維持される。

その場合に感知信号ΔＴは流量ｖに実質上線形である。したがって、一定電圧がＡ／Ｄ変換器に対する基準電圧Ｖref として使用されることができる。しかしながら、監視用信号ＴＰの残留する変動を補償するために基準電圧Ｖref としてＴＰを使用することは依然として有効である。

図３は監視用熱電対12a, 12bの別の設計を示している。この実施形態は、第２の接合部10' （およびそれ故監視用熱電対全体）が薄膜3 上に位置され、基板1 の本体上にはない点で図１のものとは異なっている。これは監視用熱電対12a, 12bがヒータ4 の温度の変化に対してより迅速により正確に追従することができる利点を有している。

本発明のさらに別の実施形態が図４に示されている。すなわち、４個の監視用熱電対が監視用熱電対12を構成しており、ヒータ4 の導体4a, 4b, 4cの間の空隙20a, 20b中に配置されている。監視用熱電対はヒータ4 の縦軸に平行に延在している。

監視用熱電対12は２つのサプユニットから構成され、そのそれぞれは以下のように構成されている。すなわち、第１の材料、すなわち金属の第１のバー7aはヒータ4 の第１の端部からその中心部に向かって延在している。第２の材料、すなわちポリシリコンの第２のバー8aは第１のバーとの接合部9aからヒータ4 の第２の端部に向かって延在している。第１の材料の第３のバー7bは接合部10a に接続されてヒータ4 の中心部に戻るように延在している。第２の材料の第４のバー8bは接合部9bからヒータ4 の第１の端部に向かって延在している。同じ設計が第２の空隙20b 中のサブユニットにより繰返される。各サブユニットは基板1 の本体上の温度とヒータ4 の中心の温度との差を測定する。２つのサブユニットはそれらの電圧を加算するためにブリッジ22を介して直列に接続される。

図４の設計は、監視用信号ＴＰがヒータ4 の温度により密接に追従する利点がある。さらに、ヒータ4 と感知用熱電対6a, 6bとの間の空隙24中の熱伝導性の金属またはポリシリコン導線が不要となり、それは薄膜3 を通るこれらの部品間の望ましくない熱伝導を減少する。

以上説明した実施形態では、薄膜3 は基板1 の本体により支持されているチップ表面の残りの“レギュラー領域”と対照的に、“測定領域”を形成している。この測定領域はそこに配置された部品間の熱伝導をレギュラー領域よりも遥かに低くしている。それぞれの少なくとも一部において、ヒータ4 、感知用熱電対6a, 6b、および監視用熱電対は測定領域上に位置していなければならない。当業者によく知られているように、薄膜3 は種々の他の“薄膜構造”により置換されることができる。ここで用語“薄膜構造”は半導体チップ中の凹部または開口2 を覆って配置された任意の薄い構造を意味している。薄膜構造はチップの凹部または開口2 を完全に覆っている薄膜により、或いは凹部または開口上を覆い、またはその内部に突出して延在しているブリッジまたは舌部により形成されることができる。

凹部または開口2 を使用する代わりに、測定領域はまたナノポーラスのシリコン酸化物のような低い熱伝導度を有する材料の層の上部に配置されることもできる。

これまで説明した実施形態は、ヒータ4 から上流と下流に配置した２個の感知用熱電対を備えている。単一の熱電対が使用されることが可能であり、それは特に装置が１方向のみの流体の流量を測定するように設計されている場合には、例えばヒータから下流に配置され、またはヒータの上流と下流の接合部間に延在するように構成されることもできることに注意すべきである。

同様に、上記の実施形態の感知用熱電対はヒータ4 の縦軸に関して対称に配置されている。特に、装置が１方向のみの流体の流量を測定するように設計されている場合には、非対称な設計も同様に使用可能である。

ヒータ4 の中心を通って流体の流動方向Ｆに沿って延在するラインに実質的に対称である熱電対の設計が使用されることによって利点が得られる。これは装置の配置の非対称に対して補正することを可能にする。例えば、図１および３の実施形態では、監視用熱電対12a, 12bは感知用熱電対6a, 6bのそれぞれの中心に位置されている。その代わりに２つ （またはそれ以上）の監視用熱電対が対称に分布された各感知用熱電対6a, 6bに対して設けられることができ、例えば各熱電対の各端部に１つの監視用熱電対を配置することができる。

これまで説明した実施形態では、多くの温度センサは直列に接続された複数の熱電対から構成された熱電対であったが、所望の信号電圧および利用可能なスペースに応じてそれらの全てまたは一部が単一の熱電対（またはその反対）により置換されることができることに注意する必要がある。

図５および７の実施形態では、比ΔＴ：ＴＰがアナログ・デジタル変換前、または変換中に計算された。しかしながら、この比はまた、監視用値ＴＰが同様にデジタルであるならばマイクロ制御装置中で数値的に計算されてもよい。

