JPH11118553A

JPH11118553A - フローセンサ

Info

Publication number: JPH11118553A
Application number: JP9277837A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Nakamura; 健一中村; Norihiro Konda; 徳大根田; Fumihiko Sato; 文彦佐藤; Toshihiko Nimura; 俊彦丹村
Original assignee: Omron Corp; Tokyo Gas Co Ltd; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp; Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 1997-10-09
Filing date: 1997-10-09
Publication date: 1999-04-30
Anticipated expiration: 2017-10-09
Also published as: JP3705681B2

Abstract

(57)【要約】【課題】流体の移動方向の依存性なく流速または流量を
検出することができるフローセンサを提供する。【解決手段】本発明は、ヒータ線２４の形状を円形にし
てヒータ線が発生する熱による温度分布の等温曲線を同
心円形状にする。また、ヒータ線の円形形状に伴い、そ
の両側に設けられる温度センサ線２６，２８の形状も円
形にする。即ち、温度センサ線を同心円形状にする。か
かる構成にすることで、流体の移動方向が如何なる方向
であっても、それに伴い発生する等温曲線の拡がり形状
は、常にヒータ線と温度センサ線に対して均一になり、
検出値及び検出感度に流体の移動方向の依存性はなくな
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流体の流量や流速
を測定するフローセンサに関し、特に流体の移動方向の
依存性をなくした新規な構造のフローセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】気体や液体などの流体の流量や流速を測
定するために、ヒータ線を利用した熱式フローセンサが
広く利用されている。かかるフローセンサとして、半導
体基板上に形成したダイヤフラムの表面に、ヒータ線と
その両側の温度センサ線とを設けたマイクロフローセン
サが提案されている。

【０００３】かかるマイクロフローセンサは、トーマス
ガスメータの原理に基づくものであり、その原理は、ヒ
ータ線から発生する熱による温度分布が、流量や流速に
応じて変化し、その変化した温度分布を両側の温度セン
サ線により検出することにある。

【０００４】図１は、従来のマイクロフローセンサの一
部を示す図である。図１（１）が平面図を、図１（２）
がその断面図を示す。半導体基板１０のの表面に形成さ
れたダイヤフラム１２上に、Ｗ字形状のヒータ線１４
と、その両側に逆Ｕ字形状の温度センサ線１６，１８が
設けられる。ダイヤフラム１２を形成するために、半導
体基板１０の裏面側から矩形の貫通孔１１を設けること
が一般に行われる。従って、ダイヤフラム１２の形状は
矩形であり、それに伴い、ヒータ線１４，温度センサ線
１６，１８も矩形の形状をなす。尚、貫通孔１１が設け
られた半導体基板１０は、強度を補強する為に、支持基
板１３に搭載される。支持基板１３には、貫通孔１１内
の膨張防止の為の孔１５が形成されている。

【０００５】流体の流量や流速を検出する為に、ヒータ
線１４に電流を流すことで熱を発生させる。流速がゼロ
の状態では、その熱による温度分布は、ヒータ線１４の
両側（紙面では左右）で対称に広がる。図中矢印２０の
如き方向に流体が移動したとすると、それにより、温度
分布の等温線は矢印２０の方向に広がる。即ち、等温線
の形状は、ヒータ線１４の中心から楕円形上に延びる曲
線である。流速が小さければ、この等温線の矢印２０方
向への広がりは小さく、流速が大きければ、等温線の矢
印２０方向への広がりは大きくなる。

【０００６】温度センサ線１６，１８は例えば抵抗線で
構成され、温度に応じて抵抗値が変化することを利用し
て、両温度センサ線１６，１８の抵抗値の違いを電圧値
の違いで検出し、流速や流量の検出を行う。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来のフローセンサは、直線状に延びるヒータ線１４と
その両側に並列に設けられた温度センサ線１６，１８と
で構成されるので、その検出感度及び検出値に流体の移
動方向に対する指向性を有する。即ち、流体の移動方向
に依存して、検出感度が変化し、また検出値が変化す
る。

