JPH06167365A

JPH06167365A - 感熱式流速計及びこれを用いたフルイディック流量計

Info

Publication number: JPH06167365A
Application number: JP4321629A
Authority: JP
Inventors: Makoto Tanabe; 誠田辺; Zenichi Akiyama; 善一秋山; Hiroyuki Horiguchi; 浩幸堀口; Tatsuo Miyaji; 達生宮地; Hiroshi Onda; 浩恩田
Original assignee: Ricoh Seiki Co Ltd; Ricoh Elemex Corp; Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Seiki Co Ltd; Ricoh Elemex Corp; Ricoh Co Ltd
Priority date: 1992-12-01
Filing date: 1992-12-01
Publication date: 1994-06-14

Abstract

(57)【要約】【目的】発熱体に対する発熱体温度測温体の熱的結合
を良好にし、発熱体温度測温体の感度及び応答性を向上
させること。【構成】電気的熱的絶縁材料による基板１と、電気的
に半導体又は絶縁体特性を示し熱的に良導性を示す材料
を母材として基板１上に隔離して推積形成された第１，
２抵抗層兼熱伝達層２，３と、第１抵抗層兼熱伝達層２
の一部に対する不純物添加処理による荷電子制御により
形成された低抵抗領域６及び高抵抗領域５と、低抵抗領
域６に対する電極線８付加により形成されて通電により
発熱する発熱体９と、高抵抗領域５に対する電極線８付
加により形成されて流体の温度変化を自己の抵抗値変化
として検出する発熱体温度測温体１０と、第２抵抗層兼
熱伝達層３に対する不純物添加処理による荷電子制御に
より形成された高抵抗領域７への電極線８付加により形
成されて通電により室温を検出する室温測温体１１とに
より構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、気体、液体等の流体の
流速を計測するための感熱式流速計及びこれを用いたフ
ルイディック流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の流速計として、従来より種々の
ものがある。例えば、特開昭６２−２０３０１９号公報
に示されるように、発熱抵抗体を流体中に設置し、発熱
抵抗体の発熱量から流体によって奪われる熱量の変化を
検出して流体の流速を測定する熱式流量センサにおい
て、発熱体と発熱体温度測温体とを形成する熱絶縁基板
をガラス製としたものがある。また、特開昭６２−３０
９１７号公報等に示されるような構成よりなるフルイデ
ィック流量計もある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このような従来方式の
場合、基板が熱的絶縁性の高い溶融石英等のガラス材料
により形成されており、発熱体と発熱体温度測温体とは
独立して設けられているため、発熱体温度測温体は発熱
体の温度を熱絶縁体なる基板を介して計測するものとな
る。よって、発熱体で発生する熱は、主に熱絶縁の基板
材を介して測温体に達するので、発熱体温度測温体が測
定する温度は、実際の発熱体温度より低い温度として計
ってしまう可能性が高い。即ち、誤動作を引き起こしや
すい。また、絶縁体を介して熱の伝達によるため、定常
状態に達するまでに時間がかかり、熱的応答性の悪いも
のでもある。

【０００４】また、このような基板は流体中に配設され
るため、一般に、基板自体の大きさが小さいので、大き
な抵抗値を持つように測温体を設定するのは難しく、検
出電流による測温体そのものの温度上昇も無視できな
い。一方、発熱体の抵抗値を小さくし、通電体積を大き
くとると、発熱量及び放熱効果の点ではよいが、小さな
基板においては、発熱体と測温体との両抵抗体の条件を
同時に満足するようにすることは物理的に難しい。よっ
て、現実には、放熱効果及び電流許容値を抑えた設計と
するか、測温体の感度を抑えた設計とするかの二者択一
とせざるを得ない不十分なものである。

【０００５】また、フルイディック流量計を家庭用ガス
メータに使用する場合、毎時３〜３０００リットルの流
量を計測する必要があるが、従来のフルイディック流量
計では毎時３〜３００リットル程度の低流量域ではフル
イディック振動が起らず、流量を検出できないものであ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明で
は、電気的熱的絶縁材料による基板と、電気的に半導体
又は絶縁体特性を示し熱的に良導性を示す材料を母材と
して前記基板上に隔離して推積形成された第１抵抗層兼
熱伝達層及び第２抵抗層兼熱伝達層と、前記第１抵抗層
兼熱伝達層の一部に対する不純物添加処理による荷電子
制御により形成された低抵抗領域及び高抵抗領域と、前
記低抵抗領域に対する電極線付加により形成されて通電
により発熱する発熱体と、前記高抵抗領域に対する電極
線付加により形成されて流体の温度変化を自己の抵抗値
変化として検出する発熱体温度測温体と、前記第２抵抗
層兼熱伝達層に対する不純物添加処理による荷電子制御
により形成された高抵抗領域への電極線付加により形成
されて通電により室温を検出する室温測温体とにより構
成した。

