JPH0256612B2

JPH0256612B2 -

Info

Publication number: JPH0256612B2
Application number: JP57115981A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Sato; Koji Tanimoto
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1982-07-01
Filing date: 1982-07-01
Publication date: 1990-11-30
Also published as: JPS595919A

Description

【発明の詳細な説明】この発明は、流動流体の流動量を発熱体と流動
流体間の熱伝達を利用して検出する流量検出器に
関するものである。

従来、上記のような流量検出器として第１図に
示すものがあつた。第１図において、１はシリコ
ン半導体からなるバルク状発熱体、２はこの発熱
体１への給電とその支持を兼ねる電極リード、３
は電極リード２を固定したトランジスタ・パツケ
ージに相当する支持体、４は取出しリード、５は
ステンレススチール製の配管パイプ、６はパイプ
５の内部を通過するミネラルスピリツツなどの被
測定流体、７は差動ブリツジや増巾器を含む検出
回路で、取出しリード４、電極リード２を介して
パイプ５内に設置された発熱体１に接続されてい
る。８は検出回路７からの検出出力信号である。

次に、以上のように構成された感熱形流量検出
器の動作について説明する。発熱体１への給電電
力をPin、発熱体１と被測定流体６の間の熱伝達
量をPoutとすると、熱平衡状態ではPin＝Pout＝
ｈ・As・△Ｔが成立する。ここで、ｈは発熱体
１と被測定流体の間の熱伝達率、Asは発熱体１
の表面積、△Ｔは発熱体１と被測定流体の間の温
度差である。一般に、レイノルズ数Reが１＜Re
＜2000の層流条件下では、熱伝達率ｈはａ、ｂを
定数とすると、実験公式ｈ＝ａ＋ｂ・v^0.5で近似
できる。ここで、ｖは流体の平均流速を意味して
いる。発熱体への給電電力Pinは発熱体１の抵抗
をRs、電流をIs、電圧をVsとすれば、Pin＝
Is²・Rs＝Vs²／Rsで表わされるので、発熱体１
の電気的インピーダンスを検出回路７で計測する
ことにより、流速ｖまたは流量Ｑが検出出力信号
として得られる。発熱体１は0.7×0.7×0.15mm³の
シリコンチツプであり、燐Ｐを10¹⁵cm^-3ドープし
たＮ形の均質材料からなる。また、支持体３は
TO46トランジスタ・パツケージを流用してお
り、ステンレススチール製のパイプ５は0.767cm
×30cm（径×長さ）であり、発熱体１は後部の前
端から25.3cmのところに設置されている。

従来の感熱形流量検出器は、以上のように構成
されているので、レイノルズ数が2000〜3000の流
れが不安定となる層流から乱流へ遷移領域を避け
てレイノルズ数が2000以下の条件に設定するよう
になつており、熱伝達率としては低い値を、流れ
としては層流状態を使わなければならない。ま
た、発熱体となるシリコンチツプが均質なパルク
状発熱体であるため、熱容量が大きく熱的平衡状
態に達するための熱的時定数も比較的大きなもの
になつてしまう。さらに、発熱体１がある程度の
大きさを有し、電極リード２と共に流れに撹乱を
与える外的要素になつてしまい、構造的に軟弱で
あるなど、流量検出器としての応答性が低くなる
と共に、微少流量または大流量の場合に不安定な
特性を有するという欠点があつた。

この発明は、上述のような従来のものの欠点を
除去しようとするもので、外面が流動流体と接触
する薄板状の発熱部材、およびこの発熱部材を支
持する熱的、電気的不良導体不良導材料からなる
絶縁支持部材を有し、発熱部材の内面側に上記流
動流体と非接触の中空部を形成した発熱体を用い
ることにより、応答性および信頼性にすぐれた高
性態の感熱形流量検出器を提供することを目的と
している。