【０００８】図２は、図１の拡大平面図である。図２
（１）は、流体の移動方向がヒータ線１４に垂直の場合
を示し、図２（２）は、流体の移動方向がヒータ線１４
に斜めの場合を示す。図中破線で、ヒータ線１４が発生
する熱の温度分布の等温線３０が示される。流体の移動
方向２０がヒータ線１４に垂直の場合と、斜めの場合と
では、図示される通り等温線３０の形状が異なる。

【０００９】図２（１）の流体の移動方向がヒータ線１
４に垂直な場合は、等温線３０は、矢印２０の方向に拡
がる。この例では、温度センサ線１８は等温線３０の外
側に位置し、温度センサ線１６の殆どの部分は等温線３
０の内側に位置する。従って、温度センサ線１８は温度
が低い状態にあり、温度センサ線１６は温度が高い状態
にある。従って、温度センサ線１８と１６との抵抗値の
差は十分大きい。

【００１０】それに対して、図２（２）の流体の移動方
向がヒータ線１４に斜めの場合は、等温線３０は、ヒー
タ線１４から斜め方向に拡がる。その結果、温度センサ
線１６の一部分が等温線３０の内側に位置するだけであ
り、残りの一部は、反対側の温度センサ線１８と同等の
温度状態になる。従って、温度センサ線１８と１６との
抵抗値の差は、図２（１）よりも少ない。即ち、同じ流
量または流速であっても、流体の移動方向に依存して、
検出される値に差が生じるのである。

【００１１】更に、流量や流速の変化に対する両温度セ
ンサ線１６，１８の抵抗値の差の変化も、ヒータ線１４
に垂直方向のほうが斜め方向の場合よりも大きくなる。
図２から明らかな通り、流量や流速の変化に対して等温
線３０が流速方向２０に移動するので、図２（１）の場
合は、その等温線３０の移動に対して温度センサ線１６
の大部分で影響を受けるのに対して、図２（２）の場合
は、その等温線３０の移動の影響は温度センサ線１６の
一部分である。

【００１２】図３は、図２の二つの場合の流速と検出さ
れる電圧差との関係を示すグラフ図である。実線が図２
（１）のヒータ線に垂直方向に流体が移動する場合の特
性曲線であり、破線が図２（２）のヒータ線に斜め方向
に流体が移動する場合の特性曲線である。この特性曲線
は、流速が低い領域では、両温度センサ線の抵抗変化に
よる両温度センサ線の電圧の差は、流速の増加に応じて
増加する。しかし、流速が大きくなると、両温度センサ
線での温度は殆ど同じとなるので、検出される電圧差
は、低下する。

【００１３】上記した通り、垂直方向（実線）と斜め方
向（破線）とでは、同じ流速に対して検出される電圧差
ΔＶが異なる。また、単位流速変化ｄｖに対する検出電
圧差ΔＶの変化量ｄΔＶも、垂直方向と斜め方向とで異
なる。従って、流体の移動方向が常に一定でない環境の
もとでは、従来のフローセンサでは検出値に誤差が発生
し、また、感度も変化する。また、流体の移動方向が常
に一定であっても、フローセンサの取り付け状態によっ
て、その検出値に誤差が発生し、斜めに取り付けられる
と検出感度が低下する。

【００１４】そこで、本発明の目的は、流体の移動方向
に依存せずに常に検出値が一定であり、また検出感度も
高いフローセンサを提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成する為
に、本発明は、ヒータ線の形状を円形にしてヒータ線が
発生する熱による温度分布の等温曲線を同心円形状にす
る。また、ヒータ線の円形形状に伴い、その両側に設け
られる温度センサ線の形状も、円形にする。即ち、温度
センサ線を同心円形状にする。

【００１６】かかる構成にすることで、流体の移動方向
が如何なる方向であっても、それに伴い発生する等温曲
線の拡がり形状は、常にヒータ線と温度センサ線に対し
て均一になり、検出値及び検出感度に流体の移動方向の
依存性はなくなる。