【０００７】この際、請求項２記載の発明では、測温体
の位置する部分にｐｎ接合を形成し、ダイオード素子構
造の測温体とした。

【０００８】請求項３記載の発明では、フルイディック
振動子のノズル中央、ノズル内壁下部又は天井部の何れ
かにに請求項１又は２記載の感熱式流速計を設けたフル
イディック流量計とした。

【０００９】

【作用】請求項１記載の発明においては、電気的に半導
体又は絶縁体特性を示し熱的には良導性を示す第１抵抗
層兼熱伝達層に不純物添加処理による荷電子制御により
低抵抗領域と高抵抗領域とを形成して、各々の領域に電
極線を付加して発熱体と発熱体温度測温体とを形成した
ので、発熱体と発熱体温度測温体との熱的結合が向上
し、よって、発熱体温度測温体の温度変化による抵抗値
の変化が、より早く、より正確に、発熱体の温度を表す
ものとなり、熱的応答性のよい状態で真の発熱体温度を
検出し得るものとなる。また、第１抵抗層兼熱伝達層に
不純物添加処理による荷電子制御を施して低抵抗領域と
高抵抗領域とを形成することで、第１抵抗層兼熱伝達層
の単位面積当たりの抵抗を変えた傾斜材料を用いるの
で、発熱体の抵抗値を抑えながら、限られた実装面積で
発熱体温度測温体の抵抗値を大きくすることができ、よ
って、発熱面積を大きくとることができ、放熱効果も向
上する。さらに、通電体積も大きくなって電流許容値を
上げることができるため、流体への加熱量も増やすこと
が可能となる。このため、測定可能な流速範囲を大きく
とれる。

【００１０】一方、室温測温体は、基板上の別の箇所に
隔離形成された第２抵抗層兼熱伝達層を利用して同一の
不純物添加処理による荷電子制御及び電極線付加により
形成されるので、特別な生産段階を要することなく、発
熱体や発熱体温度測温体と並行して形成できるものとな
る。

【００１１】従って、請求項１記載の発明によれば、基
本的には、シリコン半導体ドーピング処理等の慣用技術
を利用することで、安価なガラス等の材料からなる絶縁
性の基板に、抵抗体形成層と熱伝達促進層とを同時に形
成でき、量産性を損なうことなく、測温体の感度と応答
性とを向上させ得るものとなる。

【００１２】請求項２記載の発明においては、測温体
（発熱体温度測温体又は室温測温体）に関して、不純物
添加処理によりｐｎ接合を形成してダイオード素子構造
の測温体としたので、温度変化による抵抗値変化を大き
くすることができ、よって、測温感度を向上させること
ができる。

【００１３】請求項３記載の発明においては、フルイデ
ィック流量計のフルイディック振動子のノズル中央、ノ
ズル内壁下部又は天井部の何れかに放熱効率を向上させ
た請求項１又は２記載の感熱式流速計を設けたので、低
流量域の計測を低電力で正確に行うことが可能となる。

【００１４】

【実施例】請求項１記載の発明の一実施例を図１に基づ
いて説明する。まず、電気的にも熱的にも絶縁性を示す
材料により形成された基板１が設けられている。このよ
うな基板１としては、例えば、従来と同様に溶融石英ガ
ラス板が用いられる。この基板１の表面上の２箇所に渡
り、フォトリソグラフィ法とエッチング法とによって島
状の領域を定義する。このような領域にＬＰ−ＣＶＤ法
によって、多結晶シリコン層を推積させることで、隔離
された第１抵抗層兼熱伝達層２と第２抵抗層兼熱伝達層
３とが形成されている。この際、発熱体部分と発熱体温
度測温体部分とを残すように、フォトレジスト・マスク
処理によって基板１上の残りの領域を覆うようにする。
これは、島状の領域（第１，２抵抗層兼熱伝達層２，
３）内で後述する抵抗領域の周囲を真性半導体部４とし
て残すためである。

