JPH04115125A - 熱流量センサ - 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〕 本発明はガス、液体等の流体の流量測定に用いられる熱
流量センサに関する。例えば、配管中を流れるガスや液
体の流量を測定するのに用いる。

〔従来の技術〕

従来、比較的構造が簡単で、かつ精度よく検出できる流
体の流量を測定するものとして、熱を利用する熱流量計
が知られている。その内代表的なものとしては、トーマ
スガスメーター、境界層流量計、および微小質量流量計
がある。しかし、これらの従来の熱流量計はそれぞれ次
に述べる問題点を有していた。

トーマスガスメーターは、流体の流路中に配列されたヒ
ータを加熱し、サーミスタ型感温素子や熱電対等の測温
体を用いて加熱前後における温度差より流量を検出する
方法で、構成が簡単でかつ高精度に検出できるという特
徴を有するが、被測定気体をヒータにより直接加熱する
。そのため、被測定気体を分解、汚染する他、形状が大
きいので応答速度が遅いという問題点があった。

また、境界層流量計は、流路管外壁にヒータ、および測
温体が設けである。そのため、被測定気体の分解、汚染
は少ないが、測定感度が低く、かつ、応答速度が遅いと
いう問題点があった。

他方、微小質量流量計は、測定用流路として細管を用い
ている。そのため、境界層流量計で問題となった測定精
度の低下は解決できたが、流体中に含まれる塵あい等に
より管内が目詰まりしやすいという新たな問題点が生じ
ていた。

熱波量センサとしては、以上に述べた、被測定流体を加
熱する方式の他、被測定流体中に配列された熱線から奪
われる熱量をサーミスタ抵抗値の変化分より検出する熱
線流速センサがある。しかし、熱線流速センサは、形状
が大きいので測定する上で比較的大きな空間を必要とす
る上、更に、熱線への電力供給端子と、熱線の抵抗測定
端子が同一であるために、測定値が安定するまでに長時
間を要する上、高精度に測定することが困難であった。

また、高精度に検出しようとした場合には安定化電源や
複雑な補正回路を必要とし、その結果高価格となりあま
り実用的でなかった。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、従来の熱流量計に用いられていた熱電対
は素子形状が大きく応答速度が遅い上、また、高精度に
測定しようとすると管の径が細くなり、実装上問題点が
多かった。

また、一般に加熱用ヒータと検出用熱電対が一体化され
ていないので小型化に限界があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、
半導体薄膜技術を用いることにより加熱用ヒータと検出
用熱電対を同一基板に小型、集積化することにより高速
応答および高精度化を実現する熱流量センサを提供する
ことを課題とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために本発明の熱流量センサにおい
ては、熱不良導体絶縁性基板上に半導体プロセス技術を
用いて薄膜ヒータとしての薄膜抵抗体、および測温体と
しての薄膜熱雷対を集積化する構成とした。

具体的には、流体が流れる流路中に配置される熱流量セ
ンサを以下、 ■熱不良導体基板１と、 ■熱不良導体基板１上に設けられた薄膜ヒータ２と、 ■熱不良導体基板１上に設けられ、冷接点の温度と薄膜
ヒータ２が発生した熱量と流体の流量とで定まる温接点
の温度との差を検出する薄膜熱電対３および４との構成
とした。

〔作用〕

このように、同一熱不良導体基板１上に設けられた加熱
用の薄膜ヒータ２、および薄膜ヒータ２に近接されて配
列された薄膜熱電対３．４より構成された熱流量センサ
においては、薄膜ヒータ２に電力源より所定の電力が供
給されることにより発熱し、薄膜ヒータ２近傍の温度は
上昇する。この時上昇する温度の値は、ガスや液体の流
れが無い場合は、主として熱電対を構成する基板や熱電
対材料の形状と熱伝導率により決定され、熱平衡状態に
なり、近接して配列された薄膜熱電対３．４により検出
される。次に、ガスや液体の流れが生じた場合は、薄膜
ヒータ２の熱の一部がガスや液体により奪われ、前に述
べた熱平衡状態よりずれ、薄膜ヒータ２の温度は低くな
る。この時の温度の低下は次式で与えられる。