【００１７】上記の目的を達成する為に、本発明は、ヒ
ータ線の両側に近接して温度センサ線を設け、流体の流
量または流速に応じて変化する前記ヒータ線からの熱の
温度分布の変化を前記温度センサ線により検出するフロ
ーセンサにおいて、前記ヒータ線は、当該ヒータ線から
発生する熱による等温曲線が同心円形状になるような形
状を有し、前記温度センサ線は、前記同心円形状に沿っ
た形状を有することを特徴とする。

【００１８】上記のフローセンサによれば、流体の移動
方向に依存せず、正確で高感度の流速または流量を検出
することができる。

【００１９】更に、上記の温度センサ対を、ヒータ線の
第１の方向の両側とそれと異なる第２の方向の両側に設
けることで、更に無指向性を高めることができる。

【００２０】更に、上記の温度センサ対を、ヒータ線の
周りに所定角度間隔で設けることで、無指向性で流速ま
たは流量を検出することができ且つその方向も検出する
ことができる。

【００２１】更に、ヒータ線と温度センサ線とを円形の
ダイヤフラム上に形成し、ヒータ線及び温度センサ線の
形状も円形にすることで、ダイヤフラムに印加されるス
トレスを均一化して、振動に強いダイヤフラム構造にす
ることができる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に従って説明する。しかしながら、本発明の技術的範囲
はその実施の形態に限定されるものではない。

【００２３】図４は、本発明の実施の形態例のフローセ
ンサの構造を示す図である。図４（１）はその平面図、
図４（２）はその断面図である。本実施の形態例でも、
半導体基板１０の裏面側から貫通孔２１を形成し、窒化
シリコン膜とシリコン酸化膜などからなるダイヤフラム
２２が貫通孔２１を覆うように形成される。但し、貫通
孔２１の形状は平面図で円形をなす。具体的には、基板
１０の裏面側から円形のマスク膜を利用した等方性エッ
チング法により形成することができる。

【００２４】ダイヤフラム２２上に、両端が接続電極２
４Ａ，２４Ｂに接続された渦巻き状のヒータ線２４が形
成される。更に、そのヒータ線２４の上下に、同様に同
心円形状の温度センサ線２６と２８とが形成される。こ
れらの温度センサ線２６，２８は、その両端でそれぞれ
接続電極２６Ａ，２６Ｂ及び２８Ａ、２８Ｂに接続され
る。図４の例では、温度センサ線２６，２８は、その感
度を上げる為にヒータ線２４を中心とする５重の同心円
形状になっている。そして、温度センサ線２６は、ヒー
タ線２４の下側に、温度センサ線２８はヒータ線２４の
上側に点対称に配置される。

【００２５】ダイヤフラム２２は、主に温度センサ線２
６，２８やヒータ線２４を熱容量の大きい基板１０から
熱絶縁する為に設けられる。そして、本実施の形態例で
は、温度センサ線２６，２８がヒータ線２４の中心に対
して同心円形状をなすので、ダイヤフラム２２の形状も
同様に円形になる。その結果、ダイヤフラム２２上で基
板１０から各温度センサ線２６，２８までの距離が等し
くなり、基板１０からの熱伝導による影響が等しくな
る。

【００２６】かかる構造にすることで、図中方向４０，
４２，４４のいずれの方向から流体が移動してきても、
それぞれの方向に対して形成される等温線の拡がり形状
が、いずれも中心に対して同じ形状となる。従って、検
出される流量や流速値は流体の移動方向に依存せず常に
同じ値となる。更に、検出感度も方向に依存せず常に最
大値となる。

【００２７】尚、図中、１３は半導体基板１０を支持す
る支持基板であり、半導体基板１０の貫通孔２１に対応
する位置に貫通孔２１内の膨張防止の為の孔１５が設け
られる。但し、ダイヤフラム２２に同様の孔を形成して
も、貫通孔２１の膨張防止を行うことができる。従っ
て、ダイヤフラム２２は貫通孔２１を完全に覆う必要は
ない。