【００１５】ついで、不純物添加処理としてＢ（ボロ
ン）イオン注入法により第１抵抗層兼熱伝達層２上の２
箇所にＢを添加注入することによりｐ型半導体に変質さ
れる。ここに、比抵抗が１０~²Ωcm程度になる前でＢイ
オン注入を一旦停止させ、一方の注入領域を高抵抗領域
５とする。この高抵抗領域５をマスクした後、さらに、
他方の領域に対してＢイオン注入を再開し、その比抵抗
が１０~³Ωcm程度になるように改質し、低抵抗領域６と
する。このような第１抵抗層兼熱伝達層２上に対するＢ
イオン注入と並行して、第２抵抗層兼熱伝達層３上に対
するＢイオン注入も同時に行い、比抵抗が１０~²Ωcm程
度となる高抵抗領域７を形成してマスクする。Ｂイオン
注入処理終了後、マスクレジストを剥離してアニール処
理を施すことにより結晶化が施される。

【００１６】このようなＬＰ−ＣＶＤ法によるＳｉ薄膜
作製条件は、原料ガス：ＳｉＨ₄ ，Ｎ₂ ，Ｂ₂Ｈ₆ ガス流量：２００〜７０００sccm 作製温度：６００〜７００℃ ガス圧：０．５〜５Ｔorr 活性化アニール条件：７００〜９００℃，１時間比抵抗：１×１０~³〜１Ωcm とした。

【００１７】このように第１，２抵抗層兼熱伝達層２，
３上に低抵抗領域６、高抵抗領域５，７を形成した後、
各々の領域上の端部付近に良導体よりなる電極線（抵抗
体電極、案内線及び引出線用電極を含む）８を形成する
ことで、各電極線８間に発熱体９、発熱体温度測温体１
０及び室温測温体１１が形成されている。電極線８の材
料には、Ａｌ，Ｎｉ，Ｗ，Ｔａ，Ｐｔ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ａ
ｇ，Ａｕ又はこれらの金属材料による合金が用いられ
る。また、電極線パターンの切出しは、リフト・オフ
法、Ａｒスパッタ・エッチング法等の周知技術が用いら
れる。

【００１８】発熱体９に対する電極線８は案内線パッド
を介して発熱体電源（図示せず）に接続され、測温体１
０，１１に対する電極線８は案内線パッドを介して測温
信号検出用の一般的な差動アンプとブリッジ回路（図示
せず）に接続され、流速計とされている。

【００１９】ここに、発熱体９等と電極線８との間の密
着性を向上させるため、１００〜７００Å程度の膜厚の
密着強度補強層を介在させてもよい。この密着強度補強
層は、電極線８の金属材料にもよるが、Ａｌ，Ｃｒ等で
あればよく、また、蒸着法、電子ビーム蒸着法又はスパ
ッタ法等の真空成膜法により形成すればよい。第１，２
抵抗層兼熱伝達層２，３は、測温体感度の向上のために
は熱容量を減少させる目的と量産性を向上させる目的か
らは極力薄いほうがよいが、抵抗値調整及び通電電流密
度を稼ぐという目的からは厚めのほうがよく、このた
め、８００〜２００００Å程度の膜厚に抑えられる。

【００２０】このように作製された半導体Ｓｉ抵抗層
は、ガラス（基板１）に比べ熱伝導性が非常に高いので
（ガラスの約１００倍）、発熱体９から発生するジュー
ル熱を瞬時に抵抗層内全域（第１抵抗層兼熱伝達層２全
域）に輸送伝達できるため、発熱体９と発熱体温度測温
体１０との熱的結合性が向上し、測温応答速度及び測温
感度をともに向上させることができる。さらに、基本的
に半導体抵抗であるため、不純物添加量の制御という慣
用の半導体技術によって、温度変化に対する抵抗値変化
の特性を制御できるものであり、このため、温度変化に
対する抵抗値変化の特性として、添加物の種類及び添加
量の可変等により、目的とする測定温度領域を任意の範
囲のみで高感度を持たせることも可能となる。