以下、この発明の実施例を図について説明す
る。

実施例１第２図は実施例１の感熱形流量検出器の検出素
子部分の拡大縦断面図である。第２図において、
９は発熱部材であり、この発熱部材９は周縁部に
比べて中央部の厚さが薄くなつた形状に、サーミ
スタあるいはPt、Ｗ、Mo、Ni、カーボンＣなど
の抵抗材料またはNi−Cr合金、Fe−Cr−Al合
金、Fe−Cr合金などの合金材料からなる。１０
は発熱部材９の内面側中央部に形成された中空
部、１１は発熱部材９を熱的、電気的に絶縁して
支持する絶縁支持部材であり、プラスチツクまた
はガラスなどのセラミツク材からなる。上記発熱
部材９と絶縁支持部材１１とから、これらの内部
に流動流体が接触しない中空部１０を形成した発
熱体１が構成されている。また、１２は発熱部材
９の外端面に形成したAl、Au、Ag、Sn、Niな
どの蒸着電極、１３は蒸着電極１２に一端部が接
続されたAl、Auなどの材質ボンデイングワイ
ヤ、１４はボンデイングワイヤ１３の他端部に接
続されて上記支持部材１１を貫通する導電性材料
のボンデイングポストである。

次に、上述のように構成された発熱体１を有す
る実施例１の感熱形流量検出器の動作について説
明する。絶縁油、ガソリン、水、空気などの流動
流体１５が発熱部材９に衝突し、流動流体１５の
流速または流量に応じた熱伝達が行なわれる。ま
た、ボンデイングポスト１４、ボンデイングワイ
ヤ１３および蒸着電極１２を通じて発熱部材９へ
給電された電力は発熱部材９の中央部を加熱す
る。この場合に、発熱部材９の中央部は周縁部に
比べて厚さが薄くなつているため、横方向に拡が
る熱抵抗が大きく、熱容量が小さくなつているこ
とにより、非定常時の熱的応答時間が短い。

したがつて、実施例１の感熱形流量検出器は、
中空部１０での断熱作用に加えて熱的応答性が改
善されているので、検出器としての応答性がすぐ
れていると共に、発熱部材９を絶縁支持部材１１
に支持したので、従来のものに比べて堅牢であ
る。

実施例２第３図は実施例２の感熱形流量検出器の検出素
子部分の拡大縦断面図である。第３図において、
９はエツチングによつて中央部分を削り取つたダ
イヤフラム状のＮ形シリコン基板１６を有する発
熱部材であり、上記シリコン基板１６の外面中央
部にはＰ形不純物拡散層１７が形成され、シリコ
ン基板１６の外面上にはSiO₂またはAl₂O₃などの
酸化膜１８が形成されている。１０は上記シリコ
ン基板１６の中央部をエツチングにより削り取つ
て形成した中空部、１１はシリコン基板１６を熱
的および電気的に絶縁させるセラミツク材からな
る絶縁支持部材、１２は上記酸化膜１８に形成さ
れたコンタクトホール部を介して上記拡散層１７
に接続されるAl蒸着電極、１３はボンデイング
ワイヤ、１４はボンデイングポストである。

次に以上のように構成された発熱体１を有する
実施例２の検出器の動作について説明する。この
実施例２で発熱するのは、Ｎ形シリコン基板１の
Ｐ形不純物拡散層１７に限られ、表面発熱形とい
われるものになつている。このため、発熱に必要
な電力は小さく、応答性を左右する熱容量が小さ
い。また、シリコン基板１６の中央部の厚さが薄
くなつており、横方向に拡がる熱抵抗が大きく熱
容量の小さい構成となつている。また、上記拡散
層１７表面が絶縁膜１８で覆われて保護されてい
る。

この実施例２の感熱形流量検出器は、従来もの
に比べて、堅牢で頑強なものとなつており、熱的
応答性が実施例１のものよりさらに改善されてい
る。

なお、実施例２の検出器の上述した以外の構
成、動作は、実施例１のものと同様であるから、
説明を省略する。また、実施例２ではＮ形シリコ
ン基板にＰ形不純物拡散層を形成したものについ
て説明したが、この考案はＰ形の基板にＮ形の拡
散層を形成してもよく、この場合でも同様な効果
が得られる。

