JPH09257821A - 流速センサ - Google Patents
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- JPH09257821A JPH09257821A JP8066380A JP6638096A JPH09257821A JP H09257821 A JPH09257821 A JP H09257821A JP 8066380 A JP8066380 A JP 8066380A JP 6638096 A JP6638096 A JP 6638096A JP H09257821 A JPH09257821 A JP H09257821A
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- G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
- G01F1/704—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow using marked regions or existing inhomogeneities within the fluid stream, e.g. statistically occurring variations in a fluid parameter
- G01F1/7044—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow using marked regions or existing inhomogeneities within the fluid stream, e.g. statistically occurring variations in a fluid parameter using thermal tracers
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- G01F1/704—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow using marked regions or existing inhomogeneities within the fluid stream, e.g. statistically occurring variations in a fluid parameter
- G01F1/708—Measuring the time taken to traverse a fixed distance
- G01F1/7084—Measuring the time taken to traverse a fixed distance using thermal detecting arrangements
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 高流速でも破壊されずに流速測定を継続す
る。 【解決手段】 ヒータ４は、外部からの駆動電流により
測定対象流体を断続的に加熱し、これと並行してサーモ
パイル５は、測定対象流体の流れによる熱伝導に起因す
る測定対象流体の温度変化を検出し、出力される温度検
出信号による測定対象流体の温度変化はヒータ４の加熱
状態に対応するものとなるので、熱伝播時間を測定する
ことにより測定対象流体の流速を容易に求められる。ま
た、温度センサとしてサーモパイル５を用いているの
で、特別な回路を設けずに温度センサの出力電圧を大き
くすることができ、測温抵抗等を用いた流速センサと比
較して、高感度化及び周辺回路の簡素化が可能となる。
また、ヒータ４及びサーモパイル５は、ほぼ平面状に形
成されているので、流速センサには開口部が少なく、高
流速（９０ｍ／ｓｅｃ以上）でも破壊しない。
る。 【解決手段】 ヒータ４は、外部からの駆動電流により
測定対象流体を断続的に加熱し、これと並行してサーモ
パイル５は、測定対象流体の流れによる熱伝導に起因す
る測定対象流体の温度変化を検出し、出力される温度検
出信号による測定対象流体の温度変化はヒータ４の加熱
状態に対応するものとなるので、熱伝播時間を測定する
ことにより測定対象流体の流速を容易に求められる。ま
た、温度センサとしてサーモパイル５を用いているの
で、特別な回路を設けずに温度センサの出力電圧を大き
くすることができ、測温抵抗等を用いた流速センサと比
較して、高感度化及び周辺回路の簡素化が可能となる。
また、ヒータ４及びサーモパイル５は、ほぼ平面状に形
成されているので、流速センサには開口部が少なく、高
流速（９０ｍ／ｓｅｃ以上）でも破壊しない。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、流速センサに係
り、特にヒータにより発生させた熱の伝播時間を計測す
ることにより流体の流速を求める流速センサに関する。
り、特にヒータにより発生させた熱の伝播時間を計測す
ることにより流体の流速を求める流速センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】第１従来例 図１０（ａ）に第１従来例の熱伝播時間計測型の流速セ
ンサの斜視図を、図１０（ｂ）に図１０（ａ）の流速セ
ンサのＩ−Ｉ’断面図を示す。
ンサの斜視図を、図１０（ｂ）に図１０（ａ）の流速セ
ンサのＩ−Ｉ’断面図を示す。
【０００３】流速センサ１０１は、シリコン基板１１０
と、測定対象流体の流れ方向（図中矢印で示す。）上流
側に設けられた測温抵抗である温度センサ１１１と、シ
リコン基板１１０上であって測定対象流体の流れ方向下
流側に設けられた測温抵抗である温度センサ１１２と、
温度センサ１１１と温度センサ１１２との間の中間位置
に設けられたヒータ１１３と、温度センサ１１１、温度
センサ１１２及びヒータ１１３と、を備えて構成されて
いる。
と、測定対象流体の流れ方向（図中矢印で示す。）上流
側に設けられた測温抵抗である温度センサ１１１と、シ
リコン基板１１０上であって測定対象流体の流れ方向下
流側に設けられた測温抵抗である温度センサ１１２と、
温度センサ１１１と温度センサ１１２との間の中間位置
に設けられたヒータ１１３と、温度センサ１１１、温度
センサ１１２及びヒータ１１３と、を備えて構成されて
いる。
【０００４】また、流速センサ１０１は、エッチング用
開口１１４、１１５、１１６を介してエッチングするこ
とにより空隙部１７を設けることにより、橋絡部１１８
を備えて構成されている。この橋絡部１１８により温度
センサ１１１、温度センサ１１２及びヒータ１１３は熱
的に絶縁されている。
開口１１４、１１５、１１６を介してエッチングするこ
とにより空隙部１７を設けることにより、橋絡部１１８
を備えて構成されている。この橋絡部１１８により温度
センサ１１１、温度センサ１１２及びヒータ１１３は熱
的に絶縁されている。
【０００５】さらに流速センサ１０１は、シリコン基板
１１０上の流れ方向最上流側に設けられた測温抵抗であ
る周囲温度測定用の周囲温度センサ１１９を備えて構成
されている。図１１にこの流速センサ１０１の出力信号
に基づいて流量を検出するための流量計の回路ブロック
図を示す。
１１０上の流れ方向最上流側に設けられた測温抵抗であ
る周囲温度測定用の周囲温度センサ１１９を備えて構成
されている。図１１にこの流速センサ１０１の出力信号
に基づいて流量を検出するための流量計の回路ブロック
図を示す。
【０００６】流量計１２０は、流速センサ１０１の温度
センサ１１１及び温度センサ１１２並びに抵抗１２３及
び抵抗１２４により構成されたブリッジ回路１２２と、
温度センサ１１１と抵抗１２３との中間接続点が非反転
入力端子に接続され、温度センサ１１２と抵抗１２４と
の中間接続点が反転入力端子に接続され、温度センサ１
１１が検出した温度に相当する検出電圧Ｖd と温度セン
サ１１２が検出した温度に相当する検出電圧Ｖu との差
電圧を増幅して増幅差電圧Ｖdef を出力する増幅器１２
５と、検出電圧Ｖd 、検出電圧Ｖu 及び増幅差電圧Ｖde
f が入力され、選択制御信号ＳSEL に基づいて検出電圧
Ｖd 、検出電圧Ｖu 及び増幅差電圧Ｖdef のうちいずれ
か一の電圧を選択電圧ＶSEL として出力するマルチプレ
クサ１２６と、選択電圧ＶSEL をアナログ／ディジタル