【００２８】図５は、図４のフローセンサのダイヤフラ
ム上のヒータ線及び温度センサ線の構造の拡大図であ
る。図５によれば、ヒータ線２４の渦巻き形状、温度セ
ンサ線２６，２８の同心円形状がより明確に示される。
そして、図５には、方向４０の場合の等温線（破線）３
０Ａと、方向４４の場合の等温線（一点鎖線）３０Ｂが
示される。いずれの場合も、等温線３０の拡がりに対す
る温度センサ線２６の位置関係は、全く同じである。従
って、同じ流速であれば、方向性に依存せずに検出され
る値が同じであり、検出感度も同じ高い状態に維持され
る。

【００２９】但し、図５から明らかな通り、方向４０に
垂直方向の流体の移動に対しては、その流量や流速を検
出することはできない。これを解決することができるフ
ローセンサの例は後述する。

【００３０】図４及び図５に示されたフローセンサは、
ヒータ線や温度センサ線が円形をなすので、ダイヤフラ
ム２２の形状も円形にされる。その為に貫通孔２１は円
形状に加工される。その結果、ダイヤフラム２２と半導
体基板１０との間のストレス、ダイヤフラム２２とその
上のヒータ線２４や温度センサ線２６，２８との間のス
トレスは、均等となり、ダイヤフラムの対振動強度を高
くすることができる。従って、流体の移動によりダイヤ
フラム２２が振動してもその強度が高いので、フローセ
ンサが破損することは避けられる。

【００３１】図６は、図４及び図５に示した実施の形態
例を更に高感度、高精度にしたフローセンサの平面図で
ある。また、図７はそのヒータ線と温度センサ線の拡大
平面図である。この例では、ヒータ線２４の両側に点対
称に設けられる温度センサ線を、２本づつ合計４本とす
る。そして、図８の検出回路に示される通り、それらの
温度センサ線の抵抗Ｒ１１〜Ｒ１４を、ホイートストー
ンブリッジ構成に接続し、それぞれの接続点Ｖ１，Ｖ２
の電圧差ΔＶを増幅器３８で増幅して流速または流量を
検出する。

【００３２】図６と図７に示される通り、点対称形状に
形成されたヒータ線２４の下側に温度センサ線２６（Ｒ
１１）と３６（Ｒ１２）が並列に１往復半、ヒータ線に
対して点対称に形成される。同様に、ヒータ線２４の上
側に温度センサ線２８（Ｒ１３）と３８（Ｒ１４）が並
列に１往復半、ヒータ線に対して点対称に形成される。
それぞれの温度センサ線は、周囲に形成された電極２６
Ａ，２６Ｂ間、３６Ａ，３６Ｂ間、３８Ａ，３８Ｂ間、
２８Ａ，２８Ｂ間にそれぞれ設けられる。

【００３３】そして、ヒータ線２４に近い側に設けられ
た一対の温度センサ線２６（Ｒ１１）と３８（Ｒ１４）
とが、図８に示される検出回路の通り直列に接続され、
一定電圧Ｖ０が印加される。同様に、ヒータ線２４に遠
い側に設けられた一対の温度センサ線３６（Ｒ１２）と
２８（Ｒ１３）とが、図８に示される通り直列に接続さ
れ、一定電圧Ｖ０が印加される。そして、その接続点の
電圧Ｖ１，Ｖ２の差電圧が検出される。

【００３４】かかる構成にすることで、検出回路である
ホイートストーンブリッジ回路の各抵抗は、流速ゼロの
状態では全く同じ温度下におかれるので、全ての抵抗値
が等しくなる。従って、この検出回路により流体の移動
に伴う温度分布の変化による各温度センサ線の抵抗値の
変化を最も感度高く検出することができる。即ち、図面
の上方向から下方向に流体が流れる場合、それにより、
図面下側の下流側に位置する温度センサ線２６（Ｒ１
１），３６（Ｒ１２）の温度が上昇し抵抗値が上昇す
る。また、図面上側の上流に位置する温度センサ線２８
（Ｒ１３），３８（Ｒ１４）の抵抗値は低下する。その
結果、直列回路の電圧Ｖ１は、抵抗Ｒ１１の上昇と抵抗
Ｒ１４の低下によりより一層低くなる。一方、直列回路
の電圧Ｖ２は、抵抗Ｒ１２の上昇と抵抗Ｒ１３の低下に
よりより一層高くなる。従って、それぞれの抵抗値の変
化による増幅作用が働き、電圧差ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１はよ
り大きく増幅される。