実施例３第４図は実施例３の感熱形流量検出器の検出素
子部分の拡大縦断面図である。第４図において、
１６は平坦なＮ形シリコン基板、１１はガラスな
どのセラミツクのような絶縁材料からなる筒状の
絶縁支持部材であり、この支持部材１１内に中空
部１０が形成されている。１９はボンデイングポ
スト１４および上記支持部材１１を支持する電気
的絶縁材料製の支持台である。

次に、実施例３の検出器の動作について説明す
る。この実施例３で発熱するのは、上記不純物拡
散層１７のみであり、表面発熱形になつていて、
発熱電力のほとんどが絶縁油のような流動流体１
５との熱伝導に寄与し、流動体１５を加熱する。
しかし、一部の熱量がシリコン基板１６に伝熱さ
れ、上記支持部材１１の方に消費される。そこ
で、この実施例２では、支持部材１１をセラミツ
ク製の筒状とし、縦方向の熱抵抗を大きくとるこ
とで、拡散層１７と支持部材１１の熱絶縁を可能
にしている。

この実施例３の検出器は、検出器としての経時
変化が少なく、出力が安定しており、熱的応答性
もすぐれている。

なお、実施例３の上述した以外の構成、動作
は、実施例２のものとほぼ同様であるから説明を
省略する。

実施例４第５図は実施例４の感熱形流量検出器の検出素
子部分の拡大縦断面図である。第４図において、
１６は中央部がエツチングされて厚さが薄くなつ
た実施例２のものと同様なＮ形シリコン基板、１
０はこのシリコン基板１６と筒状の絶縁支持部材
１１によつてこれらの内部に形成された中空部、
１８はSiO₂のような酸化膜であり、この酸化膜
１８はシリコン基板表面の中央部のＰ形不純物拡
散層１７が露出するように形成されている。

次に、実施例４の検出器の動作について説明す
る。この実施例４で発熱するのは、実施例２と同
様に不純物拡散層１７のみであり、表面発熱形に
なつており、実施例３と異なるのは、シリコン基
板１６の内面中央部がエツチングされて横方向に
拡がる熱抵抗が大きくなつていることである。こ
のため、発熱電力が有効に流動流体との熱伝達に
使われて、小さな投入電力で高い温度差を与える
ことができる。そして、この実施例４の感熱形流
量検出器は、検出器としての経時変化がなく、出
力が安定しており、とくにその熱的な応答性がす
ぐれている。

なお、実施例４の上述した以外の構成、動作は
実施例３のものとほぼ同様であるから説明を省略
する。

第６図はこの発明の一実施例による感熱形流量
検出器の全体の構成を示している。第６図におい
て、１は発熱体、９は発熱体１の発熱部材であ
り、一方の面すなわち外面が絶縁油などの流動流
体１５と接触し、他方の面すなわち内面側に流動
流体１５と非接触の中空部１０が形成してある。
１３はボンデイングワイヤ、１１は発熱部材９を
熱的および電気的に絶縁して支持する絶縁支持部
材４はボンデイングワイヤ１３にボンデイングポ
スト１４を介して接続された取り出しリード、７
は差動ブリツジや増巾器を含む検出回路、８は検
出出力信号である。また、２０はホース２２に差
込まれたニツプルであり、流動流体１５の入口側
と出口側で対をなしており、出口側のニツプル２
０に上記支持部材１１が固定されている。２１は
ニツプル２０の入口側と出口側との間に挾着され
て、流動流体１５の流れを絞つて発熱部材９への
衝突噴流を形成するためのノズルである。