変換して選択電圧データＤＶSELとして出力するＡ／Ｄ
変換器１２７と、選択制御信号ＳSEL により順次検出電
圧Ｖd 、検出電圧Ｖu あるいは増幅差電圧Ｖdef に対応
する選択電圧データＤＶSEL が入力され、増幅差電圧Ｖ
def に基づいて原流量（温度補正前の流量）算出し、検
出電圧Ｖd 及び検出電圧Ｖu に基づいて温度センサ１１
１、１１２のベース温度上昇を算出して温度補正係数を
求め、原流量及び温度補正係数に基づいて補正流量デー
タＤcfl を算出する演算装置１２８と、を備えて構成さ
れている。
センサ１１１及び温度センサ１１２並びに抵抗１２３及
び抵抗１２４により構成されたブリッジ回路１２２と、
温度センサ１１１と抵抗１２３との中間接続点が非反転
入力端子に接続され、温度センサ１１２と抵抗１２４と
の中間接続点が反転入力端子に接続され、温度センサ１
１１が検出した温度に相当する検出電圧Ｖd と温度セン
サ１１２が検出した温度に相当する検出電圧Ｖu との差
電圧を増幅して増幅差電圧Ｖdef を出力する増幅器１２
５と、検出電圧Ｖd 、検出電圧Ｖu 及び増幅差電圧Ｖde
f が入力され、選択制御信号ＳSEL に基づいて検出電圧
Ｖd 、検出電圧Ｖu 及び増幅差電圧Ｖdef のうちいずれ
か一の電圧を選択電圧ＶSEL として出力するマルチプレ
クサ１２６と、選択電圧ＶSEL をアナログ／ディジタル
変換して選択電圧データＤＶSELとして出力するＡ／Ｄ
変換器１２７と、選択制御信号ＳSEL により順次検出電
圧Ｖd 、検出電圧Ｖu あるいは増幅差電圧Ｖdef に対応
する選択電圧データＤＶSEL が入力され、増幅差電圧Ｖ
def に基づいて原流量（温度補正前の流量）算出し、検
出電圧Ｖd 及び検出電圧Ｖu に基づいて温度センサ１１
１、１１２のベース温度上昇を算出して温度補正係数を
求め、原流量及び温度補正係数に基づいて補正流量デー
タＤcfl を算出する演算装置１２８と、を備えて構成さ
れている。
【０００７】次に動作を説明する。まず、ヒータ１１３
が所定温度を保つように制御し、ヒータ１１３が所定温
度を保つようになったならば、図１０（ａ）に示す矢印
方向から測定対象の流体を流す。
が所定温度を保つように制御し、ヒータ１１３が所定温
度を保つようになったならば、図１０（ａ）に示す矢印
方向から測定対象の流体を流す。
【０００８】測定対象の流体が流れることにより、上流
側に配置された温度センサ１１１は冷却されて降温し、
下流側に配置された温度センサ１１２は、流体の流れに
伴ってヒータ１１３の熱伝導が促進され昇温する。これ
により温度センサ１１１と温度センサ１１２との間で温
度差が生じ、温度センサ１１１及び温度センサ１１２の
抵抗値が変化する。
側に配置された温度センサ１１１は冷却されて降温し、
下流側に配置された温度センサ１１２は、流体の流れに
伴ってヒータ１１３の熱伝導が促進され昇温する。これ
により温度センサ１１１と温度センサ１１２との間で温
度差が生じ、温度センサ１１１及び温度センサ１１２の
抵抗値が変化する。
【０００９】この抵抗値の変化に基づきブリッジ回路１
２２は、温度センサ１１１と温度センサ１１２との間の
温度差に相当する検出電圧Ｖd 及び検出電圧Ｖu を発生
し、増幅器１２５及びマルチプレクサ１２６に出力す
る。増幅器１２５は、検出電圧Ｖd と検出電圧Ｖu との
差電圧を増幅して増幅差電圧Ｖdef をマルチプレクサ１
２６に出力する。
２２は、温度センサ１１１と温度センサ１１２との間の
温度差に相当する検出電圧Ｖd 及び検出電圧Ｖu を発生
し、増幅器１２５及びマルチプレクサ１２６に出力す
る。増幅器１２５は、検出電圧Ｖd と検出電圧Ｖu との
差電圧を増幅して増幅差電圧Ｖdef をマルチプレクサ１
２６に出力する。
【００１０】マルチプレクサ１２６は、選択制御信号Ｓ
SEL に基づいて検出電圧Ｖd 、検出電圧Ｖu 及び増幅差
電圧Ｖdef を順次切換えて選択電圧ＶSEL としてＡ／Ｄ
変換器１２７に出力する。Ａ／Ｄ変換器１２７は、選択
電圧ＶSEL をアナログ／ディジタル変換して選択電圧デ
ータＤＶSEL として演算装置１２８に出力する。
SEL に基づいて検出電圧Ｖd 、検出電圧Ｖu 及び増幅差
電圧Ｖdef を順次切換えて選択電圧ＶSEL としてＡ／Ｄ
変換器１２７に出力する。Ａ／Ｄ変換器１２７は、選択
電圧ＶSEL をアナログ／ディジタル変換して選択電圧デ
ータＤＶSEL として演算装置１２８に出力する。
【００１１】演算装置１２８は、増幅差電圧Ｖdef に基
づいて原流量（温度補正前の流量）算出し、検出電圧Ｖ
d 及び検出電圧Ｖu に基づいて温度センサ１１１、１１
２のベース温度上昇を算出して温度補正係数を求め、原
流量及び温度補正係数に基づいて補正流量データＤcfl
を算出して出力する。
づいて原流量（温度補正前の流量）算出し、検出電圧Ｖ
d 及び検出電圧Ｖu に基づいて温度センサ１１１、１１
２のベース温度上昇を算出して温度補正係数を求め、原
流量及び温度補正係数に基づいて補正流量データＤcfl
を算出して出力する。
【００１２】従って、精度よく流量を算出することがで
きる。第２従来例 図１２に第２従来例の熱伝播時間計測型の流速センサ及
びその検出回路の構成図を示す。
きる。第２従来例 図１２に第２従来例の熱伝播時間計測型の流速センサ及
びその検出回路の構成図を示す。
【００１３】流速センサ１５０は、測定対象流体の流れ
方向（図中矢印で示す。）上流側に設けられ、パルス電
源１５１が接続されて片梁構造で支持されるヒータ１５
２と、ヒータ１５２とは測定対象流体の下流側に距離ｘ
だけ隔離されて配置され、外部のブリッジ回路１５３が
接続されて片梁構造で支持される測温抵抗である温度セ
ンサ１５４と、を備えて構成されている。
方向（図中矢印で示す。）上流側に設けられ、パルス電
源１５１が接続されて片梁構造で支持されるヒータ１５
２と、ヒータ１５２とは測定対象流体の下流側に距離ｘ
だけ隔離されて配置され、外部のブリッジ回路１５３が
接続されて片梁構造で支持される測温抵抗である温度セ
ンサ１５４と、を備えて構成されている。
【００１４】ブリッジ回路１５３は、温度センサ１５４
並びに抵抗１５５、抵抗１５６、抵抗１５７及びブリッ
ジ用直流電源１５８を備えて構成されている。次に動作
を説明する。まず、パルス電源１５１を駆動することに
より矩形波のパルス電流を所定周波数で印加する。
並びに抵抗１５５、抵抗１５６、抵抗１５７及びブリッ
ジ用直流電源１５８を備えて構成されている。次に動作
を説明する。まず、パルス電源１５１を駆動することに
より矩形波のパルス電流を所定周波数で印加する。
【００１５】流体が流れていない場合には、ブリッジ回
路１５３は平衡が保たれ、出力電圧Ｖout は０［Ｖ］と
なる。ここで、測定対象流体を矢印方向に流すことによ
り、ヒータ１５２により加熱された測定対象流体が温度
センサ１５４に到達し、温度センサ１５４の抵抗値が変
化し、変化量に応じた電圧Ｖout が出力されることとな
る。
路１５３は平衡が保たれ、出力電圧Ｖout は０［Ｖ］と
なる。ここで、測定対象流体を矢印方向に流すことによ
り、ヒータ１５２により加熱された測定対象流体が温度
センサ１５４に到達し、温度センサ１５４の抵抗値が変
化し、変化量に応じた電圧Ｖout が出力されることとな
る。
【００１６】この電圧Ｖout に基づいて図示しない演算
回路により演算を行ない、流速を求める。
回路により演算を行ない、流速を求める。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】上記第１従来例の流速
センサにおいては、測定対象流体の流れに沿って開口部
であるエッチング用開口１１４、１１５、１１６が設け
られているため高流速（例えば、６０ｍ／ｓｅｃ以上）
では、乱流等が発生し、橋絡部１１８、ひいては、流速
センサ１０１が破壊されるおそれがあった。
センサにおいては、測定対象流体の流れに沿って開口部
であるエッチング用開口１１４、１１５、１１６が設け
られているため高流速（例えば、６０ｍ／ｓｅｃ以上）
では、乱流等が発生し、橋絡部１１８、ひいては、流速
センサ１０１が破壊されるおそれがあった。
【００１８】同様に上記第２従来例の流速センサにおい
ては、測定対象流体内に梁部６３ａ、６４ａが突出して
設けられているため、高流速においては、梁部６３ａ、
６４ａに高い応力が印加されることとなり、梁部６３
ａ、６４ａが折れる等、流速センサ１５０が破壊される
