JPH04116423A

JPH04116423A - 半導体質量流量計

Info

Publication number: JPH04116423A
Application number: JP23671690A
Authority: JP
Inventors: Toshio Aga; 阿賀　敏夫
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1990-09-06
Filing date: 1990-09-06
Publication date: 1992-04-16

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、極めて小型で、安価、かつ測定流体の広い流
量範囲に容易に対応できる半導体質量流量計に関するも
のである。

〈従来の技術〉第７図は従来より一般に使用されている従来例の構成説
明図である。

図において、１は測定流体の流れる管路である。

２は管路１に直角に挿入されたステンレスよりなる渦発
生体である、。

３は渦発生体２に設けられ渦発生による揚力を検出する
第１半導体歪みゲージである。

４は第１半導体歪みゲージ３により渦周波数を検出する
検出回路である。

５は渦発生体２に設けられ渦発生による抗力を検出する
第２半導体歪みゲージである。

６は第２半導体歪みゲージ５により抗力を検出する検出
回路である。

７は検出口Ｉ￥８４，６の出力を？寅算し、質１流足信
号を出力する演算回路である。

以上の構成において、管路１に測定流体が流れると、渦
発生体２はカルマン渦を発生ずる。発生したカルマン渦
に基づく抗力と揚力は第１．第２歪みゲージ３，５によ
り検出され、検出回路４６を介して、演算回路７て演算
かり、質量流量信号として出力され、質量流量か測定さ
れる。

〈発明か解決しようとする課題〉しかしながら、この様な装置においては、渦発生体２と
第１．第２歪みゲージ３，５とは別体構成である。

しなかつて、小形化か困難であり、構成か複雑、高価格
となり、製造も容易でない。

本発明は、この問題点を、解決するものである。

本発明の目的は、極めて小型で、安価、かつ広い測定流
体の流量範囲に容易に対応できる半導体質量流量計を提
供するにある。

く課題を解決するだめの手段〉この目的を達成するために、本発明は、支持台に一端か
支持され測定流体の流れに平行に配；ηされシリコン単
結晶よりなるカンチレバー板と、該カンチレバーの固定
端近くに半導体プロセスを利用して一体的に作り込まれ
た第１半導体歪みゲジと、前記支持台に一面が支持され
たシリコン単結晶よりなるなダイアフラム板と、該ダイ
アフラム板に測定流体の流れに対向するように形成配置
されたダイアフラムと、該ダイアフラムに半導体プロセ
スを利用して一体的に作り込まれた第２半導体歪みゲー
　ジと、該第２半導体歪みゲージと前記第１半導体歪み
ゲージとの信号出力を演算して質量流量を演算する演算
手段とを具備してなる半導体質量流量計を構成しなもの
である。

く作用〉以上の構成において、測定流体か流れると、第１歪みゲ
ージから測定流体の流速に対Ｊ】ロシた出力が得られる
。第２歪みゲージから測定流体の動圧に対応した出力が
得られる。

両出力は、演算回路で演算され質量流１信−りとして出
力され、質量流量かａｌす定される。

以下、実施例に基つき詳細に説明する。

〈実施例〉第１図は、本発明の一実維例の要部構成説明図５第２図
は第１図の電気回路ブロック図、第３図は管路Ａに取付
けた全体構成図、第４図から第６図までは第１図の動作
説明図である。

図において、第７図と同一記号の構成は同一機能を表わ
す。

以下、第７図と相違部分のみ説明する。

ＩＪは、カラス材よりなる支持台１２に一端か支持され
、この場合は、陽ｆ２接合され、測定流体の流れに平行
に配置されシリコン肋結晶よりなるカンチレバー板であ
る。

１３は、カンチレバー板１１の固定端近くに半導体プロ
セスを利用して一体的に作り込まれた第１半導体歪みゲ
ージである。

１４は、支持台１２に一面が支持され、この場合は陽極
接合され、シリコン単結晶よりなるたダイアフラム板で
ある。

１５は、ダイアフラム板１／１に測定流体の流れに対向
するように形成配置されたダイアフラムである。

１６は、ダイアフラム１５に半導体プロセスを利用して
一体的に作り込まれた第２半導体歪みゲジである。

１７は、第２図に示す如く、第２半導体歪みゲジ１６と
、第１半導体歪みゲージ１３との信号出力を演算して質
量流量を演算する演算手段である。

第３図に、管Ｆ＃ＦＡに実際に取（＝ｔ　？′１な場合
の全体構成図を示す。

以」二の構成において、測定流体か流れると、第１歪み
ゲージ１３から測定流体の流速に対応した出力が得られ
る。第２歪みゲージ１６から測定流体の動圧に対応した
出力が得られる。

両出力は、演算回路１７で演算され質量流量信号として
出力され、質量流量が測定される。

今、流速を■、圧力をＰ。、密度をρとずれは、第４図
に示す如く、流れはカンチレバー板１１の先端の角部で
剥離し、この剥離流は一定距＠グの所でカンチレバー板
１１の表面に再付着する。

而して、１Ｏｃｖ　　　　　　　　　　・・・・・・（
１）剥離域内部の圧力Ｐ、は流れか殆んど無いため、第
５図に示す如く、ｐ、　−ｐ。十に、（１／２）ρ■２・・・（２）一方
、カンチレバー板１１下面は、第６図に示す如く、はぼ
Ｐ。に等しく、剥離域のほぼ中央で考えると、Ｆ：　（Ｐ＋　　Ｐｏ　）　ｉ’−ｂ中ｌＫ＋（１／２）ρＶ２　ｌｂ　　・・・（３）ｂ＝
カンチレバー板１１の幅の力かカンチレバー板１１に作用する。

