JPH0474672B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は空気の流れ速度を測定する流速センサ
に関する。

〔従来の技術〕

市販されている空気の流れ速度に関するセンサ
は、一般には、空気の流れの中に挿入する長いプ
ローブの先に、１本の熱源かサーミスタを配置す
るものである。これは、空気の流れによる冷却効
果によつて引き起こされる温度低下と、それにと
もなう電気抵抗値の変化により空気の流れ速度を
測定するものである。さらに、最近２個のセンサ
と、ヒータ素子からなるマイクロブリツジ流速セ
ンサが知られている。このような半導体センサは
例えば、米国特許4472239、4478076、4478077、
4548078、4581928、4624137などに示されている。

マイクロブリツジ流速センサの従来例の一つを
第３図から第８図に示す。これらは米国特許
4501144に示されているものである。これは２個
のセンサ２２，２４とヒータ２６を基板20上に有
しているものである。センサ２２，２４はヒータ
２６の両側に配されている。基板２０は例えばSi
のようなエツチング、及び生産の容易な物質から
なる半導体である。そしてこの基板上に形成され
る格子形状をなす全く同一の２個の測温抵抗素子
は薄膜の熱感知センサ２２，２４として働き、こ
の２個のセンサの中央部に配置される格子形状を
なす発熱抵抗素子は薄膜のヒータ２６として働
く。熱感知センサ２２，２４及びヒータ２６とし
ては、鉄とニツケルの合金、例えば80％のニツケ
ルと20％の鉄からなるパーマロイといつたものを
使うことが適している。これら熱感知センサ２
２，２４及びヒータ２６は、例えば窒化シリコン
からなる薄膜の絶縁層２８，２９により包まれ
て、薄膜部材を形成する。第３図及び第４図の実
施例に示すように、センサはヒータ２６の半分と
熱感知センサ２２からなる薄膜部材３２と、ヒー
タ２６の半分と熱感知センサ２４からなる薄膜部
材３２とから構成され、巾150μ長さ400μの大き
さを有する。

更にこのセンサは、熱感知センサ２２，２４及
びヒータ２６を効果的に囲む空気スペース３０を
有する。この空気スペース３０はシリコンの表面
３６に微細構造をもつて形成される。すなわち熱
感知センサ２２，２４及びヒータ２６は、約0.08
〜0.12μの厚さで線間に約5μの間隔を有する巾5μ
の線からなり、しかもこれらは全体の厚さが約
0.8μ以下になるような窒化シリコンの薄い膜によ
つて包まれるように構成される。そしてエツチン
グによりくぼみである空気スペース３０が、薄膜
部材３２，３４の下のシリコン基板２０の中に
125μの深さで正確に形成される。薄膜部材３２，
３４は、空気スペース３０の１つまたはそれ以上
のエツジにおいて、シリコン基板２０の表面３６
の最上部に接続される。例えば第３図に示すよう
に、薄膜部材３２，３４は、空気スペース３０を
架橋するように構成される。

窒化シリコンは非常に優れた熱的絶縁体であ
る。薄膜部材３２，３４を包む窒化シリコンの膜
が極めて薄くかつ熱的絶縁もよいことから、窒化
シリコン膜によるヒータ２６の熱の損失は極めて
小さくヒータ２６から熱感知センサ２２，２４に
伝わる熱のほとんどがヒータ２６を取り囲む空気
を通して伝えられることになる。すなわち窒化シ
リコン膜の熱伝導率が小さいことから、熱感知セ
ンサ２２，２４をヒータ２６に極めて隣接して配
置することができ、ヒータ２６からの熱のほとん
どは窒化シリコン膜を通らずにヒータ２６を取り
囲む空気を通して伝えられることになる。そし
て、ヒータ２６の近傍の空気中に効果的に強固に
ささえられた熱感知センサ２２，２４はヒータ２
６を取り囲む空気とヒータ２６上の温度を測定す
るプローブとして働くことになる。

空気の流速を検出する原理を第４図に基づいて
説明する。ヒータ２６は、基板２０の温度より
200℃高くなる一定の温度に加熱される。ヒータ
２６の温度を流れる空気の温度より200℃高く保
つといつても0.01Wより小さな電力が要求される
にすぎない。