おそれがあった。
ては、測定対象流体内に梁部６３ａ、６４ａが突出して
設けられているため、高流速においては、梁部６３ａ、
６４ａに高い応力が印加されることとなり、梁部６３
ａ、６４ａが折れる等、流速センサ１５０が破壊される
おそれがあった。
【００１９】そこで、本発明の目的は、高流速において
も、破壊されることなく流速を測定を継続することが可
能な流速センサ及びその製造方法を提供することにあ
る。
も、破壊されることなく流速を測定を継続することが可
能な流速センサ及びその製造方法を提供することにあ
る。
【００２０】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項１記載の発明は、測定対象流体の流速を熱伝
播時間を計測することにより検出する流速センサにおい
て、外部からの駆動電流により前記測定対象流体を断続
的に加熱するヒータと、前記ヒータに対し前記測定対象
流体の下流側に配置され、前記測定対象流体の温度を検
出し、温度検出信号を出力するサーモパイルと、前記ヒ
ータ及び前記サーモパイルを支持する支持基板と、を備
えて構成する。
め、請求項１記載の発明は、測定対象流体の流速を熱伝
播時間を計測することにより検出する流速センサにおい
て、外部からの駆動電流により前記測定対象流体を断続
的に加熱するヒータと、前記ヒータに対し前記測定対象
流体の下流側に配置され、前記測定対象流体の温度を検
出し、温度検出信号を出力するサーモパイルと、前記ヒ
ータ及び前記サーモパイルを支持する支持基板と、を備
えて構成する。
【００２１】請求項１記載の発明によれば、ヒータは、
外部からの駆動電流により測定対象流体を断続的に加熱
する。これと並行してサーモパイルは、測定対象流体の
流れによる熱伝導に起因する測定対象流体の温度変化を
検出し、温度検出信号を出力する。
外部からの駆動電流により測定対象流体を断続的に加熱
する。これと並行してサーモパイルは、測定対象流体の
流れによる熱伝導に起因する測定対象流体の温度変化を
検出し、温度検出信号を出力する。
【００２２】このときの測定対象流体の温度変化はヒー
タの加熱状態に対応するものとなり、測定対象流体の温
度変化は温度ピークを有するものとなる。従って、熱伝
播時間（例えば、ヒータ加熱開始時刻から測定対象流体
の温度ピーク時刻）を測定することにより測定対象流体
の流速を求めることができる。
タの加熱状態に対応するものとなり、測定対象流体の温
度変化は温度ピークを有するものとなる。従って、熱伝
播時間（例えば、ヒータ加熱開始時刻から測定対象流体
の温度ピーク時刻）を測定することにより測定対象流体
の流速を求めることができる。
【００２３】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明において、前記支持基板は、周辺部分が固定されたダ
イアフラム部を有し、前記サーモパイルのうち前記サー
モパイルを構成する熱電対の冷接点を除く部分及び前記
ヒータは前記ダイアフラム部上に形成されるように構成
する。
明において、前記支持基板は、周辺部分が固定されたダ
イアフラム部を有し、前記サーモパイルのうち前記サー
モパイルを構成する熱電対の冷接点を除く部分及び前記
ヒータは前記ダイアフラム部上に形成されるように構成
する。
【００２４】請求項２記載の発明によれば、請求項１記
載の発明の作用に加えて、支持基板は、周辺部分が固定
されたダイアフラム部を有し、サーモパイルのうちサー
モパイルを構成する熱電対の冷接点を除く部分及びヒー
タはダイアフラム部上に形成されているので、サーモパ
イル及びヒータの熱容量を小さくすることができる。
載の発明の作用に加えて、支持基板は、周辺部分が固定
されたダイアフラム部を有し、サーモパイルのうちサー
モパイルを構成する熱電対の冷接点を除く部分及びヒー
タはダイアフラム部上に形成されているので、サーモパ
イル及びヒータの熱容量を小さくすることができる。
【００２５】請求項３記載の発明は、請求項２記載の発
明において、前記ダイアフラム部は、ＳｉＯ2 層及びＳ
ｉ3 Ｎ4 層を有するように構成する。請求項３記載の発
明によれば、請求項２記載の発明の作用に加えて、ダイ
アフラム部は、ＳｉＯ2 層及びＳｉ3 Ｎ4 層を有するの
で、強度を保持したまま、ダイアフラム部の厚さを低減
することができ、熱容量を小さくできる。
明において、前記ダイアフラム部は、ＳｉＯ2 層及びＳ
ｉ3 Ｎ4 層を有するように構成する。請求項３記載の発
明によれば、請求項２記載の発明の作用に加えて、ダイ
アフラム部は、ＳｉＯ2 層及びＳｉ3 Ｎ4 層を有するの
で、強度を保持したまま、ダイアフラム部の厚さを低減
することができ、熱容量を小さくできる。
【００２６】請求項４記載の発明は、請求項３記載の発
明において、前記ダイアフラム部のうち、前記ヒータの
形成部分については、さらにｐ++−Ｓｉ層が設けられ、
前記ヒータの周囲に熱絶縁用開口部を設けて構成する。
請求項４記載の発明によれば、請求項３記載の発明の作
用に加えて、ダイアフラム部のうち、ヒータの形成部分
については、さらにｐ++−Ｓｉ層が設けられ、ヒータの
周囲に熱絶縁用開口部を設けているので、ヒータの形成
部分における機械強度を向上して保持基板の反りを軽減
し、ヒータ形成部分の熱伝導性を向上して均一な加熱を
行なうとともに、熱絶縁用開口部により、サーモパイル
側に直接的に熱伝導が起こるのを防止する。
明において、前記ダイアフラム部のうち、前記ヒータの
形成部分については、さらにｐ++−Ｓｉ層が設けられ、
前記ヒータの周囲に熱絶縁用開口部を設けて構成する。
請求項４記載の発明によれば、請求項３記載の発明の作
用に加えて、ダイアフラム部のうち、ヒータの形成部分
については、さらにｐ++−Ｓｉ層が設けられ、ヒータの
周囲に熱絶縁用開口部を設けているので、ヒータの形成
部分における機械強度を向上して保持基板の反りを軽減
し、ヒータ形成部分の熱伝導性を向上して均一な加熱を
行なうとともに、熱絶縁用開口部により、サーモパイル
側に直接的に熱伝導が起こるのを防止する。
【００２７】請求項５記載の発明は、請求項１乃至請求
項４記載の発明において、前記サーモパイルを構成する
熱電対は、ｐ++−ＳｉとＡｌとを接合することにより構
成する。請求項５記載の発明によれば、請求項１乃至請
求項４記載の発明の作用に加えて、前記サーモパイルを
構成する熱電対は、ｐ++−ＳｉとＡｌとを接合すること
により構成しているので、通常の半導体製造工程を用い
て容易に熱電対を構成することができる。
項４記載の発明において、前記サーモパイルを構成する
熱電対は、ｐ++−ＳｉとＡｌとを接合することにより構
成する。請求項５記載の発明によれば、請求項１乃至請
求項４記載の発明の作用に加えて、前記サーモパイルを
構成する熱電対は、ｐ++−ＳｉとＡｌとを接合すること
により構成しているので、通常の半導体製造工程を用い
て容易に熱電対を構成することができる。
【００２８】請求項６記載の発明は、請求項２乃至請求
項５記載の発明において、前記サーモパイルの冷接点
は、前記支持基板の前記ダイアフラム部を除く領域に形
成され、サーモパイルの温接点は、前記ダイアフラム部
上に形成されているように構成する。
項５記載の発明において、前記サーモパイルの冷接点
は、前記支持基板の前記ダイアフラム部を除く領域に形
成され、サーモパイルの温接点は、前記ダイアフラム部
上に形成されているように構成する。
【００２９】請求項６記載の発明によれば、請求項２乃
至請求項５記載の発明の作用に加えて、サーモパイルの
冷接点は、支持基板のダイアフラム部を除く領域に形成
され、サーモパイルの温接点は、ダイアフラム部上に形
成されているので、冷接点と温接点との熱容量の差を大
きくすることができ、熱電対の起電力、すなわち、温度
検出信号の電圧を高くできる。
至請求項５記載の発明の作用に加えて、サーモパイルの
冷接点は、支持基板のダイアフラム部を除く領域に形成
され、サーモパイルの温接点は、ダイアフラム部上に形
成されているので、冷接点と温接点との熱容量の差を大
きくすることができ、熱電対の起電力、すなわち、温度
検出信号の電圧を高くできる。
【００３０】請求項７記載の発明は、請求項３乃至請求
項５記載の発明において、前記支持基板は、Ｓｉ基板で
形成されており、前記サーモパイルの冷接点は、前記Ｓ
ｉ基板上に形成され、前記サーモパイルの温接点は、前
記ダイアフラム部上に形成されているように構成する。