【００２１】なお、不純物添加処理としては、Ｉn-situ
ドーピングＬＰ−ＣＶＤ法等によってもよい。この場
合、まず、Ｉn-situドーピング処理により第１，２抵抗
層兼熱伝達層２，３全面をＢで低抵抗化した後、発熱体
部分を残してイオン注入法又はイオン拡散法により不純
物Ｐを添加する。この時、測温体部分では真性半導体に
なる前に不純物注入を終える（即ち、比抵抗が１０~¹〜
１０~⁰Ωcmになり次第、処理を終える）。残りの部分で
は真性半導体になる迄、電荷補償を行い続ける。ドーピ
ング添加物はＰ、Ａｓでもよい。この場合には後の電荷
補償処理をＢで行えばよい。

【００２２】なお、前述したようにＬＰ−ＣＶＤ法等に
よって基板１の表面２箇所に第１，２抵抗層兼熱伝達層
２，３を推積形成した後、アニール処理を施して結晶化
し、その後で、選択的にイオン打込み処理を行い、測温
体１０，１１を形成する高抵抗領域５，７部分をｐｎ接
合構造に変質させることでダイオード素子構造としても
よい（請求項２記載の発明に相当）。選択拡散法による
ｐｎ接合層形成でもよい。

【００２３】具体的に説明すると、まず、Ｉn-situドー
ピングＬＰ−ＣＶＤ法とアニール処理で、抵抗層全面
（第１，２抵抗層兼熱伝達層２，３全面）をＢで低抵抗
化した後、発熱体９と測温体１０，１１の一部を低抵抗
体であるｎ型半導体として残しながら、Ｐ注入若しくは
Ｐ拡散処理を行い、残りの測温体１０，１１部分をｐ型
半導体に変質させ、ｐｎ接合を形成する。このようなｐ
ｎ接合構造部に対して電極線８としてＣｒ／Ａｕ電極を
蒸着形成し、ダイオード素子構造の測温体１０，１１を
完成させるというものである。

【００２４】また、請求項３記載の発明の一実施例を図
２により説明する。本実施例は、前述した実施例構成に
よる感熱式流速計１２をフルイディック流量計１３に利
用したものである。まず、フルイディック流量計１３の
基本構造を説明すると、流入管１４から排出管１５を結
ぶ経路上に、セットリングスペース１６、流路縮小部１
７、ノズル１８、流路拡大部１９を順に設け、かつ、流
路拡大部１９中に誘振子２０とエンドブロック２１とを
備えて構成されている。エンドブロック２１の背後は排
出空間２２とされている。これにより、流路上流側から
の管状の流れはセットリングスペース１６で２次元的な
流れに整流され、流路縮小部１７によりさらに整流され
て円滑にノズル１８に向かう。このノズル１８で整流さ
れたジェット流は、誘振子２０に当たることにより左右
に分れるが、エンドブロック２１に至るまでの流路拡大
部１９の空間において、ある流量を越えると誘振子２０
の背後にできる渦の不安定性によって、左又は右に偏っ
た流れを形成する。そのため、エンドブロック２１にぶ
つかった流れは、エンドブロック２１前面に沿い、ノズ
ル１８の出口に達し、ジェット流に直角的にぶつかる。
このため、その脇から帰還した流れによってジェット流
の方向を最初の偏流とは反対方向に偏らせる。これによ
り、反対側では再び同様のことが起こり、結果としてノ
ズル１８を出る流れは規則的に交互に流れの方向を変化
させる。この規則的に方向を変化させる振動の周波数
は、流量の増加に対して直線的に増加する。

【００２５】しかして、本実施例ではこのようなフルイ
ディック流量計１３において、感熱式流速計１２を適宜
支持手段を介してノズル１８中央部に配設させている。
このような感熱式流速計１２の設置箇所としては、ノズ
ル１８の中央部に限らず、例えばノズル１８の内壁下部
とか、ノズル１８の天井部等であってもよい。

【００２６】このような感熱式流速計１２を用い、ノズ
ル１８中央に配設させて、ガスの流速変化を測定したと
ころ、感熱式流速計１２が高い放熱効果を示すとともに
引出線等の突起がないことから、毎時３〜３００リット
ルといった長期間にわたる低流量域の場合でもその流速
測定ができたものである。これにより、ガスメータとし
て、毎時３〜３０００リットルの全流量域の測定が可能
となったものである。