【００３５】上記の通り、ヒータ線２４の両側にそれぞ
れ一対の温度センサ線を設けることで、無指向性のフロ
ーセンサの感度は向上する。

【００３６】図９は、更に無指向性を向上させたフロー
センサの拡大平面図である。この例では、温度センサ線
は、ヒータ線２４の第１の方向の両側に設けられる第１
の一対の温度センサ線２６，２８と、ヒータ線２４の第
１の方向と異なる第２の方向の両側に設けられる第２の
一対の温度センサ線４６，４８とを少なくとも有する。

【００３７】即ち、図４及び図５に示した実施の形態例
では、ヒータ線の両側に温度センサ線２６，２８を設け
たので、その温度センサ２６，２８を横切る方向４０〜
４２に流体が移動する場合は、その方向に依存すること
なく流速を検出することができるが、方向４０と垂直の
方向に流体が移動する場合は、検出することができな
い。また、方向４０と垂直の方向に近い方向に流体が移
動する場合は、検出感度が低下する。

【００３８】そこで、図９の実施の形態例では、ヒータ
線２４の両側に設けた一対の温度センサ線２６，２８に
加えて、それらと９０°異なる方向の両側に一対の温度
センサ線４６，４８を設ける。その結果、方向４０と垂
直の方向４６に流体が移動する場合でも、新たに加えた
１対の温度センサ線４６，４８により正確に流速を検出
することができる。

【００３９】図９の実施の形態例では、温度センサ線２
６，２８を利用することで、方向４０から両側に４５°
ずれた方向の流速を、その範囲では方向に依存すること
なく、高精度に検出することができる。一方、温度セン
サ線３６，３８を利用することで、方向４６から両側に
４５°ずれた方向の流速を、その範囲では方向に依存す
ることなく、高精度に検出することができる。従って、
図９によれば、３６０°の方向に対して流速を高精度に
検出することができる。更に、９０°毎ではあるが、流
速の方向も検出することができる。

【００４０】この例では、温度センサ線４６，４８は、
両側の電極４６Ａ，４６Ｂと４８Ａ，４８Ｂとに接続さ
れる。また、温度センサ線２６，２８は、両側の電極２
６Ａ，２６Ｂと２８Ａ，２８Ｂとに接続される。従っ
て、それぞれの電極を導出する部分で、２層配線構造が
利用される。

【００４１】図１０は、流体の移動方向も検出すること
ができる無指向性のフローセンサの平面図である。この
例は、３０°毎の流体の移動方向を検出することができ
るように、温度センサ線対２６１と２８１、２６２と２
８２、２６３と２８３、２６４と２８４、２６５と２８
５、及び２６６と２８６が、それぞれヒータ線２４の両
側に３０°づつシフトして配置される。

【００４２】従って、温度センサ線対２６１から２８１
方向、或いはその逆方向に流れる流体の流速を、この温
度センサ線対２６１，２８１により検出することができ
る。同様に、３０°づつシフトした方向の流体の流速を
対応する温度センサ線対により検出することができる。
温度センサ線の長さが短くならない様に、それぞれの温
度センサ線が図５の如き多重化された配線構造をとるこ
とが好ましい。

【００４３】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明によれば、ヒ
ータ線の形状をそれから発生する等温線が同心円形状に
なる様に構成し、その両側の温度センサ線をその同心円
形状に沿って並列になるような形状にすることで、流体
の移動方向に依存しないでその流速を検出することがで
きる。