項５記載の発明において、前記支持基板は、Ｓｉ基板で
形成されており、前記サーモパイルの冷接点は、前記Ｓ
ｉ基板上に形成され、前記サーモパイルの温接点は、前
記ダイアフラム部上に形成されているように構成する。
【００３１】請求項７記載の発明によれば、請求項３乃
至請求項５記載の発明の作用に加えて、サーモパイルの
冷接点は、支持基板であるＳｉ基板上に形成され、サー
モパイルの温接点は、ダイアフラム部上に形成されてい
るので、冷接点と温接点との熱容量の差をさらに大きく
することができ、熱電対の起電力、すなわち、温度検出
信号の電圧をさらに高くできる。
至請求項５記載の発明の作用に加えて、サーモパイルの
冷接点は、支持基板であるＳｉ基板上に形成され、サー
モパイルの温接点は、ダイアフラム部上に形成されてい
るので、冷接点と温接点との熱容量の差をさらに大きく
することができ、熱電対の起電力、すなわち、温度検出
信号の電圧をさらに高くできる。
【００３２】
【発明の実施の形態】次に図面を参照して本発明の好適
な実施形態を説明する。第１実施形態 図１に第１実施形態の流速センサの天面図を示す。
な実施形態を説明する。第１実施形態 図１に第１実施形態の流速センサの天面図を示す。
【００３３】流速センサ１は、支持基板としてのＳｉ基
板２と、ＳｉＯ2 層及びＳｉ3 Ｎ4層から構成されるダ
イアフラム部としてのダイアフラム３と、ダイアフラム
３上に形成されたヒータとしてのマイクロヒータ４と、
マイクロヒータ４の下流側であって冷接点形成部分を除
きダイアフラム３上に形成されたサーモパイル５と、電
源端子６Ａ、６Ｂを有しマイクロヒータ４に駆動電流を
供給するための電源配線６と、出力端子７Ａ、７Ｂを有
し、サーモパイル５から出力される温度検出信号を出力
するための出力配線７と、を備えて構成されている。
板２と、ＳｉＯ2 層及びＳｉ3 Ｎ4層から構成されるダ
イアフラム部としてのダイアフラム３と、ダイアフラム
３上に形成されたヒータとしてのマイクロヒータ４と、
マイクロヒータ４の下流側であって冷接点形成部分を除
きダイアフラム３上に形成されたサーモパイル５と、電
源端子６Ａ、６Ｂを有しマイクロヒータ４に駆動電流を
供給するための電源配線６と、出力端子７Ａ、７Ｂを有
し、サーモパイル５から出力される温度検出信号を出力
するための出力配線７と、を備えて構成されている。
【００３４】図２にサーモパイルの拡大天面図（図２
（ａ））及び断面図（図２（ｂ））を示す。サーモパイ
ル５を構成する熱電対は、ｐ++−Ｓｉ及びＡｌにより構
成され、図２（ｂ）に示すように、サーモパイル５の冷
接点５Ａは、Ｓｉ基板２（厚さ約４００［μｍ］）のダ
イアフラム３を形成していない部分に設けられ、サーモ
パイル５の温接点５ＢはＳｉＯ2 層及びＳｉ3 Ｎ4 層か
ら構成されるダイアフラム３上に設けられている。
（ａ））及び断面図（図２（ｂ））を示す。サーモパイ
ル５を構成する熱電対は、ｐ++−Ｓｉ及びＡｌにより構
成され、図２（ｂ）に示すように、サーモパイル５の冷
接点５Ａは、Ｓｉ基板２（厚さ約４００［μｍ］）のダ
イアフラム３を形成していない部分に設けられ、サーモ
パイル５の温接点５ＢはＳｉＯ2 層及びＳｉ3 Ｎ4 層か
ら構成されるダイアフラム３上に設けられている。
【００３５】本サーモパイル５によれば、流速範囲０．
０１［ｍ／ｓｅｃ］〜３［ｍ／ｓｅｃ］で数１０［ｍ
Ｖ］の出力電圧が得られるため大きな増幅を必要とせ
ず、信号処理が可能となる。ここで図３を参照してサー
モパイルの形成工程について説明する。
０１［ｍ／ｓｅｃ］〜３［ｍ／ｓｅｃ］で数１０［ｍ
Ｖ］の出力電圧が得られるため大きな増幅を必要とせ
ず、信号処理が可能となる。ここで図３を参照してサー
モパイルの形成工程について説明する。
【００３６】まず、図３（ａ）に示すように、Ｓｉ基板
２の両面の表面を酸化することにより、ＳｉＯ2 層をＳ
ｉ基板２の両面に形成する。次に図３（ｂ）に示すよう
に、ＳｉＯ2 層をホトリソグラフィによりエッチング
し、Ｓｉ基板の上面（図中、上側）に窓を開け、ｐ型不
純物であるホウ素（Ｂ；Boron）を高濃度に拡散し、ｐ
++−Ｓｉ層１０を形成する。そして、ｐ++−Ｓｉ層１０
を形成した後、表面のＳｉＯ2 層を除去する。
２の両面の表面を酸化することにより、ＳｉＯ2 層をＳ
ｉ基板２の両面に形成する。次に図３（ｂ）に示すよう
に、ＳｉＯ2 層をホトリソグラフィによりエッチング
し、Ｓｉ基板の上面（図中、上側）に窓を開け、ｐ型不
純物であるホウ素（Ｂ；Boron）を高濃度に拡散し、ｐ
++−Ｓｉ層１０を形成する。そして、ｐ++−Ｓｉ層１０
を形成した後、表面のＳｉＯ2 層を除去する。
【００３７】つづいて、図３（ｃ）に示すように、ＳＩ
基板２（ｐ++−Ｓｉ層１０を含む。）の両面の表面を酸
化することにより、再びＳｉＯ2 層をＳｉ基板２の両面
に形成する。そして、Ｓｉ基板の両面にＳｉ3 Ｎ4 層を
蒸着により形成し、Ｓｉ3 Ｎ4 層を覆うべく表面を酸化
することによりＳｉＯ2 層を形成する。この結果、Ｓｉ
基板２の両面にＳｉＯ2 ／Ｓｉ3 Ｎ4 ／ＳｉＯ2 層１１
が形成されることとなる。
基板２（ｐ++−Ｓｉ層１０を含む。）の両面の表面を酸
化することにより、再びＳｉＯ2 層をＳｉ基板２の両面
に形成する。そして、Ｓｉ基板の両面にＳｉ3 Ｎ4 層を
蒸着により形成し、Ｓｉ3 Ｎ4 層を覆うべく表面を酸化
することによりＳｉＯ2 層を形成する。この結果、Ｓｉ
基板２の両面にＳｉＯ2 ／Ｓｉ3 Ｎ4 ／ＳｉＯ2 層１１
が形成されることとなる。
【００３８】次にホトレジスト膜を形成し、上面は配線
用コンタクトホールに対応するマスクで露光を行ない、
図３（ｄ）に示すように、ＳｉＯ2 ／Ｓｉ3 Ｎ4 ／Ｓｉ
Ｏ2層１１を除去し、コンタクトホール１２を形成す
る。一方、下面はダイアフラムに対応するマスクで露光
を行ない、ダイアフラム相当部分のＳｉＯ2 ／Ｓｉ3 Ｎ
4 ／ＳｉＯ2 層１１を除去する。
用コンタクトホールに対応するマスクで露光を行ない、
図３（ｄ）に示すように、ＳｉＯ2 ／Ｓｉ3 Ｎ4 ／Ｓｉ
Ｏ2層１１を除去し、コンタクトホール１２を形成す
る。一方、下面はダイアフラムに対応するマスクで露光
を行ない、ダイアフラム相当部分のＳｉＯ2 ／Ｓｉ3 Ｎ
4 ／ＳｉＯ2 層１１を除去する。
【００３９】つづいて図３（ｅ）に示すように、配線用
のＡｌ薄膜１３を真空蒸着法により形成し、ホトリソグ
ラフィにより配線パターン部分だけを残し、不要なＡｌ
薄膜をエッチングにより除去し、焼成（シンタリング）
する。次に図３（ｆ）に示すように、保護用のＳｉＯ2
層１４を蒸着により形成し、フォトリソグラフィにより
ボンディングパッド位置相当部分に窓を開け、ＳｉＯ 2
層を除去することによりボンディングパッド１５を形成
する。
のＡｌ薄膜１３を真空蒸着法により形成し、ホトリソグ
ラフィにより配線パターン部分だけを残し、不要なＡｌ
薄膜をエッチングにより除去し、焼成（シンタリング）
する。次に図３（ｆ）に示すように、保護用のＳｉＯ2
層１４を蒸着により形成し、フォトリソグラフィにより
ボンディングパッド位置相当部分に窓を開け、ＳｉＯ 2
層を除去することによりボンディングパッド１５を形成
する。
【００４０】つづいて、図３（ｇ）に示すように、Ｓｉ
基板２をＳｉＯ2 ／Ｓｉ3 Ｎ4 ／ＳｉＯ2 層１１をマス
クとして異方性エッチングし、凹部を形成することによ
りダイアフラム３を形成する。以上の工程により、サー
モパイル５が形成されることとなる。
基板２をＳｉＯ2 ／Ｓｉ3 Ｎ4 ／ＳｉＯ2 層１１をマス
クとして異方性エッチングし、凹部を形成することによ
りダイアフラム３を形成する。以上の工程により、サー
モパイル５が形成されることとなる。
【００４１】次に図４を参照してマイクロヒータの形成
工程について説明する。図４において図３と同一の部分
には同一の符号を付して説明する。まず、図４（ａ）に
示すように、Ｓｉ基板２の両面の表面を酸化することに
より、ＳｉＯ2 層をＳｉ基板の両面に形成する。この工
程は図３（ａ）の工程と同時に行なわれる。
工程について説明する。図４において図３と同一の部分
には同一の符号を付して説明する。まず、図４（ａ）に
示すように、Ｓｉ基板２の両面の表面を酸化することに
より、ＳｉＯ2 層をＳｉ基板の両面に形成する。この工
程は図３（ａ）の工程と同時に行なわれる。
【００４２】次に図４（ｂ）に示すように、ＳｉＯ2 層
