JPH0493768A - 流速センサ - 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、気体の流速を測定する流速センサに係わり、
特にダイアフラム構造の流速センサに関するものである
。

［従来の技術］ 一般に気体の流速測定には、各種の構造の流速センサが
提案されており、その１つとして例えば特開昭６０−１
４２２６８号公報には、半導体製造技術を用いて製作さ
れた熱式流速センサが提案されている。この熱式流速セ
ンサは、第６図に要部拡大平面図で示すように半導体基
板１にこの半導体基板１と熱的に絶縁する空隙部２を介
して薄ａ状のブリッジ部３が形成されており、このブリ
ッジ部３上の表面中央部にはヒータエレメント４および
このヒータエレメント４の両側に熱感知用の測温抵抗エ
レメント５，６が形成されて構成されている。なお、７
は空隙部２に連通された開口である。

このように構成される流速センサは、ヒータエレメント
４に電流を流して加熱し、気体の流れの中に置いたとき
に矢印方向８から気体が移動すると、上流側の測温抵抗
エレメント５は気体の流れよって冷却されて降温し、一
方、下流側の測温抵抗エレメント６は温度が上昇する。

この結果、上流側の測温抵抗エレメント５と下流側の測
温抵抗エレメント６との間に温度差が生じ、抵抗値が変
化する。このため、上流側の測温抵抗エレメント５と下
流側の測温抵抗エレメント６とをホイートストンブリッ
ジ回路に組み込み、その抵抗値の変化を電圧に変換する
ことにより、気体の流速に応じた電圧出力が得られ、そ
の結果、気体の流速を検出することができる。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、従来の流速センサにおいて、ブリッジ部
３上の表面にヒータエレメント４の両側に配置されたと
測温抵抗エレメント５．６は、その抵抗体パターンの全
体形状がヒータエレメント４とほぼ同等の矩形状を有し
て形成されているので、矢印方向８からの例えば秒速２
ｃｍ程度の低流速の気体の流れに対して発生したヒータ
エレメント４を中心とする円弧状の温度分布の変化を効
果的に検出できないという問題があった。また、ヒータ
エレメント４の近傍に配置された測温抵抗エレメント５
，６は、ヒータエレメント４からの熱が大きく伝導され
、測温抵抗エレメント５．６の初期温度が不必要に高く
なり、ダストの付着による検出誤差の影響や上流側測温
抵抗エレメント５と下流側測温抵抗エレメント６との間
の温度係数（ＴＣＲ）ミスマツチドリフトなどの影響を
受は易いという問題があった。

［課題を解決するための手段］ このような課題を解決するために本発明による第１の流
速センサは、発熱体の風上側測温抵抗体の抵抗体パター
ン長を風上側から風下側に向がって発熱体によって生じ
る温度分布と同じように順次長くして配列形成し、風下
側測温抵抗体の抵抗体パターン長を風上側から風下側に
向かって同様に発熱体によって生じる温度分布と同じよ
うに順次短くして配列形成したものである。

本発明による第２の流速センサは、第１の流速センサに
おいて、発熱体の両側に形成された測温抵抗体の発熱体
側に近接する抵抗体パターンの形状を湾曲状に配列した
ものである。

本発明による第３の流速センサは、第１の流速センサに
おいて、発熱体の両側に形成された測温抵抗体はその発
熱体に近接する側の抵抗体パターンを対象気体の高流速
または高流量域における感度低下が許容できる範囲で発
熱体から離間させたものである。

本発明による第４の流速センサは、第１の流速センサに
おいて、発熱体の両側に形成されな測温抵抗体の外側に
測温抵抗体として動作しない抵抗体パターンを設けたも
のである。

［作用］ 本発明による第１の流速センサにおいては、」−流側測
温抵抗体および下流側測温抵抗体は、発熱体によって生
じた温度分布か気体の流れによって大きく変化する部分
のみに集中して配置される。

本発明による第２および第３の流速センサにおいては、
上流側測温抵抗体および下流側測温抵抗体か発熱体の発
熱による熱伝導を必要以上に受けなくなり、初期温度を
低下させる。

