JPH0198926A - 質量流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、測定流体が流れることによって渦発生体に発
生するカルマン渦に起因する渦信号から測定流体の質量
流量を測定する質ｍ流量計に係り、特に微少な質量流量
を測定することが出来るように改良した質量流量計に関
する。

〈従来の技術〉 第５図は従来の質量流量計の構成を示す構成図図である
。

１０は円筒状の金属製の流体管路であり、この中に測定
流体が紙面に直角方向に流される。１１はこの流体管路
１０に直角に設けられた円筒状のノズルである。

１２はノズル１１とは間隔を保って流体管路１０に直角
に挿入された台形断面を持つ柱状の渦発生体であり、そ
の一端は支持棒１３で流体管路１０に支持され、他端は
フランジ部１４でノズル１１にネジ或いは溶接により固
定されている。

１５は渦発生体１２の７ランジ部１４側に設けられた凹
部である。この凹部１５の中にはその底部に台座１６が
、この上に圧電素子１７がそれぞれ配列され、これ等を
押圧棒１８で凹部１５の底部に押圧固定している。

圧電素子１７はその厚みが０．５〜０．３ｍｍ程度であ
り、その上に流れの方向に対して左右に分割された一対
の電極が配置されている。

圧電素子１７の一対の電極からはリード線１９．２０が
引き出され、このリード線１９．２０に得られた渦信号
は信号処理回路２１に入力される。

信号処理回路２１ではこの渦信号の周波数と振幅とを用
いて質量流量の演算がなされ、出力端２２に質量流量信
号が出力される。

以上の構成において、測定流体が流体管路１０に流され
ると渦発生体１２はカルマン渦を発生し、これにより渦
発生体１２の長手方向に直角方向に交番力Ｆを発生する
。この交番力Ｆにより渦発生体１２の中立軸に対して長
手方向の左右にそれぞれ圧縮応力と引張応力がその軸方
向に交互に発生する。

圧電素子１７はこの圧縮応力と引張応力とを交互に受け
て圧電素子の表面に設けられた一対の電極に交互に極性
の異なる電荷を発生する。この電荷はリード線１９．２
０を介して信号処理回路２１に入力され対応する電圧に
変換ぎれる。この電圧の持つ周波数Ｆ＋は、流速をＶと
すればＦ＋　”Ｖ　　　　　　　　−（１） となり、またその振幅Ｓ１は流体の密度をρとすれば Ｓ＋　”／）Ｖ２　　　　−　（２） となる。従って、信号処理回路２１でＳ　＋　／　Ｆ　
＋なる演算を実行すれば Ｓ　冒　／　Ｆ　１　（コー＝：　ρ　Ｖ　　　　　　
　　・・・　（３）となり、質量流量ρＶを求めること
ができる。

この様な質量流量計は、同一のセンサからの渦信号を用
いて質量流量を検出することができ、かつ渦検出素子が
測定一体に直接触れないので信頼性が高く苛酷な条件の
流体にも適用できるなどの各種の利点を有している。

〈発明が解決しようとする問題点〉 しかしながら、この様な従来の質量流量計は以下に説明
する問題点がある。

この従来の質量流量計の渦発生体は金属を加工して製作
するので口径が小さくなると必要な加工精度を得ること
が出来ず、また圧電素子それ自体も現在より薄く小さく
することは出来ず、その上に流体管路の内面の粗さの影
響も口径が小さくなると相対的に大きくなってあられれ
る。

従って、この従来の質量流量計はこの構成の延長線上で
口径を小さくして微少流量を測定することが出来るよう
にすることが難しい、という問題がある。

く問題点を解決するための手段〉 この発明は、以上の問題点を解決するために、半導体チ
ップの内部に異方性エツチングで形成され少なくとも一
部に薄肉部を持つ流体通路と、異方性エツチングで形成
され流体通路の内部に突出してこの流体通路に流れる測
定流体の流量に対応した渦を発生させる渦発生体と、薄
肉部の近傍であって半導体チップの外面側に形成され渦
に対応した渦信号を出す半導体ピエゾ抵抗ゲージと、こ
の渦信号の振幅と周波数との比率を演算して測定流体の
質量流量を出力する信号処理手段とを有するようにした
ものである。

く作　用〉 一５＝ 半導体の流体通路に測定流体が流されてこれにより流体
通路の内部に形成されている半導体の渦発生体によりカ
ルマン渦が発生され、このカルマン渦により薄肉部が振
動してこの薄肉部に形成されたゲージで検出された渦信
号の振幅と周波数とから質量流量を演算する。

〈実施例〉 以下、本発明の実施例について図面に基づき説明する。

第１図は本発明の１実施例を示す構成図であり、第２図
は第１図におけるＡ−／Ｍ線で切断したときの断面図で
ある。

２３は外形が矩形状のシリコン基板であり、その内部は
異方性エツチングにより凹部２４が形成されて矩形状の
通路を持つ流体通路２５の一部が作られている。この凹
部２４の中央底部には台形断面を持つ柱状の渦発生体２
６が流体通路２５の一部と一体に異方性エツチングで形
成され、四部２４の中に突出して作られている。

２７は内部に凹部２４に対応する矩形の開口を持つ外形
が矩形状のガラスシートであり、その厚みは５０〜１０
０μｍ程度である。ガラスシート２７の端部にはＡＩの
リードが引き出されそれぞれＡＩパッドＰ＋　、Ｆ２　
、Ｆ３　、Ｆ４に接続されている。