をホトリソグラフィによりエッチングし、Ｓｉ基板２の
上面（図中、上側）に窓を開け、ｐ型不純物であるホウ
素（Ｂ；Boron）を高濃度に拡散し、ｐ++−Ｓｉ層１０
を形成する。この工程は図３（ｂ）の工程と同時に行な
われる。
をホトリソグラフィによりエッチングし、Ｓｉ基板２の
上面（図中、上側）に窓を開け、ｐ型不純物であるホウ
素（Ｂ；Boron）を高濃度に拡散し、ｐ++−Ｓｉ層１０
を形成する。この工程は図３（ｂ）の工程と同時に行な
われる。
【００４３】つづいて、図４（ｃ）に示すように、ＳＩ
基板２（ｐ++−Ｓｉ層１０を含む。）の両面の表面を酸
化することにより、再びＳｉＯ2 層をＳｉ基板の両面に
形成する。そして、Ｓｉ基板の両面にＳｉ3 Ｎ4 層を蒸
着により形成し、Ｓｉ3 Ｎ4層を覆うべく表面を酸化す
ることによりＳｉＯ2 層を形成する。この結果、Ｓｉ基
板２の両面にＳｉＯ2 ／Ｓｉ3 Ｎ4 ／ＳｉＯ2 層１１が
形成されることとなる。この工程は、図３（ｃ）の工程
と同時に行なわれる。
基板２（ｐ++−Ｓｉ層１０を含む。）の両面の表面を酸
化することにより、再びＳｉＯ2 層をＳｉ基板の両面に
形成する。そして、Ｓｉ基板の両面にＳｉ3 Ｎ4 層を蒸
着により形成し、Ｓｉ3 Ｎ4層を覆うべく表面を酸化す
ることによりＳｉＯ2 層を形成する。この結果、Ｓｉ基
板２の両面にＳｉＯ2 ／Ｓｉ3 Ｎ4 ／ＳｉＯ2 層１１が
形成されることとなる。この工程は、図３（ｃ）の工程
と同時に行なわれる。
【００４４】次にホトレジスト膜を形成し、下面はダイ
アフラム３に対応するマスクで露光を行ない、図４
（ｄ）に示すように、ダイアフラム相当部分のＳｉＯ2
／Ｓｉ3Ｎ4 ／ＳｉＯ2 層を除去する。この工程は図３
（ｄ）の工程と同時に行なわれる。
アフラム３に対応するマスクで露光を行ない、図４
（ｄ）に示すように、ダイアフラム相当部分のＳｉＯ2
／Ｓｉ3Ｎ4 ／ＳｉＯ2 層を除去する。この工程は図３
（ｄ）の工程と同時に行なわれる。
【００４５】つづいて、図４（ｅ）に示すように、フォ
トリソグラフィにより上面側のＳｉＯ2 ／Ｓｉ3 Ｎ4 ／
ＳｉＯ2 層の上面にＰｔ／Ｔｉ層形成領域に対応する窓
を開け、電子ビーム蒸着（Ｐｔスパッタ）により当該Ｐ
ｔ／Ｔｉ層形成領域にＰｔ／Ｔｉ層２０を形成する。
トリソグラフィにより上面側のＳｉＯ2 ／Ｓｉ3 Ｎ4 ／
ＳｉＯ2 層の上面にＰｔ／Ｔｉ層形成領域に対応する窓
を開け、電子ビーム蒸着（Ｐｔスパッタ）により当該Ｐ
ｔ／Ｔｉ層形成領域にＰｔ／Ｔｉ層２０を形成する。
【００４６】そしてリフトオフにより余分なＰｔ／Ｔｉ
層２０及びホトレジストを除去する。次に図４（ｆ）に
示すように、保護用のＳｉＯ2 層１４を蒸着により形成
し、フォトリソグラフィによりボンディングパッド位置
相当部分に窓を開け、ＳｉＯ 2 層１４を除去することに
よりボンディングパッド２１を形成する。この工程は、
図３（ｆ）の工程と同時に行なわれる。
層２０及びホトレジストを除去する。次に図４（ｆ）に
示すように、保護用のＳｉＯ2 層１４を蒸着により形成
し、フォトリソグラフィによりボンディングパッド位置
相当部分に窓を開け、ＳｉＯ 2 層１４を除去することに
よりボンディングパッド２１を形成する。この工程は、
図３（ｆ）の工程と同時に行なわれる。
【００４７】つづいて、図４（ｇ）に示すように、Ｓｉ
基板２をＳｉＯ2 ／Ｓｉ3 Ｎ4 ／ＳｉＯ2 層１１をマス
クとして異方性エッチングし、凹部を形成することによ
りダイアフラム３を形成する。この工程は、図３（ｇ）
の工程と同時に行なわれる。以上の工程により、マイク
ロヒータ４がダイアフラム３上に形成されることとな
る。
基板２をＳｉＯ2 ／Ｓｉ3 Ｎ4 ／ＳｉＯ2 層１１をマス
クとして異方性エッチングし、凹部を形成することによ
りダイアフラム３を形成する。この工程は、図３（ｇ）
の工程と同時に行なわれる。以上の工程により、マイク
ロヒータ４がダイアフラム３上に形成されることとな
る。
【００４８】図５に流速センサ１から出力される温度検
出信号を処理するとともに、マイクロヒータを駆動する
ための流速演算制御回路の概要構成ブロック図を示す。
流速演算制御回路３０は、所定周波数の基準発振信号Ｓ
REF を出力するオシレータ３１と、基準発振信号ＳREF
に基づいて、マイクロヒータ４に駆動電流を供給すべ
く、所定周期を有する矩形パルス信号ＳＰを生成し出力
するクロックジェネレータ３２と、出力端子７Ａ、７Ｂ
を介して入力される温度検出信号Ｔを増幅して増幅温度
検出信号ＡＴとして出力するアンプ３３と、増幅温度検
出信号ＡＴの電圧と予め定めた基準電圧ＶREF とを比較
することにより、増幅温度検出信号ＡＴの電圧が基準電
圧ＶREF よりも高い場合に“Ｈ”レベルの出力信号を比
較結果信号ＳCMP として出力するコンパレータ３４と、
矩形パルス信号ＳＰがセット入力端子Ｓに入力され、比
較結果信号ＳCMP がリセット入力端子Ｒに入力され、セ
ット入力端子Ｓ及びリセット入力端子Ｒの状態に応じた
出力信号ＳOUT をセット出力端子Ｑから出力するＲＳフ
リップフロップ回路３５と、出力信号ＳOUT に基づいて
測定対象流体の流速を求め、流速データＤFLを出力する
演算装置３６と、を備えて構成されている。
出信号を処理するとともに、マイクロヒータを駆動する
ための流速演算制御回路の概要構成ブロック図を示す。
流速演算制御回路３０は、所定周波数の基準発振信号Ｓ
REF を出力するオシレータ３１と、基準発振信号ＳREF
に基づいて、マイクロヒータ４に駆動電流を供給すべ
く、所定周期を有する矩形パルス信号ＳＰを生成し出力
するクロックジェネレータ３２と、出力端子７Ａ、７Ｂ
を介して入力される温度検出信号Ｔを増幅して増幅温度
検出信号ＡＴとして出力するアンプ３３と、増幅温度検
出信号ＡＴの電圧と予め定めた基準電圧ＶREF とを比較
することにより、増幅温度検出信号ＡＴの電圧が基準電
圧ＶREF よりも高い場合に“Ｈ”レベルの出力信号を比
較結果信号ＳCMP として出力するコンパレータ３４と、
矩形パルス信号ＳＰがセット入力端子Ｓに入力され、比
較結果信号ＳCMP がリセット入力端子Ｒに入力され、セ
ット入力端子Ｓ及びリセット入力端子Ｒの状態に応じた
出力信号ＳOUT をセット出力端子Ｑから出力するＲＳフ
リップフロップ回路３５と、出力信号ＳOUT に基づいて
測定対象流体の流速を求め、流速データＤFLを出力する
演算装置３６と、を備えて構成されている。
【００４９】次に図６のタイミングチャート及び図７の
信号波形図を参照して流速演算制御回路３０の動作を説
明する。オシレータ３１は、所定周波数の基準発振信号
ＳREF （図６（ａ）参照）を生成し、クロックジェネレ
ータ３２に出力する。
信号波形図を参照して流速演算制御回路３０の動作を説
明する。オシレータ３１は、所定周波数の基準発振信号
ＳREF （図６（ａ）参照）を生成し、クロックジェネレ
ータ３２に出力する。
【００５０】クロックジェネレータ３２は、入力された
基準発振信号ＳREF に基づいて、所定周期を有する矩形
パルス信号ＳＰ（図６（ｂ）参照）を生成し、マイクロ
ヒータ４に電源端子６Ａ、６Ｂを介して駆動電流として
供給するとともに、矩形パルス信号ＳＰをＲＳフリップ
フロップ回路３５のセット入力端子Ｓに出力する。
基準発振信号ＳREF に基づいて、所定周期を有する矩形
パルス信号ＳＰ（図６（ｂ）参照）を生成し、マイクロ
ヒータ４に電源端子６Ａ、６Ｂを介して駆動電流として
供給するとともに、矩形パルス信号ＳＰをＲＳフリップ
フロップ回路３５のセット入力端子Ｓに出力する。
【００５１】この結果、ＲＳフリップフロップ回路３５
のセット出力端子Ｑから出力される出力信号ＳOUT は、
“Ｌ”レベルから“Ｈ”レベルへと信号遷移することと
なる（図６（ｅ）、時刻ｔ1 参照）。マイクロヒータ４
に入力された矩形パルス信号ＳＰは、より具体的には図
７に示すものとなる。
のセット出力端子Ｑから出力される出力信号ＳOUT は、
“Ｌ”レベルから“Ｈ”レベルへと信号遷移することと
なる（図６（ｅ）、時刻ｔ1 参照）。マイクロヒータ４
に入力された矩形パルス信号ＳＰは、より具体的には図
７に示すものとなる。
【００５２】この矩形パルス信号ＳＰの立上がりタイミ
ングからマイクロヒータ４は加熱を開始することとな
り、測定対象流体としてのガスが流れると、マイクロヒ
ータ４が発生した熱は、ガスを媒体としてサーモパイル