ヒータ２６からの熱伝導率の大部分は空気スペ
ース３０も含んだ周囲の空気を通して行われる
が、従来例において空気の流れのないとき、熱感
知センサ２２，２４は平均温度で約140℃（200℃
の約70％）に熱せられる。すなわち、図に示すよ
うに、熱感知センサ２２，２４はヒータ２６に対
して正確に対称に配置されるので、空気の流速が
０の時にはこの２つのセンサの温度は同一になり
この２つのセンサの抵抗値に差は生じない。

空気の流れのある時には、上流に位置する熱感
知センサ２２はヒータ２６へ向かう空気の流れに
より熱が運び去られるので冷却され、一方下流に
位置する熱感知センサ２４はヒータ２６からの空
気の流れによつて熱せられることになる。これに
よつて生ずる熱感知センサ２２と２４の間の抵抗
値の差が電圧値の差をもたらし流速が測定され
る。増幅しないときこの電圧差は、760cm／秒の
空気の流速において0.1V程度のものである。

ヒータと熱感知センサの熱容量が極めて小さい
ことと、基板への接続手段である窒化シリコン膜
により与えられる熱的絶縁性と、空気スペースの
存在により当センサの応答性は測定結果によれば
時定数が0.005秒と非常に速いものとなる。すな
わち熱感知センサ２２と２４は空気の流れの変化
に非常に速く応答できることになる。

従来例においてヒータ２６は空気の温度に対し
て一定の温度となるように駆動され、熱感知セン
サ２２と２４は定電流で駆動されることから、熱
感知センサ２２と２４の温度変化は抵抗値の変化
として検知されることになる。これらの機能を実
現するための回路例を第７図及び第８図に示す。
第７図に示される温度制御回路は、ヒータ２６の
温度を比較抵抗３８によつて検出される周囲温度
よりも高い一定温度に保つためのホイストンブリ
ツジ回路４６により構成される。ここで前述した
ように、この一定値は約200℃に設定されている。
ホイストンブリツジ回路４６は、ヒータ２６と抵
抗４０により一辺を、比較抵抗３８と抵抗４２，
４４により一辺を構成している。アンプ４８と５
０からなる積分回路は、出力の電位を変化させる
ことでブリツジ回路４６がバランスするように動
作し、ヒータ２６によつて消費される電力を一定
に保つようにする。

第８図に示す回路は、空気の流れの上流に位置
する熱感知センサ２２と、下流に位置する熱感知
センサ２４との間の抵抗値の差を検出するための
ものである。この回路は、アンプ７２からなる定
電流電源部５２と、アンプ６８と７０からなる差
動増幅部５４から構成される。定電流電源部５２
は、１辺に高インピーダンス抵抗５６，５８と、
他辺に零調用可変抵抗６０及び熱感知センサ２
２，２４を有するホイストンブリツジ回路を駆動
する。差動増幅器５４の利得は可変抵抗６２によ
り調整される。出力端６４は熱感知センサ２２と
２４の間の抵抗値の差に比例する出力電圧を出力
する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

第３，４，５ｂ図で示す従来の流速センサは、
ヒータ２６及び熱感知センサ２２，２４の間の絶
縁窒化層の熱容量が非常に小さく、そのため各々
のセンサ抵抗体の温度は周囲の空気の状態によつ
て大きく変化することとなる。上流側の検出器
（出力信号を送出する）は空気の流れによつて、
この空気流の温度に近づくまで冷却される。その
結果、出力信号は流速が約1520cm／秒で飽和状態
に達する。下流側のセンサ抵抗は空気流による熱
伝達により幾分加熱されるため、出力信号がその
分、変化するが、飽和状態に達すると加熱より冷
却が強まり変化は検出できなくなる。

本発明は、上述の従来の流速センサの技術を基
本として、さらに従来のマイクロブリツジ流速セ
ンサでは測定困難な高速流領域での測定を可能と
したものである。従来のマイクロブリツジ流速セ
ンサでは、センサ上の流速が平均1520cm／秒を超
えると熱伝達が飽和状態となり、これ以上の流速
での変化をとらえることはできなかつた。本発明
は、従来のセンサの約６倍の流速が測定可能であ
り、平均流速10140cm／秒までは熱伝達が飽和状
態とならない構成を有する。

