JPH0244211A - フローセンサ - 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、発熱体と流体温度検知要素とを備えたフロー
センサに関するものである。

〈従来技術〉 従来より一般的に使用されている熱式のフローセンサと
しては、次のような種類のものがある。

その第一は、流路用主管にバイパス流路用の側路管を設
け、この側路管へヒーターを連結し、側路管の流れ方向
に生じる温度分布から流量を検知する方式を用いたフロ
ーセンサである。このフローセンサは精度が良く、半導
体ガスのマスフローコントローラー等として広く用いら
れているが、構造上小型化や量産に不向きで、しかも高
価であるため、用途が限定されてしまうという欠点があ
る。

第二には、流体中に発熱体と流体温度検知要素を設け、
発熱体を加熱して発熱体から周囲の流体に伝達されるＭ
Ｍｔの変化を検出し、検出値より流速を測定する方式を
用いたフローセンサがある。

この方式では、流体温度検知要素にて流体の温度を検知
し、流体と発熱体の温度差を一定値に保つようにするこ
とによって流体温度の影響を補償することができる。ま
た、上記温度差を大きく設定することにより、フローセ
ンサの出力を増大させることができる。

この方式を用いたフローセンサには、従来よりシリコン
チップ上に形成された発熱用トランジスタと流体温度検
知用トランジスタとを利用して構成されたものがある。

このフローセンサは、シリコンプロセス技術を利用して
いるので量産性に優れるが、その反面、素子間のバラツ
キが大きく互換性に欠けるなどの欠点を有している。

さらに、上記方式で発熱体と流体温度検知要素に白金や
タングステンなどの高融点金属製抵抗線を用いたものら
あるが、これらは抵抗値が小さく素子間のバラツキら大
きいので発熱温度の制御性や温度測定の精度が悪く互換
性に欠ける。また、細線を用いるため加工が困難で量産
性に欠けるなどの欠点かある。

そこで、抵抗線の代わりに絶縁基板上に薄膜化された発
熱体および流体温度検知要素を用いる熱膜式フローセン
サは、小型化か可能で、−枚の基板内に多数の素子を並
へて製作することができるので、量産性に優れバラツキ
も小さいなどの多くの■り点を何している。

第９図は、この熱膜式フローセンサを流路管１内に固定
して用いたρｊを示す。流体温度検知素子２を上流り側
に、発熱体素子３を下流Ｒ側に設置し、流体温度を検知
する際に発熱素子３からの熱の影響を受けないようにし
ている。各素子２，３のリート部は、金属製の支持体４
によって管１１ａに設けられたソケット５に機械的に固
定されると同時に、電気的な接続ら行なわれている。

く　発明が解決しようとする問題点　〉ところが、第９
図に示すようにフローセンサを流路管ｆ内に固定したと
き、管壁１ａの温度と流体の温度とが異なる場合、流体
温度検知素子２のリード部を介して管壁１ａと流体温度
検知素子２との間で熱の出入りが生じ流体の温度が正確
に検知できない。あるいは、発熱素子３の熱がそのリー
ド部を介して管壁１ａに伝わり正確な流量検知が行なえ
ない等の問題があった。

そこで、上記の問題を解決するため、第１Ｏ図に示すよ
うに支持体を用いないで各素子２．３を直接管壁１ａに
設けられたソケット５に固定し、各素子２．３内部で熱
的に絶縁を行ない、発熱素子３と管壁１ａおよび流体温
度検知素子３と管壁１ａとの熱の出入りをなくす方式が
ある。

この方式で、展板として熱伝導率の大きな材料、例えば
ノリコン、アルミナ等を用いると、各素子２．３の内部
で熱絶縁を行なうためには各素子２゜３の寸法が大きく
なり実用に向かない。これに対し、熱絶縁基板の材料と
して熱伝導率の小さいガラスを用いたフローセンサが既
に提案されている（電気学会電子デバイス技術委員会主
催　第６回「センナの基礎と応用」ノンボジウム講演予
稿集　第９５百〜第９６亘）。このように絶縁基板に熱
伝導率の小さい材料としてガラスを基板に用いると、各
素子２．３内部での熱絶縁を可能し、小型化、浸れた遺
産性等を実現できる。しかし、ガラスは米導体プロセス
で用いる堰板として安価で耐環境性にｆｆれるなと多く
の利点をａ乙ているか、その反面、機械的な強度が弱く
製造工程上あるいは使用上の取り扱いが困・誰である。

