JPH0349050B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は一般には流動する媒体の速度測定に関
するものである。より特定すれば、本発明は周囲
温度の変化に対して補償する改善された高温フイ
ルム二重ブリツジ型の流速測定装置に関するもの
である。

流速を測定する高温フイルムブリツジ型装置に
ついては、米国特許第3996799号で述べている。
該装置は、上に２つの細長い温度感知高温フイル
ム抵抗器が、その縦方向の軸が90度を形成するよ
うに置かれているチツプを利用している。別の２
つの抵抗器もまたチツプ上に置かれているが、こ
れらは該２つの温度感知抵抗器とブリツジを形成
している。該ブリツジは、通常の態様で、該ブリ
ツジ腕部の２つの対向する接合点を電源に接続す
ることによつて付勢される。該ブリツジ腕部の別
の２つの対向する接合点は、差動増幅器の入力に
接続されて測定信号を発生する。

米国特許第3996799号、第２欄47行から55行に
わたつて述べられているように、多くの場合、４
つの完全に等しい抵抗器をチツプ上に作ることは
できないのであり、従つて、４つの全抵抗器は温
度変化に等しく応答するわけではないので、精密
測定のためには周囲温度の変化に対して補償する
ことが必要である。前記米国特許は、抵抗器のう
ちの１つから温度依存の信号を発生し、かつ、そ
れを補償信号として測定信号に加算することによ
つて、周囲温度の変化に対する補償を行なう構成
について開示している。該補償構成においては、
第２の差動増幅器がブリツジ抵抗器のうちの１つ
からの入力を取得し、かつ、両方の差動増幅器の
出力は第３の増幅器によつて加算される。

米国特許第3996799号による周囲温度補償装置
は殆んどの状態で十分に働くのであるが、測定し
ようとする流速が非常にゆつくりである場合、該
装置では周囲温度変化に対し完全に補償していな
いことが認められている。

本発明の主要な目的は、先行技術による同種の
装置より広い範囲の流速に対して、同等もしくは
より良好な動作を有する高温フイルムブリツジ型
周囲温度補償速度測定装置を提供することであ
る。

本発明による装置は、高温フイルムブリツジ型
速度測定装置の改善されたものであり、２つの細
長い高温フイルム温度感知抵抗器を有する第２ブ
リツジを利用するのであるが、該抵抗器の特性
は、第１ブリツジの温度感知抵抗器のそれに厳密
に匹敵する。これらの別の２つの抵抗器は、第１
ブリツジの温度感知抵抗器と並列にチツプ上に配
置され、かつ、他の抵抗素子と接続して第２ブリ
ツジを形成する。両ブリツジは同じ電源に接続さ
れていて、各ブリツジの出力はそれぞれの独自の
差動増幅器に与えられている。該２つのブリツジ
は流れの無い条件では同様な不平衡特性を有し、
その差動増幅器の出力は第３の差動増幅器に入力
を与えている。該抵抗器による良好な構成は、各
ブリツジの出力端子が他ブリツジの電力入力端子
に隣接するようなものとなつている。

このような構成の結果、第１と第２の差動増幅
器の入力は、流れのある条件では、それぞれの極
性が異なる信号を供給されて、流速を表わす第３
増幅器の出力における信号となつている。一定の
あるいは変化する周囲温度における流れの無い条
件でのブリツジ不平衡は２つのブリツジにとつて
同様であるので、第１と第２の差動増幅器の入力
は同じ極性の信号を供給され、その結果、これら
の増幅器の結果の出力信号は、第３の差動増幅器
において相殺する。従つて、周囲温度化から生ず
る測度信号における誤差は全く無いか、あつても
非常に僅かであつて、その結果、非常にゆつくり
した流速での感度が大いに増している。

好ましいことに、該チツプはシリコン基板であ
つて、その上に第１と第２の差動増幅器が、ブリ
ツジ抵抗器の置かれていないスペースに集積回路
として構成されている。チツプ上で利用できるス
ペースがある場合、第３の差動増幅器もまた集積
回路として構成することが望ましい。

流れの無い条件で２つのブリツジが同様な不平
衡特性を有するという要件は、製造行程から抵抗
器を備えた適切なチツプを選択し、要件に合う物
を取り、そうでない物を拒むことによつて満たす
ことができる。しかし、製造中、半導体の制御さ
れたドーピングによつても精巧に同様な不平衡特
性を得ることができる。

次に本発明の実施例について図面を参照して説
明する。

第１図は２つのブリツジ回路を概略的に示して
いる。参照番号１で示される第１ブリツジは、抵
抗器Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３およびＲ４から成つてい
る。番号２で示される第２ブリツジは、抵抗器Ｒ
１′，Ｒ２′，Ｒ３′およびＲ４′から成つている。