５に伝達されることとなる。これによりサーモパイル５
は、伝達された熱を検出し、冷接点５Ａと温接点５Ｂと
の熱起電力の差及び熱容量の差から電圧が発生し、出力
端子７Ａ、７Ｂを介して温度検出信号Ｔがアンプ３３に
出力される。
ングからマイクロヒータ４は加熱を開始することとな
り、測定対象流体としてのガスが流れると、マイクロヒ
ータ４が発生した熱は、ガスを媒体としてサーモパイル
５に伝達されることとなる。これによりサーモパイル５
は、伝達された熱を検出し、冷接点５Ａと温接点５Ｂと
の熱起電力の差及び熱容量の差から電圧が発生し、出力
端子７Ａ、７Ｂを介して温度検出信号Ｔがアンプ３３に
出力される。
【００５３】アンプ３３は、温度検出信号Ｔを増幅して
増幅温度検出信号ＡＴ（図６（ｃ）及び図７参照）とし
てコンパレータ３４に出力する。コンパレータ３４は、
図６（ｃ）に示す基準電圧ＶREF と増幅温度検出信号Ａ
Ｔの電圧とを比較して、増幅温度検出信号ＡＴの電圧が
基準電圧ＶREF を超えた場合に“Ｈ”レベルの比較結果
信号ＳCMP （図６（ｄ）参照）をＲＳフリップフロップ
回路３５のリセット入力端子Ｒに出力することとなる。
増幅温度検出信号ＡＴ（図６（ｃ）及び図７参照）とし
てコンパレータ３４に出力する。コンパレータ３４は、
図６（ｃ）に示す基準電圧ＶREF と増幅温度検出信号Ａ
Ｔの電圧とを比較して、増幅温度検出信号ＡＴの電圧が
基準電圧ＶREF を超えた場合に“Ｈ”レベルの比較結果
信号ＳCMP （図６（ｄ）参照）をＲＳフリップフロップ
回路３５のリセット入力端子Ｒに出力することとなる。
【００５４】この場合において、基準電圧ＶREF は、測
定対象流体の測定可能流速範囲内において、増幅温度検
出信号ＡＴに基づいて一の矩形パルス信号ＳＰに対応し
てマイクロヒータ４により発生した熱に起因する温度上
昇を確実に検出できる電圧に設定される。また、この基
準電圧ＶREF は、周囲温度に応じて変化させるのが好ま
しい。もし、仮に基準電圧ＶREF を固定とするならば、
周囲温度が高くなれば、正確にマイクロヒータ４により
発生した熱に起因する温度上昇か否かを判別できなくな
るからであり、周囲温度が低くなれば、温度上昇自体を
検出することができなくなるからである。
定対象流体の測定可能流速範囲内において、増幅温度検
出信号ＡＴに基づいて一の矩形パルス信号ＳＰに対応し
てマイクロヒータ４により発生した熱に起因する温度上
昇を確実に検出できる電圧に設定される。また、この基
準電圧ＶREF は、周囲温度に応じて変化させるのが好ま
しい。もし、仮に基準電圧ＶREF を固定とするならば、
周囲温度が高くなれば、正確にマイクロヒータ４により
発生した熱に起因する温度上昇か否かを判別できなくな
るからであり、周囲温度が低くなれば、温度上昇自体を
検出することができなくなるからである。
【００５５】コンパレータ３４から出力される比較結果
信号ＳCMP が“Ｈ”レベルとなると、ＲＳフリップフロ
ップ回路３５のセット出力端子Ｑから出力される出力信
号ＳOUT は、“Ｈ”レベルから“Ｌ”レベルへと信号遷
移することとなる（図６（ｅ）、時刻ｔ2 参照）。
信号ＳCMP が“Ｈ”レベルとなると、ＲＳフリップフロ
ップ回路３５のセット出力端子Ｑから出力される出力信
号ＳOUT は、“Ｈ”レベルから“Ｌ”レベルへと信号遷
移することとなる（図６（ｅ）、時刻ｔ2 参照）。
【００５６】これらの結果、時刻ｔ1 から時刻ｔ2 まで
の時間は、熱伝播時間ＷＰに相当することとなり、この
熱伝播時間ＷＰが短ければ、流速は速く、熱伝播時間Ｗ
Ｐが長ければ、流速は遅いこととなる。図８に熱伝播時
間ＷＰの逆数と測定対象流体の流速の関係を示す。
の時間は、熱伝播時間ＷＰに相当することとなり、この
熱伝播時間ＷＰが短ければ、流速は速く、熱伝播時間Ｗ
Ｐが長ければ、流速は遅いこととなる。図８に熱伝播時
間ＷＰの逆数と測定対象流体の流速の関係を示す。
【００５７】図８において、縦軸は熱伝播時間ＷＰの逆
数（単位ｍｓｅｃ-1）であり、横軸は流速（単位ｍ／ｓ
ｅｃ）である。図８より熱伝播時間が短いほど流速が高
いことがわかる。そこで、演算装置３６は、出力信号Ｓ
OUT から熱伝播時間を求め、さらにこの逆数を求めて、
図８の関係より測定対象流体の流速を求める。
数（単位ｍｓｅｃ-1）であり、横軸は流速（単位ｍ／ｓ
ｅｃ）である。図８より熱伝播時間が短いほど流速が高
いことがわかる。そこで、演算装置３６は、出力信号Ｓ
OUT から熱伝播時間を求め、さらにこの逆数を求めて、
図８の関係より測定対象流体の流速を求める。
【００５８】より具体的には、熱伝播時間が４［ｍｓｅ
ｃ］であったとすると、熱伝播時間の逆数は、０．２５
［ｍｓｅｃ-1］となり、マイクロヒータ４の入力電圧Ｖ
ａ（＝矩形パルス信号ＳＰの電圧）＝４［Ｖ］の場合に
は、測定対象流体の流速は約１．３［ｍ／ｓｅｃ］とな
る。
ｃ］であったとすると、熱伝播時間の逆数は、０．２５
［ｍｓｅｃ-1］となり、マイクロヒータ４の入力電圧Ｖ
ａ（＝矩形パルス信号ＳＰの電圧）＝４［Ｖ］の場合に
は、測定対象流体の流速は約１．３［ｍ／ｓｅｃ］とな
る。
【００５９】本第１実施形態の流速センサによれば、流
速測定面側には開口部が設けられていないので、最大耐
流速９０ｍ／ｓｅｃとなっている。以上の説明のように
本第１実施形態によれば、高流速（６０ｍ／ｓｅｃ以
上）の使用環境下でもセンサの破壊を招かずに連続的に
流速を測定することが可能となる。
速測定面側には開口部が設けられていないので、最大耐
流速９０ｍ／ｓｅｃとなっている。以上の説明のように
本第１実施形態によれば、高流速（６０ｍ／ｓｅｃ以
上）の使用環境下でもセンサの破壊を招かずに連続的に
流速を測定することが可能となる。
【００６０】より具体的には、フルイディックガスメー
タ用微小流量センサとしては、最大耐流速６０ｍ／ｓｅ
ｃ（＝流量４０００Ｌ／ｈ相当）の環境下で用いること
ができる。従って、フルイディック素子のノズル部に直
接取付けることができ、ガスメータの小型化に寄与する
ことが可能となる。第２実施形態 上記第１実施形態においては、マイクロヒータ４近傍の
ダイアフラム３はＳｉＯ2 層とＳｉ3 Ｎ4 層との二層構
造であったが、本第２実施形態は、マイクロヒータ４近
傍のダイアフラムをＳｉＯ2 層／Ｓｉ3 Ｎ4 層／ｐ++−
Ｓｉ層の三層構造として、製造歩留りを向上させてい
る。
タ用微小流量センサとしては、最大耐流速６０ｍ／ｓｅ
ｃ（＝流量４０００Ｌ／ｈ相当）の環境下で用いること
ができる。従って、フルイディック素子のノズル部に直
接取付けることができ、ガスメータの小型化に寄与する
ことが可能となる。第２実施形態 上記第１実施形態においては、マイクロヒータ４近傍の
ダイアフラム３はＳｉＯ2 層とＳｉ3 Ｎ4 層との二層構
造であったが、本第２実施形態は、マイクロヒータ４近
傍のダイアフラムをＳｉＯ2 層／Ｓｉ3 Ｎ4 層／ｐ++−
Ｓｉ層の三層構造として、製造歩留りを向上させてい
る。
【００６１】図９に第２実施形態の流速センサの天面図
を示す。図９において、図１の第１実施形態と同一の部
分には同一の符号を付す。流速センサ６１は、支持基板
としてのＳｉ基板２と、ＳｉＯ2 層及びＳｉ3 Ｎ 4 層か
ら構成されるダイアフラム部の一部としての第１ダイア
フラム６２と、ＳｉＯ2 層、Ｓｉ3 Ｎ4 層及びｐ++−Ｓ
ｉ層から構成されるダイアフラム部の一部としての第２
ダイアフラム６３と、第２ダイアフラム６３上に形成さ
れたヒータとしてのマイクロヒータ４と、マイクロヒー
タ４の下流側であって冷接点形成部分を除き第１ダイア
フラム６２上に形成されたサーモパイル６５と、電源端
子６Ａ、６Ｂを有しマイクロヒータ４に駆動電流を供給
するための電源配線６と、出力端子７Ａ、７Ｂを有し、
サーモパイル５から出力される温度検出信号Ｔを出力す
るための出力配線７と、を備えて構成されている。
を示す。図９において、図１の第１実施形態と同一の部
分には同一の符号を付す。流速センサ６１は、支持基板
としてのＳｉ基板２と、ＳｉＯ2 層及びＳｉ3 Ｎ 4 層か
ら構成されるダイアフラム部の一部としての第１ダイア
フラム６２と、ＳｉＯ2 層、Ｓｉ3 Ｎ4 層及びｐ++−Ｓ
ｉ層から構成されるダイアフラム部の一部としての第２
ダイアフラム６３と、第２ダイアフラム６３上に形成さ
れたヒータとしてのマイクロヒータ４と、マイクロヒー
タ４の下流側であって冷接点形成部分を除き第１ダイア
フラム６２上に形成されたサーモパイル６５と、電源端