〔問題点を解決するための手段〕

測定可能領域を拡大するためには、第１図で示
すような２層構造によりセンサ１２２，１２４と
ヒータ１２６を熱的に連結することが有効であ
る。

〔実施例〕

本発明の１実施例を第１図に示す。本発明は、
１対の薄膜の熱感知センサ１２２，１２４と薄膜
のヒータ１２６、及び基体２０とからなり、セン
サとヒータは架橋部１３２によつて基体と非接触
状態となつている。センサ１２２，１２４はヒー
タ１２６上の層に配置されている。本構成の従来
例第３，４，５図との根本的な差異は、第１図に
示すデバイスが２つの並行な薄膜抵抗層から構成
されていることである。ヒータの層、及び上流、
下流の熱感知センサの層が橋架部１３２に各々
別々の層に形成されている。２層構造としたのは
上流、下流の熱感知センサ１２２，１２４をヒー
タ１２６の上部に配置する必要性からである。

本センサの製造にはシリコンウエハー２０が用
いられ、この表面に窒化シリコン層１２９が形成
される。層１２９は典型的には4000Åの厚さにス
パツタにより形成される。次に、同様スパツタに
よりパーマロイの層が800Å形成される。適当な
フオトマスク、フオトレジストとエツチング液を
使用し、上述のエレメント２２，２４，２６，３
８と同様のパーマロイエレメント１２６が描かれ
る。このエレメント１２６は橋架部１３２の巾全
体に形成される。第２層の窒化シリコン層は、こ
のパーマロイエレメント１２６を完全に覆うよう
にスパツタにより4000Åの厚みで形成される。次
に、第２層であるパーマロイの層が層１２８上に
800Å形成される。そして、センサエレメント１
２２，１２４が上述したヒータエレメント１２６
と同様に描かれる。窒化シリコンの第３層１２７
はパーマロイエレメント１２２，１２４を完全に
覆うようにスパツタにより4000Åの厚みで形成さ
れる。これにより、エレメントの酸化が防止され
る。このように、１対のセンサ１２２，１２４は
ヒータ１２６層と平行な層に近接して配置され
る。１対のセンサとヒータ間には4000Åの絶縁層
が存在することとなる。橋架部１３２直下のスペ
ースの製造過程は第１，２，３図の従来例で述べ
たと同様である。

〔発明の効果〕

この構成により両センサの冷却には、さらに高
速の空気流が必要となる。たとえば、ヒータが
160℃を保つとすると、上流、下流の各々のセン
サはそのヒータの温度変化に対して、より忠実に
追随することになる。これはすなわち、ヒータか
ら発生する熱の空気流による伝播を、第１図に示
す２層構造とすることで、より近接した２つの位
置で測定し、空気流による熱損失の出力信号に対
する影響を少なくしたものであるといえる。

第２図は、それぞれ流速０のもとでの橋架部１
３２の面上での温度分布を示すものである。本発
明（ａ及びｃ）におけるセンサ１２２，１２４
が、従来例（ｂ及びｄ）のセンサに比較してヒー
タ端部で、温度分布が大きく異なつているのが分
かる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例を示す断面図、第２
図ａ，ｂはそれぞれ本発明、従来例の構成を示す
断面図、第２図ｃ，ｄは第２図ａ，ｂそれぞれに
対応する温度分布図、第３図、第４図、第５図、
第６図は従来のセンサの構成を示す断面図及び平
面図、第７図、第８図はセンサの機能を達成する
ための回路例を示す図である。 １２２，１２４……熱感知センサエレメント、
１２６……ヒータエレメント、１２７，１２８，
１２９……窒化シリコン層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 薄膜のヒータと、一対の薄膜の熱感知センサ
   と、半導体基板とからなる流速センサにおいて、
   上記半導体基板と、上記薄膜のヒータ及び一対の
   薄膜の熱感知センサとの間に空間を形成し、かつ
   上記一対の薄膜の熱感知センサは上記薄膜のヒー
   タの上層に絶縁部を介し、上記ヒータと略平行に
   形成してなることを特徴とする流速センサ。 ２ 上記薄膜のヒータと、一対の薄膜の熱感知セ
   ンサは、パーマロイから構成されていることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項の流速センサ。 ３ 上記絶縁部は窒化シリコンからなることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項の流速センサ。