△ＴＩ＝Ｔ１　Ｔｏ　＝Ｒｔｓ、・Ｐ・・・・・・（１
）ここで、△Ｔ、は薄膜ヒータ２の上昇した温度、Ｔ、
は薄膜ヒータ２すなわち温接点の温度、Ｔ。

は冷接点の温度、Ｒｔｌ、は熱抵抗、Ｐは薄膜ヒータ２
に外部より供給された電力をそれぞれ表す。

次に、流体によって薄膜ヒータ２がら失われる熱量△Ｐ
を考慮した場合の上昇温度△Ｔ２は次式％式％ ここでｈは流体の流速■の平方根および比熱によって決
定される量、Ａは薄膜ヒータの面積である。

従って、流体の比熱が一定の場合、式（１）および式（
２）より流体の流速と温度との関係は次式で表される。

へＴ＝へＴ、−ΔＴ！ Ｒｔ、ｌ　−Ａ　ｈ −Ｒ・・・Ｐ（１＋Ｒｔｈ　、Ａｈ　　）＝Ｒｔあ　　
・Ｐ−Ａ”　■１″　　　・・・・・・　（３）但し、
Ｒｔｌ′−Ａ’　　Ｖｌ”　＜　ｌとする。

第　　１ 表 第１表に一例として示すガスや液体の定圧比熱＜ｊ−ｇ
−’・Ｋ−１）、密度（１０−’　ｇ　−ｃｖａ−”　
）や熱伝導率（１０−”Ｗ−１ｍ−’・Ｋ−１）は既知
であるので、ヒータの温度の低下分へＴを、近接して配
列された薄膜熱電対を用いて測定することにより流体の
速度すなわち流量を求めることができる。

第２図に測定結果を示す。第２図中、横軸は流量を、ま
た縦軸は検出電圧の大きさを、また、白丸印（０）は窒
素（Ｎ２）を、ばつ印（×）は水素（Ｎ２）を示す。第
２図から明らかなようにガス流量の違いにより検出電圧
は異なるので、ガスの種類が分かっていれば、検出電圧
の大きさより流速すなわち流量を求めることができる。

〔実施例〕

以下、この発明の熱流量センサの一実施例について説明
する。

（第一の実施例） 第１図は本発明における熱流量センサの第一の実施例を
示す図で、（Ａ）は平面図を、（Ｂ）は側面図を、また
（Ｃ）は、ｘ−ｘ’における断面図を示すものである。

熱流量センサは熱不良導体基板ｌと、熱不良導体基板１
上に設けられた薄膜ヒータ２および温接点が薄膜ヒータ
２の近傍に配列された薄膜熱電対３および４が同一熱不
良導体基板１上に集積化されている。具体的には、熱不
良導体基板１として板厚１５０μｍのガラス基板を、薄
膜ヒータ２としてＮｉＣｒ１膜抵抗体を、さらに薄膜熱
電対３および４として微結晶化シリコン薄膜を用いた構
成とした。また、熱流量センサの感度を向上させるため
に、薄膜熱電対３および４の温接点、冷接点間の温度差
を大きくすることが必要となる。そのため、熱不良導体
基板１には、熱伝導率の小さい基板、例えば、ガラス、
アルミナ、サファイアなどのセラミック基板で、かつ、
できるだけ基板厚の薄いものを用いる。薄膜ヒータ２に
は、ＴａＮｚ、ＮｉＣｒ、Ｔｉなどの薄膜抵抗体を真空
蒸着法やスパッタ法などにより設けて用いる。Ｅｌ薄膜
熱電対および４には、前に述べた半導体薄膜の他、金属
薄膜例えばＢ１−５ｂ等を用いことができる。

ここで金属薄膜は真空蒸着法やスパッタ法により、また
、半導体薄膜はＣＶ　Ｄ　（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐ
ｏｕｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　）法や分子線エピタキシ
ー法等を用いて容易に作製することができる。なお、５
Ａおよび５Ｂは、薄膜ヒータ２に電力を供給するための
電極対である。また、６Ａおよび６Ｂは薄膜熱電対３．
４からの出力信号を取り出すための電極対である。〔作
用〕の項で述べた第２図は、ガラス基板上に抵抗値９０
Ωの薄膜ヒータ２と、ｐ形アモルファスシリコン半導体
−Ａ　ｕ　／　Ｎ　ｉ　Ｃｒの薄膜熱電対３．４とを設
けた熱流量センサの測定結果である。熱流量センサ本体
は、２対の電極上に圧着したリード線により流束中に保
持した。なお、熱流量センサ本体は流路径に比べて十分
小さい。また、流量はＯｃｃ＋ｍから１．００　ｃｃ−
まで変化させ横軸に示し、そのときの薄膜熱電対からの
検出電圧■、を縦軸に示した。Ｏ印はＮ２を、Ｘ印はＮ
２である。なお測定は室温（摂氏２０度）で行った。こ
の図のように、流量に対応した検出電圧がそれぞれ得ら
れ、各測定値のばらつきも±２％以内であった。