本発明による第４の流速センサにおいては、上流側測温
抵抗体と下流側測温抵抗体との気体の流れによって生じ
る温度変化が大きくなる。

［実施例］ 以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明する。

第１図は本発明による流速センサの一実施例による構成
を示す平面図であり、前述の図と同一または相当部分に
は同一符号を付しその説明は省略する。同図において、
半導体基板１の表面中央部分には、この半導体基板１に
対して空隙部２を介して熱的に絶縁された薄膜状のダイ
アフラム部３ａが形成されており、このダイアフラム部
３ａの中央部分には、ヒータエレメント４が形成され、
さらにこのヒータエレメント４の両側にはそれぞれ独立
した測温抵抗エレメント５．６が形成されている。また
、この半導体基板１上の表面には、この半導体基板１の
エツチングのための多数のスリット１１が開設され、ヒ
ータエレメント４および測温抵抗エレメント５，６の周
辺部を、その半導体基板１の表面に開設された多数の細
かいスリット１１を介して例えば異方性エツチングを行
うことにより、内側に逆台形状の空気スペースを有する
空隙部２が形成されている。これによってこの空隙部２
の上部には、半導体基板１からダイアフラム状に空間的
に隔離され、この半導体基板】からヒータエレメント４
および両側の測温抵抗エレメント５．６が熱的に絶縁さ
れて支持されたダイアフラム部３ａが形成される構造と
なっている。なお、１１□、１１２．１１３．１１．４
はダイアフラム部３ａにおいて、風上側から風下側に向
かって各測温抵抗エレメント５．ヒータエレメント４．
測温抵抗エレメント６の配列前後に空隙部２と連通して
連続的に開設されたスリット部である。また、第２図に
要部拡大平面図で示すようにこのダイアフラム部３ａに
設けられた上流側の測温抵抗エレメント５は、気体の流
れる矢印方向８と交差する長手方向の抵抗体パターン長
が風上側から風下方向に向かって順次長くなるように形
成され、さらに上記同様に下流側の測温抵抗エレメント
６は、その長手方向の抵抗体パターン長が風上側から風
下方向に向かって順次短くなるように形成されている。

つまり上流側の測温抵抗エレメント５および下流側の測
温抵抗エレメント６の外形形状がヒータエレメント４を
中心として半円ないしは台形状を有して形成されている
。さらにこれらの測温抵抗エレメント５および測温抵抗
エレメント６は、その抵抗体パターンのヒータエレメン
ト４と近接する側の中央部には抵抗体パターンが形成さ
れておらず、さらに抵抗体パターンがヒータエレメント
４から一定の距５ｕｕａされて形成されている。つまり
上流側の測温抵抗エレメント５は風上側に寄せて形成配
置され、下流側の測温抵抗エレメント６は風下側に寄せ
て形成配置されてヒータエレメント４の両側が比較的広
い湾曲状の平面領域１２が形成されている。この場合、
測温抵抗ニレメン１〜５．６は、例えば半導体基板１の
寸法を１４００μｍ角、ダイアフラム部３ａの四方角を
５００μｍとしたとき、ヒータエレメント４のエツジか
らの長さで８０〜３００μｍの範囲内に形成されること
が好ましい。

このような構成によると、測温抵抗エレメント５．６は
、その外形形状が半円ないしは台形状有して形成したこ
とによって矢印方向８からの気体の流れによる温度変化
の大きい部分のみに有効的に配置され、無駄な部分がな
くなることになり、検出感度を大幅に向上させることが
できる。また、測温抵抗エレメント５．６の外形形状に
加えてヒータエレメント４の周辺部に比較的広い湾曲状
の平面領域１２を設けたことにより、ヒータエレメント
４の発熱が測温抵抗エレメント５，６に必要以上に伝導
されなくなり、初期温度をさらに低Ｆさせるので、低流
速域における検出感度をより一層向上させることかでき
るとともにダストの付着による検出誤差の影響や上流側
測温抵抗エレメント５と下流側測温抵抗エレメント６と
の間の温度係数（ＴＣＲ）ミスマツチドリフトなどの影
響を受けにくくなる。さらにヒータエレメント４と測温
抵抗エレメント５，６との間にその抵抗体パターンの長
さ方向に沿ってスリット部１１□。

１１３を設けたことにより、上記効果をさらに向上させ
ることができる。

第３図は本発明による流速センサの他の実施例による構
成を示す要部平面図であり、前述の図と同一または相当
部分には同一符号を付し、その説明は省略する。同図に
おいて、第２図と異なる点は、上流側測温抵抗エレメン
ト５および下流側測温抵抗エレメント６のヒータエレメ
ント４の長さ方向両端部には、複数の棒状パターンの集
合体からなる抵抗体パターン１３が形成配置されている
。これらの抵抗体パターン１３は、測温抵抗エレメント
５，６の形成と同一工程で例えばパーマロイまたは白金
などにより形成されている。

このような構成によると、測温抵抗エレメント５．６は
、ダイアフラム部３ａ上の気体の流れによって生じる温
度変化の大きい部分にのみに形成配置されて抵抗変化率
が大きくなり、さらにその周囲のある程度の温度変化の
ある部分に抵抗体パターン１３を配置することで冷却フ
ィンとしての放熱機能が得られ、測温抵抗エレメント５
．６の温度変化がさらに良好となる。また、両側の測温
抵抗エレメント５，６の端部に抵抗体パターン１３を配
設したことにより、測温抵抗エレメント５．６の初期温
度をさらに低下させることができるので、ダストの付着
による検出誤差の影響や上流側測温抵抗エレメント５と
下流側測温抵抗エレメント６との間の温度係数（ＴＣＲ
）ミスマツチドリフトなどの影響をさらに受けにくくな
る。

なお、それぞれの棒状の抵抗体パターン１３の一端を測
温抵抗エレメント５，６に接続して形成しても良く、こ
の構成によると、抵抗体パターン１３と測温抵抗エレメ
ント５，６との熱伝導が良くなるため、測温抵抗体５，
６の抵抗値にほとんど影響を与えずに上述した効果をさ
らに高めることができる。