上述の実施形態では、種々の熱電対中で使用された各熱電対または単独の熱電対はそれぞれ第１の材料と第２の材料からなる２つの導体から構成されている。共用されるゼーベック係数による利点を利用するためには全ての熱電対に対して同じ材料が使用されることが有効である。１つの材料はポリシリコンであり、他方はアルミニウムのような金属であることが好ましく、それらは共に集積回路技術で通常使用されている材料である。さらに、再度、均一な特性の熱電対を得るために、熱電対の全ての導体は基板上に付着された２つの層、例えば一方がポリシリコン層であり、他方が金属層である２つの層から製造されることが必要である。

流量センサの第１の実施形態の平面図。 図１の線II−IIに沿った概略断面図。 流量センサの第２の実施形態の平面図。 流量センサの第３の実施形態の平面図。 装置の回路の第１の実施形態のブロック図。 感知信号ΔＴと、監視用信号ＴＰと、一定および一定でないＶref 入力の質量の流の関数としての感知信号のデジタル化された値とを示す特性図。 装置の回路の第２の実施形態のブロック図。

Claims (12)

1. 基板(1) と、
   前記基板(1) 上に配置されたヒータ(4) と、
   流量を測定する流体の前記ヒータ(4) の上流位置と下流位置との間の温度差を測定して感知信号（ΔＴ）を発生する少なくとも第１および第２の感知用熱電対(6a,6b) と、
   前記ヒータから上流と下流に配置されて監視信号（ＴＰ）を発生する少なくとも第１および第２の監視用熱電対(12a,12b) と、
   制御回路（18）と、
   前記流体の流量を表す、前記感知信号（ΔＴ）と前記監視信号（ＴＰ）との比に比例する信号を生成する手段(16, 18)とを具備し、
   前記感知用熱電対(6a,6b) は前記基板上に配置され、前記ヒータ(4) に最も接近しているそれら感知用熱電対の接合部は、前記ヒータ(4) から第１の距離に配置され、
   前記監視用熱電対(12a,12b) は前記基板上に配置され、前記ヒータ(4) に最も接近している前記監視用熱電対(12a,12b) の接合部は前記ヒータ(4) から第２の距離に配置され、この第２の距離は前記第１の距離よりも小さく、
   前記制御回路（18）は、前記ヒータによる前記感知用熱電対(6a,6b) の流量に依存した加熱から前記ヒータ(4) および前記感知用熱電対(6a,6b) 上を流れる流量を測定するように構成されており、
   前記感知用熱電対(6a,6b) は前記監視用熱電対(12a,12b) と平行して延在している流量測定装置。
2. 前記感知信号（ΔＴ）は前記温度差に比例している請求項１記載の装置。
3. 前記監視信号（ＴＰ）は、第１および第２の監視熱電対からの電圧の和に対応している請求項２記載の装置。
4. 前記基板(1) は測定領域と調整領域とに分割され、前記測定領域における熱電対熱伝導は前記調整領域における熱電対熱伝導よりも低く、前記ヒータ(4) と、前記感知用熱電対(6a,6b) と、前記監視用熱電対(12a,12b) とは前記測定領域に少なくとも部分的に配置されている請求項１乃至３のいずれか１項記載の装置。
5. 前記第１および第２の感知用熱電対(6a,6b) のそれぞれの接合部(10)の幾つかは前記調整領域上に配置されている請求項４記載の装置。
6. 前記監視用熱電対(12a,12b) のそれぞれの第１の接合部(9', 9a, 9b)は前記測定領域上に配置され、前記監視用熱電対(12a,12b) のそれぞれの第２の接合部(10', 10a, 10b) は前記調整領域上に配置されている請求項４または５のいずれか１項記載の装置。
7. 前記監視用熱電対(12a,12b) のそれぞれの両方の接合部(9', 10') は前記測定領域上に配置されている請求項４または５のいずれか１項記載の装置。
8. 前記基板中に穴または凹部(2) およびその穴または凹部(2) 上に延在する薄膜構造(3) を備えており、前記測定領域は前記薄膜構造(3) によって規定されている請求項４乃至７のいずれか１項記載の装置。
9. さらに、前記監視信号（ＴＰ）を一定に維持するために、前記ヒータ(4) を流れる電流を制御する制御ループ(17)を備えている請求項１乃至８のいずれか１項記載の装置。
10. さらに、前記感知信号（ΔＴ）を変換するアナログ・デジタル変換器(16)を備え、このアナログ・デジタル変換器(16)は基準入力を有し、その基準入力における信号（Ｖref)により正規化された前記感知信号（ΔＴ）のデジタル値を生成し、
    前記監視信号（ＴＰ）が前記基準入力に供給される請求項１乃至９のいずれか１項記載の装置。
11. 前記監視用熱電対(12a,12b) は前記ヒータの縦軸に関して対称に配置されている請求項１乃至１０のいずれか１項記載の装置。
12. 前記ヒータ(4) に最も接近している前記監視用熱電対(12a,12b) の接合部(9', 9a, 9b)は、前記ヒータ(4) の温度を測定するように構成されている請求項１乃至１１のいずれか１項記載の装置。

Images