（第二の実施例） 第３図は熱流量センサの第二の実施例で、第３図中の番
号は第１図と同じであるが、薄膜ヒータ２と薄膜熱電対
３．４とが熱不良導体基板１を介して反対側に位置し、
これを第４図のように熱流量センサ本体を流路外に埋め
込むように配置している。つまり、流体が流れる流路を
画成する部材７に取り付けられる熱量の流量センサであ
って、その薄膜熱電対の冷接点が流路を画成する部材７
に熱接触して配置されるようにした熱流量センサである
。このように配置されるために、流体の流れを乱さずに
、かつ、熱電対の冷接点が常に一定の温度に保たれるこ
とで精度よく測定が出来た。

更に、流量センサの検出感度を高める上では、熱流量セ
ンサを流体の流れる方向と平行（Ｙ−Ｙ”）に配置すれ
ば良い。

（第三の実施例） 第５図は熱流量センサの第三の実施例で、第一の実施例
または第二の実施例の熱波量センサの形状を流線形とし
たものである。流束中に保持する場合、流体の流速が速
くなると、熱流量センサの形状によっては流体の渦が発
生する場合がある。

そのため、熱波量センサの形状を流線形として、流体の
渦の発生を防ぎ、流量測定の精度を維持するものである
。具体的には、熱流量センサの本体（センサチップ）を
流線形のケースに収納し、薄膜ヒータ２を流体の流れに
さらされるようにケースに窓を設ける。さらに薄膜熱電
対の冷接点がケースに熱接触するよう保持部材で配置さ
れるようにした熱流蓋センサである。

また、測定部分を渦の発生しない位置に配置することに
より同様の効果を得ることができる。

なお、第一の実施例乃至第三の実施例の熱不良導体基板
１の材料は、記載したものに限定されるものではなく、
薄膜ヒータ２からの熱を温接点に効率良く伝導するが、
冷接点に伝導しないような結晶方向および材料、例えば
水晶等を用いればよい。

［発明の効果］ 本発明は、以上説明したように熱不良導体基板上に設け
た熱電対とヒータとを利用して流量計を構成しているの
で、以下の効果を奏する。

■半導体薄膜技術を用いることにより、加熱用の薄膜ヒ
ータと、検出用の薄膜熱電対を同一基板上に一体化した
ことにより、さらに小型、集積化できたので細管内の流
体流量測定ができ、かつ測定も高速、高精度でできるよ
うになった。

■構造、検出原理とも簡単なために、容易に流体の流量
測定が出来る。

■流路画成部材内に熱流量センサ本体を埋め込むことに
より、流体の流れを乱さずに、正確に流量の測定が出来
る。

■加熱用の薄膜ヒータは小型であるために、被測定流体
の加熱も少ないために、被測定流体の分解、汚染がない
。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）は第一の実施例を示す熱量流量センサの素
子パターン図、第１図（Ｂ）は第１図（Ａ）の側面図、
第１図（Ｃ）は第１図（Ａ）のＸ−ｘ゛断面図、 第２図はＨ２、ＮＺそれぞれの流量と検出電圧との関係
を示す図、 第３図（Ａ）は第二の実施例を示す熱量流量センサの素
子パターン図、第３図（Ｂ）は第３図（Ａ）の側面図、
第３図（Ｃ）は第３図（Ａ）のＸＸ゛断面図、 第４図は第二の実施例の熱量流量センサの最適配置図、 第５図は第三の実施例の熱量流量センサの形状−を表す
図である。 １・・・熱不良導体基板、 ２・・・薄膜ヒータ、 ３．４・・・薄膜熱電対、 ５Ａ、５Ｂ、６Ａ、６Ｂ・・・電極対、７・・・流路を
画成する部材。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 流体が流れる流路中に配置される熱流量センサであって
   、熱不良導体基板（１）と、該熱不良導体基板上に設け
   られた薄膜ヒータ（２）と、前記熱不良導体基板上に設
   けられ冷接点の温度と前記薄膜ヒータが発生した熱量と
   前記流体の流量とで定まる温接点の温度との差を検出す
   る薄膜熱電対（３、４）とを備えた熱流量センサ。