次に、第６図に示す感熱形流量検出器の動作に
ついて説明する。絶縁油などの流動流体１５は、
入口側のホース２２を通つてニツプル２０へ流れ
込み、ノズル２１で大巾に絞られ噴流となつて発
熱部材９で衝突する。発熱部材９で発熱した電力
のほとんどが、中空部１０で実質的に熱伝導が遮
断され、横方向の熱抵抗も大きいので、直ちに上
記流動流体に吸収される。そして、ノズル２１近
傍の流動流体１５の流れに限れば、レイノルズ数
の範囲は最小測定流量でも3000以上の値となるよ
うに設定してあり、流れは乱流領域に限られるの
で安定している。また、発熱体１に衝突した流れ
は出口側のニツプル２０を通してホース２２へ流
出する。

なお、第６図に示す実施例の流量検出器は、こ
の発明の実施例１ないし４の発熱体のいずれかを
用いたものである。

第６図に示す実施例の感熱形流量検出器は、上
述したように構成されているので、従来のものの
ような配管パイプを必要とせず、小形、軽量とな
つており、またレイノルズ数が高い分だけ、大き
な熱伝達率が得られ、中空部１０による断熱効果
によつて、発熱部材９の熱容量が小さくなつてい
るので、熱的な応答時間が大巾に短縮され、検出
器としての応答性がすぐれている。

以上説明したように、この発明の感熱形流量検
出器は、応答性および信頼性がすぐれ、高性能で
あるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の感熱形流量検出器を示す構成説
明図、第２図、第３図、第４図および第５図はこ
の発明の実施例１，２，３および４による発熱体
をそれぞれ示す検出素子部分の拡大縦断面図、第
６図はこの発明の一実施例による感熱形流量検出
器を示す構成説明図である。１……発熱体、７……検出回路、８……検出出
力信号、９……発熱部材、１０……中空部、１１
……絶縁支持部材、１２……電極、１３……ボン
デイングワイヤ、１４……ボンデイングポスト、
１５……流動流体、１６……シリコン基板、１７
……不純物拡散層、１８……酸化膜、１９……支
持台、２０……ニツプル、２１……ノズル、２２
……ホース。なお、図中同一符号は同一または相
当部分を示す。

Claims

【特許請求の範囲】１発熱体と流動流体間の熱伝達量から流速また
は流量のような上記流動流体の流動量を検出する
感熱形流量検出器において、外面が上記流動流体
と接触する薄板状の発熱部材、およびこの発熱部
材と支持する熱的、電気的不良導材料からなる絶
縁支持部材を有し、発熱部材の内面側に上記流動
流体と非接触の中空部を形成した発熱体と、この
発熱体へ発熱電力を供給すると共に発熱体の電気
的インピーダンスを計測する検出回路とを備えた
ことを特徴とする感熱形流量検出器。２発熱体を構成する発熱部材が感温半導体材料
からなる特許請求の範囲第１項記載の感熱形流量
検出器。３発熱体を構成する発熱部材が不純物拡散層を
含むシリコン半導体基板である特許請求の範囲第
２項記載の感熱形流量検出器。４発熱体を構成する絶縁支持部材がセラミツク
材である特許請求の範囲第１項、第２項または第
３項記載の感熱形流量検出器。５発熱体を構成する絶縁支持部材で発熱部材の
周縁部を支持した特許請求の範囲第１項、第２
項、第３項または第４項記載の感熱形流量検出
器。６発熱体を構成する発熱部材が中央部に形成さ
れた不純物拡散層を含んだシリコン半導体基板で
ある特許請求の範囲第３項または第５項記載の感
熱形流量検出器。７発熱体を構成する発熱部材が流動流体と接す
るように形成された不純物拡散層を含んだシリコ
ン半導体基板である特許請求の範囲第３項または
第６項記載の感熱形流量検出器。８発熱体を構成する発熱部材が不純物拡散層を
含んだ部分のみ厚さが薄いシリコン半導体基板で
ある特許請求の範囲第３項、第６項または第７項
記載の感熱形流量検出器。