子６Ａ、６Ｂを有しマイクロヒータ４に駆動電流を供給
するための電源配線６と、出力端子７Ａ、７Ｂを有し、
サーモパイル５から出力される温度検出信号Ｔを出力す
るための出力配線７と、を備えて構成されている。
【００６２】さらに第２ダイアフラム６３上であって、
マイクロヒータ４の周囲には、ｐ++−Ｓｉ層により熱伝
導性が向上して、サーモパイル５側に熱が直接的に伝達
するのを抑制するための複数の熱絶縁用孔６５が設けら
れている。この場合において、第２ダイアフラム６３
は、ＳｉＯ2 層、Ｓｉ3 Ｎ4 層及びｐ++−Ｓｉ層の三層
構造とされているので、マイクロヒータ４の加熱／非加
熱のヒートサイクルによるダイアフラムの反りを軽減す
るとともに、マイクロヒータ４の加熱を均一に行なえ
る。
マイクロヒータ４の周囲には、ｐ++−Ｓｉ層により熱伝
導性が向上して、サーモパイル５側に熱が直接的に伝達
するのを抑制するための複数の熱絶縁用孔６５が設けら
れている。この場合において、第２ダイアフラム６３
は、ＳｉＯ2 層、Ｓｉ3 Ｎ4 層及びｐ++−Ｓｉ層の三層
構造とされているので、マイクロヒータ４の加熱／非加
熱のヒートサイクルによるダイアフラムの反りを軽減す
るとともに、マイクロヒータ４の加熱を均一に行なえ
る。
【００６３】また、ダイアフラムをＳｉＯ2 層及びＳｉ
3 Ｎ4 層の二層構造とする場合よりもＳｉＯ2 層及びＳ
ｉ3 Ｎ4 層の膜厚制御が容易となり、製造歩留りを９５
［％］以上とすることができる。さらに本第２実施形態
の流速センサによれば、流速測定面側には開口部が設け
られていないので、最大耐流速９０ｍ／ｓｅｃとなって
いる。
3 Ｎ4 層の二層構造とする場合よりもＳｉＯ2 層及びＳ
ｉ3 Ｎ4 層の膜厚制御が容易となり、製造歩留りを９５
［％］以上とすることができる。さらに本第２実施形態
の流速センサによれば、流速測定面側には開口部が設け
られていないので、最大耐流速９０ｍ／ｓｅｃとなって
いる。
【００６４】以上の説明のように本第２実施形態によれ
ば、高流速（６０ｍ／ｓｅｃ以上）の使用環境下でもセ
ンサの破壊を招かずに連続的に流速を測定することが可
能となり、第１実施形態の流速センサと同様に、フルイ
ディックガスメータ用微小流量センサとしては、最大耐
流速６０ｍ／ｓｅｃ（＝流量４０００Ｌ／ｈ相当）の環
境下で用いることができる。
ば、高流速（６０ｍ／ｓｅｃ以上）の使用環境下でもセ
ンサの破壊を招かずに連続的に流速を測定することが可
能となり、第１実施形態の流速センサと同様に、フルイ
ディックガスメータ用微小流量センサとしては、最大耐
流速６０ｍ／ｓｅｃ（＝流量４０００Ｌ／ｈ相当）の環
境下で用いることができる。
【００６５】
【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、ヒータ
は、外部からの駆動電流により測定対象流体を断続的に
加熱し、これと並行してサーモパイルは、測定対象流体
の流れによる熱伝導に起因する測定対象流体の温度変化
を検出し、温度検出信号を出力し、測定対象流体の温度
変化はヒータの加熱状態に対応するものとなり、測定対
象流体の温度変化は温度ピークを有するものとなるの
で、熱伝播時間（例えば、ヒータ加熱開始時刻から測定
対象流体の温度ピーク時刻）を測定することにより測定
対象流体の流速を容易に求めることができる。
は、外部からの駆動電流により測定対象流体を断続的に
加熱し、これと並行してサーモパイルは、測定対象流体
の流れによる熱伝導に起因する測定対象流体の温度変化
を検出し、温度検出信号を出力し、測定対象流体の温度
変化はヒータの加熱状態に対応するものとなり、測定対
象流体の温度変化は温度ピークを有するものとなるの
で、熱伝播時間（例えば、ヒータ加熱開始時刻から測定
対象流体の温度ピーク時刻）を測定することにより測定
対象流体の流速を容易に求めることができる。
【００６６】また、温度センサとしてサーモパイルを用
いているので、特別な回路を設けることなく、温度セン
サの出力電圧を大きくすることができる。この結果、測
温抵抗等を用いた流速センサと比較して、高感度化及び
周辺回路の簡素化が可能となる。
いているので、特別な回路を設けることなく、温度セン
サの出力電圧を大きくすることができる。この結果、測
温抵抗等を用いた流速センサと比較して、高感度化及び
周辺回路の簡素化が可能となる。
【００６７】また、ヒータ及びサーモパイルは、ほぼ平
面状に形成されているので、流速センサには開口部が少
なく、高流速（９０ｍ／ｓｅｃ以上）でも破壊しない。
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効
果に加えて、支持基板は、周辺部分が固定されたダイア
フラム部を有し、サーモパイルのうちサーモパイルを構
成する熱電対の冷接点を除く部分及びヒータはダイアフ
ラム部上に形成されているので、サーモパイル及びヒー
タの熱容量を小さくすることができ、消費電力を低減す
ることができる。
面状に形成されているので、流速センサには開口部が少
なく、高流速（９０ｍ／ｓｅｃ以上）でも破壊しない。
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効
果に加えて、支持基板は、周辺部分が固定されたダイア
フラム部を有し、サーモパイルのうちサーモパイルを構
成する熱電対の冷接点を除く部分及びヒータはダイアフ
ラム部上に形成されているので、サーモパイル及びヒー
タの熱容量を小さくすることができ、消費電力を低減す
ることができる。
【００６８】請求項３記載の発明によれば、請求項２記
載の発明の効果に加えて、ダイアフラム部は、ＳｉＯ2
層及びＳｉ3 Ｎ4 層を有するので、強度を保持したま
ま、ダイアフラム部の厚さを低減することができ、熱容
量を小さくできるので、高強度で消費電力を低減するこ
とができる。
載の発明の効果に加えて、ダイアフラム部は、ＳｉＯ2
層及びＳｉ3 Ｎ4 層を有するので、強度を保持したま
ま、ダイアフラム部の厚さを低減することができ、熱容
量を小さくできるので、高強度で消費電力を低減するこ
とができる。
【００６９】請求項４記載の発明によれば、請求項３記
載の発明の効果に加えて、ダイアフラム部のうち、ヒー
タの形成部分については、さらにｐ++−Ｓｉ層が設けら
れ、ヒータの周囲に熱絶縁用開口部を設けることによ
り、ヒータの形成部分における機械強度を向上して保持
基板の反りを軽減し、ヒータ形成部分の熱伝導性を向上
して均一な加熱を行なうとともに、熱絶縁用開口部によ
り、サーモパイル側に直接的に熱伝導が起こるのを防止
して消費電力を低減できる。
載の発明の効果に加えて、ダイアフラム部のうち、ヒー
タの形成部分については、さらにｐ++−Ｓｉ層が設けら
れ、ヒータの周囲に熱絶縁用開口部を設けることによ
り、ヒータの形成部分における機械強度を向上して保持
基板の反りを軽減し、ヒータ形成部分の熱伝導性を向上
して均一な加熱を行なうとともに、熱絶縁用開口部によ
り、サーモパイル側に直接的に熱伝導が起こるのを防止
して消費電力を低減できる。
【００７０】また、ｐ++−Ｓｉ層を設けることにより製
造条件が緩和され、製造歩留りを向上することができ
る。請求項５記載の発明によれば、請求項１乃至請求項
４記載の発明の効果に加えて、サーモパイルを構成する
熱電対は、ｐ++−ＳｉとＡｌとを接合することにより構
成しているので、通常の半導体製造工程を用いて容易に
熱電対を構成することができ、量産化が容易で、製造コ
ストを低減することができる。
造条件が緩和され、製造歩留りを向上することができ
る。請求項５記載の発明によれば、請求項１乃至請求項
４記載の発明の効果に加えて、サーモパイルを構成する
熱電対は、ｐ++−ＳｉとＡｌとを接合することにより構
成しているので、通常の半導体製造工程を用いて容易に
熱電対を構成することができ、量産化が容易で、製造コ
ストを低減することができる。
【００７１】請求項６記載の発明によれば、請求項２乃
至請求項５記載の発明の効果に加えて、サーモパイルの
冷接点は、支持基板のダイアフラム部を除く領域に形成
され、サーモパイルの温接点は、ダイアフラム部上に形
成されているので、冷接点と温接点との熱容量の差を大
きくすることができ、熱電対の起電力、すなわち、温度
検出信号の電圧を高くでき、より高感度なセンサを構成
することができる。
至請求項５記載の発明の効果に加えて、サーモパイルの