【００４４】更に、ヒータ線の両側にそれぞれ１対の温
度センサ線を同心円形状に形成することで、検出回路の
ホイートストーンブリッジ回路の４つの抵抗値を流速ゼ
ロで常に等しくすることができ、より高精度のフローセ
ンサを実現することができる。

【００４５】更に、温度センサ線対を異なる方向に複数
対設けることで、より無指向性を高めたフローセンサを
実現できる。また、複数対の温度センサ線対を所定の角
度毎に配置することで、流体の移動方向も併せて検出す
ることができる。

【００４６】更に、ヒータ線と温度センサ線とを円形の
ダイヤフラム上に形成し、ヒータ線及び温度センサ線の
形状も円形にすることで、ダイヤフラムに印加されるス
トレスを均一化して、振動に強いダイヤフラム構造にす
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のマイクロフローセンサの一部を示す図で
ある。

【図２】図１の拡大平面図である。

【図３】図２の二つの場合の流速と検出される電圧差と
の関係を示すグラフ図である。

【図４】本発明の実施の形態例のフローセンサの構造を
示す図である。

【図５】図４のフローセンサのダイヤフラム上のヒータ
線及び温度センサ線の構造の拡大図である。

【図６】図４及び図５に示した実施の形態例を更に高感
度、高精度にしたフローセンサの平面図である。

【図７】図６のヒータ線と温度センサ線の拡大平面図で
ある。

【図８】図６，７の検出回路である。

【図９】無指向性を向上させたフローセンサの拡大平面
図である。

【図１０】流体の移動方向も検出することができる無指
向性のフローセンサの平面図である。

【符号の説明】

２４ヒータ線２６，２８温度センサ線３６，３８温度センサ線２２ダイヤフラム２１貫通孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者佐藤文彦京都府京都市右京区花園土堂町10番地オムロン株式会社内 (72)発明者丹村俊彦京都府京都市右京区花園土堂町10番地オムロン株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ヒータ線の両側に近接して温度センサ線を
設け、流体の流量または流速に応じて変化する前記ヒー
タ線からの熱の温度分布の変化を前記温度センサ線によ
り検出するフローセンサにおいて、前記ヒータ線は、当該ヒータ線から発生する熱による等
温曲線が同心円形状になるような形状を有し、前記温度センサ線は、前記同心円形状に沿った形状を有
することを特徴とするフローセンサ。
【請求項２】請求項１において、前記ヒータ線は点対称形状を有し、更に、前記温度セン
サ線は前記ヒータ線に並列する点対称形状を有すること
を特徴とするフローセンサ。
【請求項３】請求項１において、前記ヒータ線の一方側に第１及び第２の温度センサ線を
前記同心円形状に沿った形状に並列に設け、更に、前記
ヒータ線の他方側に第３及び第４の温度センサ線を前記
同心円形状に沿った形状に並列に設け、前記第１及び第４の温度センサ線を直列に接続して所定
の電圧を印加し、更に前記第２及び第３の温度センサ線
を直列に接続して前記所定の電圧を印加し、それぞれの
直列回路の接続点の電圧差に従って、前記流体の流量ま
たは流速を検出することを特徴とするフローセンサ。
【請求項４】請求項１において、前記温度センサ線は、前記ヒータ線の第１の方向の両側
に設けられる第１の一対の温度センサ線と、前記ヒータ
線の第１の方向と異なる第２の方向の両側に設けられる
第２の一対の温度センサ線とを少なくとも有することを
特徴とするフローセンサ。
【請求項５】請求項１において、前記温度センサ線は、前記ヒータ線の周りに所定角度毎
にずれた複数対の温度センサを有することを特徴とする
フローセンサ。
【請求項６】請求項１〜５において、前記ヒータ線及び温度センサ線は、基板に形成した貫通
孔を覆う様に形成されたダイヤフラム上に形成され、前
記ダイヤフラムはほぼ円形の形状をなし、前記ヒータ線
及び前記温度センサ線もほぼ円形の形状をなすことを特
徴とするフローセンサ。