【００２７】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、電気的に
半導体又は絶縁体特性を示し熱的には良導性を示す第１
抵抗層兼熱伝達層に不純物添加処理による荷電子制御に
より低抵抗領域と高抵抗領域とを形成して、各々の領域
に電極線を付加して発熱体と発熱体温度測温体とを形成
するようにしたので、発熱体と発熱体温度測温体との熱
的結合が向上し、よって、発熱体温度測温体の温度変化
による抵抗値の変化が、より早く、より正確に、発熱体
の温度を表すものとなり、熱的応答性のよい状態で真の
発熱体温度を検出することが可能となり、また、第１抵
抗層兼熱伝達層に不純物添加処理による荷電子制御を施
して低抵抗領域と高抵抗領域とを形成することで、第１
抵抗層兼熱伝達層の単位面積当たりの抵抗を変えた傾斜
材料を用いるようにしたので、発熱体の抵抗値を抑えな
がら、限られた実装面積で発熱体温度測温体の抵抗値を
大きくすることができ、よって、発熱面積を大きくとる
ことができ、放熱効果も向上させることができ、さら
に、通電体積も大きくなって電流許容値を上げることが
できるため、流体への加熱量も増やすことが可能とな
り、測定可能な流速範囲を大きくとることもでき、ま
た、室温測温体は、基板上の別の箇所に隔離形成された
第２抵抗層兼熱伝達層を利用して同一の不純物添加処理
による荷電子制御及び電極線付加により形成するように
したので、特別な生産段階を要することなく、発熱体や
発熱体温度測温体と並行して形成でき、結局、請求項１
記載の発明によれば、基本的には、シリコン半導体ドー
ピング処理等の慣用技術を利用することで、安価なガラ
ス等の材料からなる絶縁性の基板に、抵抗体形成層と熱
伝達促進層とを同時に形成でき、量産性を損なうことな
く、測温体の感度と応答性とを向上させ得るものとな
る。

【００２８】請求項２記載の発明によれば、発熱体温度
測温体又は室温測温体に関して、不純物添加処理により
ｐｎ接合を形成してダイオード素子構造の測温体とした
ので、温度変化による抵抗値変化を大きくすることがで
き、よって、測温感度を向上させることができる。

【００２９】請求項３記載の発明によれば、フルイディ
ック流量計のフルイディック振動子のノズル中央、ノズ
ル内壁下部又は天井部の何れかに放熱効率を向上させた
請求項１又は２記載の感熱式流速計を設けたので、低流
量域の計測を低電力で正確に行うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１記載の発明を示し、（ａ）は模式的平
面図、（ｂ）はその断面構造図である。

【図２】請求項３記載の発明を示す水平断面図である。

【符号の説明】

１基板２第１抵抗層兼熱伝達層３第２抵抗層兼熱伝達層５高抵抗領域６低抵抗領域７高抵抗領域８電極線９発熱体１０発熱体温度測温体１１室温測温体１２感熱式流速計１８ノズル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者秋山善一東京都大田区中馬込１丁目３番６号株式会社リコー内 (72)発明者堀口浩幸東京都大田区中馬込１丁目３番６号株式会社リコー内 (72)発明者宮地達生東京都大田区中馬込１丁目３番６号株式会社リコー内 (72)発明者恩田浩愛知県名古屋市東区泉二丁目28番24号リコーエレメックス株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電気的熱的絶縁材料による基板と、電気
的に半導体又は絶縁体特性を示し熱的に良導性を示す材
料を母材として前記基板上に隔離して推積形成された第
１抵抗層兼熱伝達層及び第２抵抗層兼熱伝達層と、前記
第１抵抗層兼熱伝達層の一部に対する不純物添加処理に
よる荷電子制御により形成された低抵抗領域及び高抵抗
領域と、前記低抵抗領域に対する電極線付加により形成
されて通電により発熱する発熱体と、前記高抵抗領域に
対する電極線付加により形成されて流体の温度変化を自
己の抵抗値変化として検出する発熱体温度測温体と、前
記第２抵抗層兼熱伝達層に対する不純物添加処理による
荷電子制御により形成された高抵抗領域への電極線付加
により形成されて通電により室温を検出する室温測温体
とよりなることを特徴とする感熱式流速計。
【請求項２】測温体の位置する部分にｐｎ接合を形成
し、ダイオード素子構造の測温体としたことを特徴とす
る請求項１記載の感熱式流速計。
【請求項３】フルイディック振動子のノズル中央、ノ
ズル内壁下部又は天井部の何れかに請求項１又は２記載
の感熱式流速計を設けたことを特徴とするフルイディッ
ク流量計。