また、耐熱性ら充分でなく、高温雰囲気での使用あるい
は自己加熱によるクリー二７グが不可能である等の問題
かあった。

そこで本発明は、上記問題点に鑑み、素子の小型化が可
能で正確な流量検知を行なうことができ、製作上の取扱
いか容易となり歩留、り向上、および使用環境の拡大等
に寄与でき、さらに高温雰囲気での使用および自己加熱
によるそしのクリーニング等が可能となるフローセンサ
の提供を目的とす〈　問題点を解決するだめの手段　〉 本発明による問題点解決手段は、第１．５図の如く、発
熱体ＩＯとこれが形成される第一絶縁基板１１とを何す
る発熱素子Ｉ２と、流体温度検知要素１３とこれが形成
される第二絶縁基板１４とを有する流体温度検知素子１
５との少なくとも二個の素子１２．１５とから成るフロ
ーセンサにおいて、前記発熱素子１２および（または）
流体温度検知素子１５を構成する前記第一、第二絶縁基
板１１．１４の材料として機械的強度、耐熱性に浸れか
つ熱伝導率の小さい熱絶縁材料であるノルコニアが用い
られたものである。

く作用〉 上記問題点解決手段において、フローセンサは、流体中
の発熱体から周囲の流体に伝達される熱量の変化を検出
して流速を測定する。この場合、発熱素子１２と管壁、
および流体温度検知素子１５と管壁との熱の出入りをな
くすため、流路管に支持体を用いないで各素子１２．１
５を直接流路管の管壁に固定され、各素子１２．１５で
熱的に絶縁が行なわれる。このとき、基板ＩＩ、１４と
して熱伝導率の大きな材料、例えばシリコン、アルミナ
等を用いると、各素子１２．１５の内部で熱絶祿を行な
うためには各素子１２．１５の寸法を大きくしなければ
ならず、実用に向かなくなる。

そこで、基板ＩＩ、１４の材料としてジルコニアを使用
すると、熱伝導率が小さいため、基板材料としてシリ゛
コン、アルミナ等を使用した場合のように素子の寸法を
大きくしなくても済み、素子の小型化が実現できる。し
かも、素子内で熱絶律することができるため、正確な流
量検知を行うことが可能になる。

また、機械的強度が強いため、製作上の取り扱いが容易
で歩留り向上および使用環境の拡大等に寄与できる。

さらに、充分な耐熱性を有しているため、高温雰囲気で
の使用および自己加熱による素子のクリニツク等が可能
となる。

〈実施例〉 以下、本発明の実施例について図面により説明する。第
１図は本発明第一実施例のフローセンサの横断平面図、
第２図は同じくその構成回路図、第３図は同じくフロー
センサを流路管内に設置した状態を示す図である。

図示の如く、本発明は、発熱体１０とこれが形成される
第一絶縁基板ＩＩとを有する発熱素子Ｉ２と、流体温度
検知要素１３とこれが形成される第二絶縁基板１４とを
有する流体温度検知素子１５との少なくとも二個の素子
１２．１５とから成るフローセンサにおいて、前記発熱
素子１２および流体温度検知素子１５を構成する前記第
一、第二絶縁基板１１．１４の材料として機械的強度、
耐熱性に優れかつ熱伝導率の小さい熱絶縁材料であるジ
ルコニアが用いられたことを特徴とする熱膜式フローセ
ンサである。

前記発熱体１０および流体温度検知要素１３は、第１図
の如く、前記絶縁基板Ｉ！、１４上に例えば、白金等の
抵抗温度係数の大きな金属薄膜を真空蒸着法、スパッタ
リング法、あるいはプラズマＣＶＤ法等により堆積させ
た後、エツチング技術によりパターンニングされ、これ
をレーザートリミング装置にて所定の抵抗値に調整して
形成される。そして、該発熱体１０および流体温度検知
要素Ｉ３は、第２図の如く、各々電気抵抗索子ＲＲ３に
接続されブリッジ回路Ａを構成している。