ブリツジ１の抵抗器Ｒ１とＲ３との接合点３は
端子４に接続しており、該端子４には抵抗器Ｒ
１′とＲ３′の接合点５も接続している。抵抗器Ｒ
２とＲ４の接合点６は端子７に接続しており、該
端子７にはまた抵抗器Ｒ２′とＲ４′の接合点８も
接続している。端子４と７は適切な電源に接続さ
れているが、端子４は正（＋）端子として、か
つ、端子７は負（−）端子として示されている。

ブリツジ１の出力信号は増幅器Ａ１に与えられ
るが、該目的のために抵抗器Ｒ１とＲ２の接合点
９は、増幅器Ａ１の非反転入力（＋）に接続し、
かつ、抵抗器Ｒ３とＲ４の接合点１０は該増幅器
の反転入力（−）に接続する。同様に、ブリツジ
２の出力信号は増幅器Ａ２に与えられ、抵抗器Ｒ
１′とＲ２′の接合点１１は増幅器Ａ２の＋入力に
接続し、抵抗器Ｒ３′とＲ４′の接合点１２は増幅
器Ａ２の−入力に接続する。

増幅器Ａ１の出力１３は増幅器Ａ３の非反転入
力に結合されるが、増幅器Ａ２の出力１４は増幅
器Ａ３の反転入力に結合される。増幅器Ａ３の出
力１５は、測定信号の現われる端子１６に接続さ
れる。

第２図および第３図に示されるように、抵抗器
は半導体チツプ１８上に構成されているので、抵
抗器Ｒ１とＲ４ならびに感知抵抗器Ｒ２′とＲ
３′は矢印１７で示される流れの方向に対して垂
直に位置する。チツプ上の抵抗器の配置は第２図
に概略的に示されている。流れの方向は第１図、
第２図および第３図において矢印１７で示され
る。

不平衡ブリツジ信号は、高温フイルム抵抗器か
らそれらを通つて流れる媒体への熱の伝導によつ
て生じ、該ブリツジ不平衡は、該流れに平行な抵
抗器（この場合抵抗器Ｒ２，Ｒ３，Ｒ１′ならび
にＲ４′）に対するものより、該流れに垂直な抵
抗器（抵抗器Ｒ１，Ｒ４，Ｒ２′ならびにＲ３′）
に大きい熱の伝導がある場合に生ずる。米国特許
第3996799号で述べられているように、該熱伝導
特性は一般に数式Nu＝Ａ＋Qφ（α）で表わすが、
該式において、Nuは全熱伝導に対するナセルト
（Nusselt）数であり、Ａは無流依存熱損失に関
する構造依存定数であり、Ｑは流れ依存強制対流
による熱伝導であり、さらに（α）は拡散抵抗
器に対する法線と流れ方向との間の角αでの熱の
流れの依存関係を説明する関数となつている。従
つて該感知器の原理は平行抵抗器と垂直抵抗器と
の間の差（α）に基いているのである。主とし
て基板内の熱伝導の結果である項Ａをできる限り
小さく保つために、50μmの厚さのチツプが利用
される。境界層効果のために、内側ブリツジの感
知抵抗器による熱伝導は、外側ブリツジの抵抗器
の熱伝導より幾分小さくなるが、これらのブリツ
ジの出力信号が加算されるので、この事は全く問
題にならない。

流れのある条件の下では、抵抗器Ｒ１とＲ４，
Ｂ２′とＲ３′の抵抗値は減少する。これによつて
点９を正に、そして点１０を負にさせ、その結果
増幅器Ａ１の出力１３における正の出力信号とな
る。それはまた点１１を負に、点１２を正にさ
せ、よつて増幅器Ａ２の端子１４の負の出力信号
にもなるのである。増幅器Ａ１の出力は増幅器Ａ
３の正入力に与えられ、かつ、増幅器Ａ２の出力
１４は増幅器Ａ３の負入力に与えられるので、測
定流速を表わす正の信号は、増幅器Ａ３の出力１
５ならびに該装置の端子１６に現われる。

周囲温度の変化に対する状態はさまざまであ
る。前述の通り、抵抗器は両ブリツジが流れの無
い条件で同じ不平衡特性を有するようなものでな
くてはならない。例えば、流れが存在しない場
合、点９は点１０に関して僅かに正であるように
構成されており、かつ、点１１は同様に点１２に
関して僅かに正であるように構成されている。そ
の結果、流れの無い条件では増幅器Ａ１とＡ２の
出力信号は両方とも僅かに正であり、従つて増幅
器Ａ３の＋と−の入力は正信号を供給され、相互
に相殺する。その結果、増幅器Ａ３の出力信号は
零あるいは非常に零に近くなるので、周囲温度の
影響は実際に非常に少ない。