２８は矩形状の薄肉のシリコン基板であり、このシリコ
ン基板２８はガラスシート２７を介してシリコン基板２
３の凹部２４側に例えば陽極接合により気密に接合され
ている。渦発生体２６の下流側のシリコン基板２８には
ピエゾ抵抗ゲージ２９が例えば拡散などにより形成され
ている。このピエゾ抵抗ゲージ２９からもＡｆのリード
が引き出され（図示せず）ガラスシート２７のＡ！パッ
ドＰ＋　、Ｆ２　、Ｆ３　、Ｆ４に接続されている。な
お、このピエゾ抵抗ゲージ２９は渦発生体２６の横に配
置しても良い。

ＡｆバッドＰ＋　、Ｆ２　、Ｆ３　、Ｐｇからはリード
線で信号処理回路３０に接続され、この信号処理回路３
０で処理された処理結果は出力端３１に出力される。

以上のように構成された質量流量計の動作に付いて説明
する。

測定流体Ｑが流体通路２５に流入すると凹部２４の中に
形成された渦発生体２６によりカルマン渦が発生し、シ
リコン基板２８にこの渦に対応した歪みが生じる。従っ
て、このシリコン基板２８に形成されたピエゾ抵抗ゲー
ジ２９の抵抗が変化して渦に対応した渦信号が発生する
。この渦信号はＡＩパッドＰ盲、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４を介
して信号処理回路３０に入力される。この信号処理回路
３０で質量流量を演算する。

いま、この渦信号の周波数Ｆ２は、流速をＶとすれば Ｆ２”Ｖ　　　　　　　　・＝（４） となり、渦信号の振幅Ｓ２は流体の密度をρとすれば ８２　”ρＶ２　　　　　　　−　（５）となる。従っ
て、信号処理回路３０で８２／Ｆ２なる演算を実行すれ
ば ８２　／　Ｆ２　”ρＶ　　　　−（３）となり、質量
流量ρＶを求めることができる。

なお、第１図、第２図に示すシリコン基板２８に温度セ
ンサを拡散などにより形成してこの出力を用いれば、測
定流体の温度も同時に測定してこれを用いて温度補償も
出来る。また、ピエゾ抵抗ゲージ２９はシリコン基板２
３側に配置して渦信号を検出しても良い。

このような構成により質量流量を測定するときは、測定
流体の流れが２次元流に近い流れとなるので、流れが安
定し、渦放出も安定して微少流量（低レイノルズ数）ま
で測定できる。

第３図は本発明の第２の実施例の構成を示す縦断面図で
ある。

ガラスシート３２をシリコン基板３３に一体に形成され
た渦発生体３４の上面も覆うことが出来るようにしてシ
リコン基板２８と渦発生体３４をも接合したものである
。このような構成にすると、渦発生体３４の部分も接合
されるので、渦発生体３４の両端に隙間がなくなり、さ
らに安定な渦の発生が行われる。

第４図は本発明の第３の実施例の構成を示す横断面図で
ある。

シリコン基板３５はガラスシート３２を介してシリコン
基板３３に接合されている。シリコン基板３５は渦発生
体３４の下流側には渦を検出するピエゾ抵抗ゲージ３６
が、その上流側にはシリコン基板３５の一部が薄くカッ
トされた薄肉部３７が形成されてこの部分に測定流体の
静圧Ｐａを測定するピエゾ抵抗ゲージ３８が、それぞれ
形成されている。

この様な構成にすることにより、測定流体が気体の場合
に、ピエゾ抵抗ゲージ３８で静圧Ｐｏを検出し、この静
圧Ｐｏを用いて信号処理回路３０で温圧補正を行うこと
により体積基準流量計との対応が容易になる。

なお、第１図に示す実施例では信号処理回路３０を別体
のものとして説明したが、この信号処理回路３０をシリ
コン基板２３或いは２８にＩＣ化して形成し全体として
一体に集積化するとよりコンパクトになる。

〈発明の効果〉 以上、実施例と共に具体的に説明したように本発明よれ
ば、渦発生体、流体通路などを半導体チップをエツチン
グすることにより形成するのでこれ等の寸法を精度良く
しかも小形かつ軽量に構成することができ、またこれ等
を半導体技術で一体的に形成できるので大量生産が可能
であり、このため安価に質量流量計が出来る。さらに、
本発明によれば全体として小形にできるので相対的に上
流、下流の直管長が長くとれ、従って流れを安定かする
ことができるので微少な質量流量まで安定に高精度で測
定できる。またピエゾ抵抗ゲージは測定流体にほぼ接す
る配置となるのでＳ／Ｎの良い信号が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例の構成を示す構成図、第２図
は第１図におけるＡ−Ａ′断面を示す縦断面図、第３図
は本発明の第２の実施例の構成を示す縦断面図、第４図
は本発明の第３の実施例の構成を示す横断面図、第５図
は従来の質量流量計の構成を示す構成図である。 １０．２５・・・流体管路、１２．２６．３４・・・渦
発生体、１７・・・圧電素子、２１．３０・・・信号処
理回路、２３．２８．３３．３５・・・シリコン基板、
２４・・・凹部、２７．３２・・・ガラスシート、２９
．３６．３８・・・ピエゾ抵抗ゲージ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 半導体チップの内部に異方性エッチングで形成され少な
   くとも一部に薄肉部を持つ流体通路と、異方性エッチン
   グで形成され前記流体通路の内部に突出してこの流体通
   路に流れる測定流体の流量に対応した渦を発生させる渦
   発生体と、前記薄肉部の近傍であって前記半導体チップ
   の外面側に形成され前記渦に対応した渦信号を出す半導
   体ピエゾ抵抗ゲージと、この渦信号の振幅と周波数との
   比率を演算して前記測定流体の質量流量を出力する信号
   処理手段とを有することを特徴とする質量流量計。