この力Ｆにより、カンチレバー板１１の固定端には曲げ
モーメントＭＭ：Ｆ　（１／２）１：に１　　（１，／４　）　１２ｐＶ２ｂ　　−（４）
が作用し、このＭにより、その表面には応力６５−（Ｍ
／Ｉ）（ｔ／２＞　　　　　　　　（５）■：断面２次
モーメントｔ；カンチレバー板１１の厚さが生じる。

この応力６は、第１半導体歪みゲージ１３で検出され、
出力Ｖ１か得られる。

（１）＜４）式により、Ｖ＋　ＯＣ６０ＣＭｏｃＶ’　　　　　　　　　　（６
）すなわち、流速Ｖ−に２　（Ｖ＋　）’◆４　　（７
）一方、ダイアフラム１５には、動圧Ｐ　２　＝　Ｋ　
３（１／２）ρｖ２が作用する。この圧力をダイアフラ
ム１５上の第２半導体歪みゲージ１６で検出し、出力Ｖ
２か得られる。

ずなわち、ｐ　Ｖ’　＝に４　Ｖ２　　　　−　（８）
単位面積当たりの質量流量ＱＭ　−一ρ■は（７）（８
）式よりＱＭ−＝ρＶＫａ　Ｖ２　　［１／　（Ｋ２　　（Ｖ＋　）’　＋４
）コ一に５　ｖ２／　（Ｖ＋　＞’　＋’−（９）これに断
面積Ｓを乗ずれば、質量流量ＱＭはＱＭ　−ＱＭ−Ｓ　
　　　　　　　　−（１０）か求まる。

すなわち、演算回路１７で演算すれは良い。

なお、実際には、使用する前に校正を行い、（９）式の
定数に５を前もって決めて置く。

カンチレバー板１１の厚さｔや長さ及び幅、あるいは、
ダイアフラム１５の厚さを選ぶ事により、測定流体の広
い流量範囲に容易に対応できる。

この結果、（１）シリコン半導体センサは、マイクロマシニングで
形成出来るので、極めて小型にでき、特に微小測定流体
に対して好適である。

（２）シリコン半導体センサは、半導体プロセスを利用
して大量生産でき、安価に作ることが出来る。

（３）カンチレバー板１１の長さ、ダイアフラム１５の
厚さを変える事により、測定流体の広い流量範囲に容易
に対応できる。

なお、演算回路１７をカンチレバー板１１やダイアフラ
ム板１４のシリコン上に形成してもよい。

また、質量流量の他に、流速、密度も検出出来る。

この場合は、流速■は（７）式より求まる。

密度ρは次式の演算により求められる。

（７）、（８）式より、 ρ””Ｋ４Ｖ２　　［１／　（Ｋ２　　（Ｖ＋　）’◆
４）。

２］＝に６Ｖ２　／　（（Ｖ＋　）’◆２）　　　（１，１
＞使用する前に、校正を行い、定数に６を求めて置く。

〈発明の効果〉以」二説明したように、本発明は、支持台に一端か支持
され測定流体の流れに平行に配置されシリコン単結晶よ
りなるカンチレバー板と、該カンチレバーの固定端近く
に半導体プロセスを利用して一体的に作り込まれた第１
半導体歪みゲージと、前記支持台に一面か支持されたシ
リコン単結晶よりなるなダイアフラム板と、該ダイアフ
ラム板に測定流体の流れに対向するように形成配置され
たダイアフラムと、該ダイアフラムに半導体プロセスを
利用して一体的に作り込まれた第２半導体歪みゲージと
、該第２半導体歪みゲージと前記第１半導体歪みゲージ
との信号出力を演算して質量流量を演算する演算手段と
を具備してなる半導体質量流量計を構成した。

（２）シリコン半導体センサは、半導体プロセスを利用
して大量生産でき、安価に作ることか出来る。

（３）カンチレバー板の長さ、タイアフラムの厚さを変
える事により、測定流体の広い流量範囲に容易に対応で
きる。

従って、本発明によれば、極めて小型で、安価、かつ測
定流体の広い流量範囲に容易に対応できる半導体質量流
量計を実現することが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例の要部構成説明図、第２図
は第１図の電気回路ブロック図、第３図は管路に取付け
た全＃：構成図、第４図から第６図までは第１図の動作
説明図、第７図は従来より一般に使用されている従来例
の構成説明図である。１１・・・カンチレバー板、１２・・・支持台、１３・
・・第１半導体ゲージ、１４・・・タイアフラム板、１
５・・・タイアフラム、１６・・・第２半導体ゲージ、
コア・・・演算回路。区。寸鰍区区 ℃ 沫昧

Claims

【特許請求の範囲】支持台に一端が支持され測定流体の流れに平行に配置さ
れシリコン単結晶よりなるカンチレバー板と、該カンチレバーの固定端近くに半導体プロセスを利用し
て一体的に作り込まれた第１半導体歪みゲージと、前記支持台に一面が支持されたシリコン単結晶よりなる
たダイアフラム板と、該ダイアフラム板に測定流体の流れに対向するように形
成配置されたダイアフラムと、該ダイアフラムに半導体プロセスを利用して一体的に作
り込まれた第２半導体歪みゲージと、該第２半導体歪み
ゲージと前記第１半導体歪みゲージとの信号出力を演算
して質量流量を演算する演算手段とを具備してなる半導体質量流量計。