流れの無い条件での周囲温度の影響が補償され
るのと同様に前述の構成によつて、流れのある条
件での流動する媒体の温度変化をも補償すること
が理解されるであろう。

第３図は、単一シリコンチツプ上のブリツジ１
と２による抵抗器ならびに増幅器の構成を示す拡
大平面図である。シリコンチツプ１８は８つのＰ
型拡散抵抗器、Ｒ１からＲ４およびＲ１′からＲ
４′を搭載している。これらの拡散抵抗器は通常
のプレーナ技術によつて製造することができる。
これらの抵抗器の各々は１組の並列リードの間に
位置している。例えば、抵抗器Ｒ１は並列リード
１９と２０との間に置かれかつそれらと隣接して
いる。第３図において、８つの接触範囲すなわち
パツドは、第１図および第２図における共通の点
として、同じ参照番号で示されている。一方の抵
抗器Ｒ１とＲ３′および他方の抵抗器Ｒ２′とＲ４
は流れの方向（矢印１７で指示）に対して垂直に
配置されている。外側ブリツジのパツド３はリー
ド２１によつて内側ブリツジの対応するパツド５
に接続される。同様に、外側ブリツジのパツド６
はリード２２によつて内側ブリツジの対応するパ
ツド８に接続される。従つて、明らかに内側ブリ
ツジは外側ブリツジに対して90゜回転したものと
なつている。

好ましいことに、２つのブリツジの対応する抵
抗器は同じオーム値を有している。内側ブリツジ
における抵抗器の長さは、第３図に示されている
ように、外側ブリツジにおける抵抗器の長さより
必然的に幾分短かくなつている。しかし、各抵抗
器の抵抗は長さに対する幅の比率（すなわち並列
で接続された単位面積の量Ａ）によつて決定され
る。従つて、チツプを設計する際に、固定スケー
ルフアクタを利用することによつて長さに対する
幅の比率を一定に保持することができるし、か
つ、同じオーム値を備えた抵抗器を得るための簡
便な方法を提供するのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の回路図であり、第２図は本発
明に従い抵抗器と増幅器とを搭載して構成された
半導体チツプの拡大平面図、第３図は単一チツプ
として構成された本発明の良好な実施例について
の拡大平面図である。 図中、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３およびＲ４ならびにＲ
１′，Ｒ２′，Ｒ３′およびＲ４′は抵抗器、Ａ１，
Ａ２およびＡ３は増幅器、１は第１ブリツジ、２
は第２ブリツジをそれぞれ示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 流体の流速を測定する周囲温度補償装置であ
   つて、 (i) 半導体基板と、 (ii) 該半導体基板に設けられ、それぞれのアーム
   が細長の高温フイルム温度感知抵抗器を有する
   矩形配置された４つのアーム、およびその対向
   した隅のうちの２つの隅から延長する接続線と
   を有する第１の電気ブリツジであつて、前記接
   続線により前記第１の電気ブリツジへ電気的パ
   ワーを与えると共に、他の対向する２つの隅か
   ら延長する接続線により該ブリツジの平衡を感
   知することのできる前記第１の電気ブリツジ
   と、 (iii) 前記半導体基板上に設けられ、第１の電気ブ
   リツジの抵抗器と並んで設けられた抵抗器を有
   する第２の電気ブリツジであつて、電気的パワ
   ーを該第２の電気ブリツジへ与える接続線およ
   び前記第１の電気的ブリツジの対応する隅接続
   線に対して90゜となつている前記第２の電気ブ
   リツジの隅から延長している、ブリツジ平衡の
   感知を行なう接続線とを有する第２の電気ブリ
   ツジと、 (iv) 第１ブリツジの不平衡を感知し、かつ、それ
   に応答して第１の出力信号を発生する手段と、 (v) 第２ブリツジの不平衡を感知し、かつ、それ
   に応答して第２の出力信号を発生する手段と、
   および (vi) 前記第１と第２の信号に応答して、そこから
   流体速度の測定値に対応する第３の出力信号を
   発生する手段、 とを備えていることを特徴とする前記周囲温度補
   償装置。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の装置において、
   前記高温フイルム温度感知抵抗器は前記基板の半
   導体内に拡散されていることを特徴とする周囲温
   度補償装置。 ３ 特許請求の範囲第１項記載の装置において、
   前記第１および第２の電気ブリツジのアーム内の
   抵抗器すべては、ほぼ同じ抵抗特性および熱的特
   性を有していることを特徴とする周囲温度補償装
   置。 ４ 特許請求の範囲第１項記載の前記第１および
   第２の電気ブリツジの不平衡を感知する手段は、
   前記基板の半導体内に形成された差動増幅器であ
   ることを特徴とする周囲温度補償装置。 ５ 特許請求の範囲第１項記載の装置において、
   前記第２の電気ブリツジは第１の電気ブリツジと
   隣接して設けられ、かつ更に、前記両ブリツジを
   接続して該両ブリツジが共通電源から付勢される
   ようにした接続線を有することを特徴とする周囲
   温度補償装置。