該ブリッジ回路Ａは、ブリッジ抵抗の差電圧を増幅器１
６で作動増幅し、前記電気抵抗素子ＲＲ３にエミッタ端
子が共通接続されるトランジスタ１７のベース電位を制
御して該トランジスタ１７を駆動するフィードバック回
路Ｂに接続されている。なお、図中１８は、入力端子で
ある。

前記第一絶縁基板１１および第二絶縁基板１４は、第１
図の如く、長方形に形成されている。該絶縁基板１１．
１４の材料として使用される機械的強度、耐熱性に優れ
、かつ熱伝導率が小さい熱絶縁材料のジルコニアには、
純粋なジルコニアの他に、Ｙ、０３、ＣａＯｌＭｇＯ等
を添加して安定化した安定化ジルコニア、あるいは完全
安定化ジルコニアよりも少量の安定化剤を添加した部分
安定化ジルコニア等のジルコニアセラミックスら含まれ
ている。

前記発熱素子１２および流体温度検知素子■５の下端に
は、外部に出力するためのリード部１９が取り付けられ
ている。該リードｆｆｉ＋９は、発熱素子１２および流
体温度検知素子１５を機械的に固定し、同時に電気的に
接続するため管壁２０ａに設けられた箱形のソケット２
１に挿入されている。

上記の如く構成されるフローセンサの製造工程を以下に
示す。

まず、ジルコニアを使用した基板１１．１４上に、例え
ば白金等の抵抗温度係数の大きな金属薄膜を真空蒸着法
、スパッタリング法、あるいはプラズマＣＶＤ法等によ
り堆積させた後、エツチング技術によりバターニングす
る。これをレーザートリミング装置にて所定の抵抗値に
調節して発熱体１０あるいは流体温度検知要素１３とす
る。

次に、発熱体■０および流体温度検知要素１３が薄膜化
された基板１１．１４を切断し、発熱素子１２あるいは
流体温度検知素子１５とする。この素子１２．１５の大
きさは数ミリ程度と微少であり、−枚の基板１１．１４
上に多数個値べて同時に製造するいわゆるバッチ処理を
行うことにより、特性の均一な素子１２．１５を量産す
ることができる。

そして、上記発熱素子！２および流体温度検知素子Ｉ５
とを一組にしてフローセンサを構成する。

このフローセンサは、第３図の如＜、ｍ路管２０内で流
体温度を検知する際、発熱素子１２からの熱の影響を受
けないように流体温度検知素子１５が流路管２０内の上
流り側に設置され、発熱素子１２が流路管２０内の下流
Ｒ側に設置される。

そして、流路管２０内のフローセンサは以下のように動
作する。

まず、トランジスタ１７をオンにして入力端子１８より
供給される電流を発熱体１０に通電し発熱させる。流量
が大きい（流速が速い）場合には、発熱体１０から大量
の熱が流体に奪われる。逆に、流体の流量が小さい（流
速が遅い）場合には、発熱体ｌＯから奪われる熱量ら少
ない。このとき、流体温度検知要素１３で流体の温度が
測定され、これに対して一定の温度差となるように発熱
体ＩＯへの通電がフィードバック回路Ｂを介して制御さ
れる。そのときの発熱体１０の両端の電圧Ｖｏｕｔが電
圧として得られる。

フローセンサの製造時に、絶縁基板１１．１４の材料と
してジルコニアを使用すると、ジルコニアは第４図に示
す如く、熱伝導率が４．６ＸＩＯ’ｃａｌ／ｃｍ−ｓ・
℃と小さいため、基板材料としてシリコン、アルミナ等
を使用した場合のように素子の寸法を大きくしなくても
済み、素子の小型化が実現できる。しから、素子内で熱
絶縁することができるため、正確な流量検知を行うこと
が可能になる。