冷接点は、支持基板のダイアフラム部を除く領域に形成
され、サーモパイルの温接点は、ダイアフラム部上に形
成されているので、冷接点と温接点との熱容量の差を大
きくすることができ、熱電対の起電力、すなわち、温度
検出信号の電圧を高くでき、より高感度なセンサを構成
することができる。
【００７２】請求項７記載の発明によれば、請求項３乃
至請求項５記載の発明の効果に加えて、サーモパイルの
冷接点は、支持基板であるＳｉ基板上に形成され、サー
モパイルの温接点は、ダイアフラム部上に形成されてい
るので、冷接点と温接点との熱容量の差をさらに大きく
することができ、熱電対の起電力、すなわち、温度検出
信号の電圧をさらに高くでき、さらに高感度なセンサを
構成することができる。
至請求項５記載の発明の効果に加えて、サーモパイルの
冷接点は、支持基板であるＳｉ基板上に形成され、サー
モパイルの温接点は、ダイアフラム部上に形成されてい
るので、冷接点と温接点との熱容量の差をさらに大きく
することができ、熱電対の起電力、すなわち、温度検出
信号の電圧をさらに高くでき、さらに高感度なセンサを
構成することができる。
【図１】第１実施形態の流速センサの天面図である。
【図２】サーモパイルの天面図及び断面図である。
【図３】サーモパイルの製造工程説明図である。
【図４】マイクロヒータの製造工程説明図である。
【図５】流速演算制御回路の概要構成ブロック図であ
る。
る。
【図６】流速演算制御回路のタイミングチャートであ
る。
る。
【図７】流速演算制御回路の詳細波形説明図である。
【図８】流速と熱伝播時間の逆数の関係説明図である。
【図９】第２実施形態の流速センサの天面図である。
【図１０】第１従来例の流速センサの斜視図及び断面図
である。
である。
【図１１】第１従来例の流速センサを用いて流量計を構
成する場合の概要構成ブロック図である。
成する場合の概要構成ブロック図である。
【図１２】第２従来例の流速センサ及び流量計の説明図
である。
である。
１ 流速センサ ２ Ｓｉ基板 ３ ダイアフラム ４ マイクロヒータ ５ サーモパイル ５Ａ 冷接点 ５Ｂ 温接点 ６ 電源配線 ７ 出力配線 １０ ｐ++−Ｓｉ層 １１ ＳｉＯ2 ／Ｓｉ3 Ｎ4 ／ＳｉＯ2 層 １２ コンタクトホール １３ Ａｌ薄膜 １４ ＳｉＯ2 層 １５ ボンディングパッド ２０ Ｐｔ／Ｔｉ層 ２１ ボンディングパッド ３０ 流速演算制御回路 ３１ オシレータ ３２ クロックジェネレータ ３３ アンプ ３４ コンパレータ ３５ ＲＳフリップフロップ回路 ３６ 演算回路 ６１ 流速センサ ６２ 第１ダイアフラム ６３ 第２ダイアフラム ６５ 熱絶縁用孔 ＳREF 基準発振信号 ＳＰ 矩形パルス信号 Ｔ 温度検出信号 ＡＴ 増幅温度検出信号 ＶREF 基準電圧 ＳCMP 比較結果信号 ＳOUT 出力信号
Claims (7)
- 【請求項１】 測定対象流体の流速を熱伝播時間を計測
することにより検出する流速センサにおいて、 外部からの駆動電流により前記測定対象流体を断続的に
加熱するヒータと、 前記ヒータに対し前記測定対象流体の下流側に配置さ
れ、前記測定対象流体の温度を検出し、温度検出信号を
出力するサーモパイルと、 前記ヒータ及び前記サーモパイルを支持する支持基板
と、 を備えたことを特徴とする流速センサ。 - 【請求項２】 請求項１記載の流速センサにおいて、 前記支持基板は、周辺部分が固定されたダイアフラム部
を有し、 前記サーモパイルのうち前記サーモパイルを構成する熱
電対の冷接点を除く部分及び前記ヒータは前記ダイアフ
ラム部上に形成されていることを特徴とする流速セン
サ。 - 【請求項３】 請求項２記載の流速センサにおいて、 前記ダイアフラム部は、ＳｉＯ2 層及びＳｉ3 Ｎ4 層を
有することを特徴とする流速センサ。 - 【請求項４】 請求項３記載の流速センサにおいて、 前記ダイアフラム部のうち、前記ヒータの形成部分につ
いては、さらにｐ++−Ｓｉ層が設けられ、前記ヒータの
周囲に熱絶縁用開口部を設けたことを特徴とする流速セ
ンサ。 - 【請求項５】 請求項１乃至請求項４記載の流速センサ
において、 前記サーモパイルを構成する熱電対は、ｐ++−ＳｉとＡ
ｌとを接合することにより構成していることを特徴とす
る流速センサ。 - 【請求項６】 請求項２乃至請求項５記載の流速センサ
において、 前記サーモパイルの冷接点は、前記支持基板の前記ダイ
アフラム部を除く領域に形成され、 前記サーモパイルの温接点は、前記ダイアフラム部上に
形成されていることを特徴とする流速センサ。 - 【請求項７】 請求項３乃至請求項５記載の流速センサ
において、 前記支持基板は、Ｓｉ基板で形成されており、 前記サーモパイルの冷接点は、前記Ｓｉ基板上に形成さ
れ、 前記サーモパイルの温接点は、前記ダイアフラム部上に
形成されていることを特徴とする流速センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06638096A JP3252375B2 (ja) | 1996-03-22 | 1996-03-22 | 流速センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06638096A JP3252375B2 (ja) | 1996-03-22 | 1996-03-22 | 流速センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09257821A true JPH09257821A (ja) | 1997-10-03 |
| JP3252375B2 JP3252375B2 (ja) | 2002-02-04 |
Family
ID=13314175
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP06638096A Expired - Fee Related JP3252375B2 (ja) | 1996-03-22 | 1996-03-22 | 流速センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3252375B2 (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006138838A (ja) * | 2004-10-13 | 2006-06-01 | Yazaki Corp | 流速計及び流量計 |
| JP2006138839A (ja) * | 2004-10-13 | 2006-06-01 | Yazaki Corp | 流速計及び流量計 |
| JP2006138840A (ja) * | 2004-10-13 | 2006-06-01 | Yazaki Corp | 流速計及び流量計 |
| CN102147420A (zh) * | 2010-12-30 | 2011-08-10 | 国家纳米技术与工程研究院 | 时分复用微机电系统块状流体传感器及其工作方法 |
-
1996
- 1996-03-22 JP JP06638096A patent/JP3252375B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006138838A (ja) * | 2004-10-13 | 2006-06-01 | Yazaki Corp | 流速計及び流量計 |
| JP2006138839A (ja) * | 2004-10-13 | 2006-06-01 | Yazaki Corp | 流速計及び流量計 |
| JP2006138840A (ja) * | 2004-10-13 | 2006-06-01 | Yazaki Corp | 流速計及び流量計 |
| JP4588604B2 (ja) * | 2004-10-13 | 2010-12-01 | 矢崎総業株式会社 | 流速計及び流量計 |
| CN102147420A (zh) * | 2010-12-30 | 2011-08-10 | 国家纳米技术与工程研究院 | 时分复用微机电系统块状流体传感器及其工作方法 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3252375B2 (ja) | 2002-02-04 |
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