第４図は本発明による流速センサのさらに他の実施例に
よる構成を示す要部平面図であり、前述の図と同一また
は相当部分には同一符号を付しその説明は省略する。同
図において、第３図と胃なる点は、上流側測温抵抗エレ
メント５の風上側および下流側測温抵抗エレメント６の
風下側には、上記抵抗体パターン１３と同一構成の抵抗
体パターン１４が形成配置されている。

このような構成によると、第３図に示す流速センサと同
様の効果をさらに高めるとともにダイアフラム部３ａの
機械的強度を補強することができる。なお、第５図に示
すように板状の抵抗体パターン１５を形成しても上記同
様の作用効果が得られる なお、前述した実施例においては、半導体基板の一部に
空隙部を設けて形成した薄膜部構造を、ダイアフラムＦ
ｌ、　Ｍとした場合について説明したが、本発明はこれ
に限定されるものではなく、マイクロブリッジ構造に適
用しても前述とほぼ同等の効果が得られることは言うま
でもない。

また、前述した実施例においては、基台として半導体基
板を用いた場合について説明したが、本発明はこれに限
定されるものではなく、例えばアルミニウム、ステンレ
スなどの金属基板を用い、ダイアフラム部をＳｉ　０２
．５ｊ３Ｎ４などの絶縁膜で形成しても上述と同様な効
果が得られることは言うまでもない。

また、前述した実施例においては、ダイアフラム部の形
成に異方性工・ソチングを用いた場合について説明した
が、例えば弗酸と硝酸との混合液による等方性エツチン
グなどによるエツチング方法を用いても同様に形成でき
ることは勿論である。

また、ダイアフラム部の形成方法は、エツチングに限ら
れるものではなく、エンドミル　レーザなどによる加工
でも形成可能であり、もしくは基板とダイアフラム部と
を別々に製作し、両者を張り合わせても同様に形成でき
ることは勿論であ［発明の効果１ 以上、説明したように本発明による流速センサによれば
、風上側の測温抵抗体は抵抗体パターン長を風上側から
風下側に向かって順次長くして配列して形成され、風下
側の測温抵抗体は抵抗体パターン長を風上側から風下側
に向かって順次短くして配列して形成したことにより、
両者の測温抵抗体は気体の流れによって発生する温度変
化の大きい部分のみに集中して配置されるので、抵抗変
化率が大きくなり、検出感度を大幅に向上させることが
できる。また、発熱体の両側に形成された測温抵抗体は
、その発熱体側に近接する抵抗体パターン形状を湾曲状
に形成したことにより、発熱体の熱が必要以上に伝導さ
れなくなり、両側の測温抵抗体の初期温度を低下させ、
ダストによる影響およびＴＣＲミスマツチドリフトなど
の影響を受は難くなるとともに検出感度をさらに向上さ
せることができる。さらに発熱体の両側に形成された測
温抵抗体を発熱体から離間させたことによリ、その効果
が顕著に得られる。また、両側の測温抵抗体の外側に測
温抵抗体として動作しない抵抗体パターンを設けたこと
により、各測温抵抗体間の温度変化がさらに効率良く得
られるとともに初期温度をさらに一層低下させることが
できるなどの極めて優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による流速センサの一実施例による構成
を示す平面図、第２図は第１図の要部拡大平面図、第３
図は本発明による流速センサの他の実施例による構成を
示す平面図、第４図は本発明による流速センサのさらに
他の実施例による構成を示す平面図、第５図は本発明に
よる流速センサの他の実施例による構成を示す平面図、
第６図は従来の流速センサの構成を示す要部平面図であ
る。 １・・・・半導体基板、２・・−一空隙部、３ａ・　・
・ダイアフラム部、４・・・・ヒータエレメント、５・
・・・上流側測温抵抗エレメント、６　・・・下流側測
温抵抗エレメント、８・・・・矢印方向、１１・・・・
スリット、１１□、１１□、１１３，１１．　・・・・
スリット部、１２・・・・平面領域、１３，１４．１５
抵抗体パターン。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）基台と、前記基台の一部に空間を設けて薄肉状に
   形成されたダイアフラム部と、前記ダイアフラム部に形
   成された発熱体と、前記発熱体の両側に形成された測温
   抵抗体とを備え、前記測温抵抗体の風上側は抵抗体パタ
   ーン長を風上側から風下側に向かって順次長くして配列
   して形成され、前記測温抵抗体の風下側は抵抗体パター
   ン長を風上側から風下側に向かって順次短くして配列し
   て形成されたことを特徴とする流速センサ。
2. （２）請求項１において、前記発熱体の両側に形成され
   た測温抵抗体は、その発熱体側に近接する抵抗体パター
   ン形状が湾曲状に形成されたことを特徴とする流速セン
   サ。
3. （３）請求項１において、前記発熱体の両側に形成され
   た測温抵抗体は、その発熱体に近接する側の抵抗体パタ
   ーンが発熱体から離間されたことを特徴とする流速セン
   サ。
4. （４）請求項１において、前記発熱体の両側に形成され
   た測温抵抗体の外側に測温抵抗体として動作しない抵抗
   体パターンを設けたことを特徴とする流速センサ。