また、ジルコニアは機械的強度、特に曲げ強度が１２０
　ｋｇ／　１１１１１１’と強いため、製作上の取り扱
いが容易で歩留り向上および使用環境の拡大等に寄与で
きる。

さらに、ジルコニアは充分な耐熱性を宵しているため、
高温雰囲気での使用および自己加熱による素子のクリー
ニング等が可能となる。

次に、本発明フローセンサの第二実施例について図面に
より説明する。第５図は本発明第二実施例のフローセン
サの横断平面図、第６図は同じくその構成回路図である
。

図示の如く、第二実施例のフローセンサは、発熱体ｌＯ
の発熱温度を制御するために前記発熱体１０の温度を検
知する発熱体温度検知要素２２が発熱素子１２内に一体
化して配置されている。

また、第６図の如く、構成回路内で前記流体温度検知要
素１３と発熱体温度検知要素２２とでブリッジ回路Ａが
構成され、発熱体１０はブリッジ回路Ａから独立してい
る。その他の構成および作用、効果は、第一実施例と同
様である。

なお、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく
、本発明の範囲内で上記実施例に多くの修正および変更
を加え得ることは勿論である。

例えば、ジルコニア基板を用いることにより、発熱体！
０と流体温度検知要素１３とを第７図に示すように同一
素子内に熱絶縁して一体化することも可能となり、第一
実施例においては、第一絶縁基板ＩＩと第二絶縁基板１
４とを共通化しても良い。また、第二実施例に示した発
熱温度検知要素２２を同一素子内に追加して第８図に示
すように一体化しても良い。

さらに、第一、第二実施例では、ジルコニアを第一、第
二絶縁基板１１．＋４の両方に用いているが、いずれか
一方にのみ用いても良い。

さらにまた、実施例において、発熱体、発熱体温度検知
要素および流体温度検知要素の材料として白金を用いて
いるが、白金以外にも抵抗温度係数の大きい白金合金、
ニッケル、ニッケル合金あるいはサーミスタ等を用いて
も良い。

〈発明の効果〉 以上の説明から明らかな通り、発熱素子等の基板として
熱伝導率の大きな材料、例えばシリコン、アルミナ等を
用いると、発熱素子および流体温度検知素子内部で熱絶
縁を行なうためには各素子の寸法が大きくなり実用に向
かなくなるが、本発明によると、発熱素子および（また
は）流体温度検知素子を構成する絶縁基板の材料として
機械的強度、耐熱性に優れかつ熱伝導率の小さい熱絶縁
材料であるジルコニアが用いられているので、熱伝導率
が小さく、シリコン、アルミナ等を使用した場合に比べ
て素子の小型化が実現できる。しかも、素子内で熱絶縁
することができるため、正確な流量検知を行うことが可
能になる。また、機械的強度が強いため、製作上の取り
扱いが容易で歩留り向上および使用環境の拡大等に寄与
できる。さらに、充分な耐熱性を有しているため、高温
雰囲気での使用および自己加熱による素子のクリーニン
グ等が可能となるといった優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明第一実施例のフローセンサの横断平面図
、第２図は同じくその構成回路図、第３図は同じくフロ
ーセンサを流路管内に設置した状態を示す図、第４図は
基板材料として使用される材料の特性を示す図、第５図
は本発明第二実施例のフローセンサの横断平面図、第６
図は同じくその構成回路図、第７図は本発明第三実施例
のフローセンサの横断平面図、第８図は本発明第四実施
例のフローセンサの横断平面図、第９図は従来のフロー
センサが流路管内に設置した状態を示す図、第１Ｏ図は
同じく流路管内に設置した状態を示す図である。 ｌＯ二発熱体、ｌｌ：第一絶縁基板、１２：発熱素子、
１３．流体温度検知要素、１４．第二絶縁基板、１５・
流体温度検知素子、２２：発熱体温度検知要素。 出　願　人　　シャープ株式会社

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 発熱素子および（または）流体温度検知素子を構成する
   絶縁基板の材料としてジルコニアが用いられたことを特
   徴とするフローセンサ。