JPH11148944A - 流速センサ及び流速測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、基台の上面に、基台と空隙を持つ薄
膜部材を形成し、その薄膜部材上に、電流により発熱す
る２つの発熱抵抗体を設ける流速センサを使って、流体
の流速を測定するときに、広い測定レンジの実現を目的
とする。 【解決手段】それぞれの発熱抵抗体を構成要素に持つブ
リッジ回路を使って、２つの発熱抵抗体を周囲温度や所
定の温度よりも規定温度高くなるようにと発熱させる。
この発熱に必要となる電力は、流体の流速に応じて増大
するとともに、下流側の発熱抵抗体は、上流側からの熱
移動を受けて小さな電力でその発熱が可能になる。これ
から、２つの発熱回路の発生する電圧の差分値を算出す
ることで流速の測定を実現する。この発熱方式は、流体
により奪われる熱エネルギーを補填することで流速を測
定する熱線式流速計と同じ方式である。これから、広い
測定レンジを実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流体の流速の測定
用に用いられる流速センサと、その流速センサを用いて
流速を測定する流速測定装置とに関し、特に、広範囲な
流速の測定を可能にする流速センサと、その流速センサ
を用いて流速を測定する流速測定装置とに関する。

【０００２】

【従来の技術】本出願人は、特公平６-25684号で、高精
度かつ高速応答を実現する半導体微細加工構成の流速セ
ンサと、それを用いる流速測定装置を開示した。

【０００３】図５に、この流速センサの外観図、図６
に、この流速測定装置の回路構成を図示する。ここで、
図５（ａ）は流速センサの斜視図、図５（ｂ）は流速セ
ンサの断面図である。

【０００４】図５に示すように、この流速センサは、単
結晶シリコンなどからなる半導体基台１で構成され、こ
の半導体基台１の中央部には、異方性エッチングにより
空隙部２が形成されており、その結果、この空隙部２の
上部には、半導体基台１から空間的に隔離された薄膜部
材３が形成されている。

【０００５】そして、この薄膜部材３の表面には、電流
により発熱する２つの薄膜の測温抵抗エレメント４，５
と、その２つの間を熱的に絶縁するスリット７が形成さ
れ、更に、空隙部２の形成されていない半導体基台１の
表面には、周囲温度により抵抗値を変化させる周囲温度
測温抵抗エレメント６が形成されている。なお、８は、
熱絶縁を図るべく、測温抵抗エレメント４，５の間以外
の薄膜部材３の表面に形成されるスリット、９〜１４
は、外部回路との接続用に用意されるパッドである。

【０００６】図６に示す流速測定装置は、この流速セン
サを使って、半導体基台１上を移動する気体の流速を測
定するものであり、温度差検出回路２０と、定電流回路
３０と、スイッチング回路４０とで構成されている。

【０００７】この温度差検出回路２０は、測温抵抗エレ
メント４，５とそれより大きな抵抗値を持つ抵抗２１，
２２とで構成されるブリッジ回路と、このブリッジ回路
の出力電圧を増幅する増幅器２３，２４と、この増幅器
２３，２４の出力電圧の差分値を出力する差分増幅器２
５とで構成されており、このブリッジ回路は、周囲温度
測温抵抗エレメント６とトランジスタ３１，３２と抵抗
３３で構成される定電流回路３０から定電流を供給され
るとともに、トランジスタ４１と抵抗４２とで構成され
るスイッチング回路４０により間欠的に駆動されること
になる。

【０００８】ここで、定電流回路３０に設けられる周囲
温度測温抵抗エレメント６は、周囲温度の変化を補償す
るために設けられている。このように構成される本出願
人が特公平６-25684号で開示した流速測定装置では、定
電流回路３０から供給される定電流によって、測温抵抗
エレメント４，５が発熱する。ここで、抵抗２１，２２
は、測温抵抗エレメント４，５に比べてかなり大きな抵
抗値を有することから、測温抵抗エレメント４，５は一
定電流で駆動されるものと見なすことができる。

【０００９】流速センサの表面で気体が流れると、その
上流側に位置する測温抵抗エレメント４or５は、その下
流側に位置する測温抵抗エレメント４or５に比べて、よ
り強く冷やされる。すなわち、下流側の測温抵抗エレメ
ント４or５は、上流側の測温抵抗エレメント４or５から
の熱移動を受けて、気体の影響をほとんど受けないこと
になる。

【００１０】これから、２つの測温抵抗エレメント４or
５の間に温度差が現れ、この温度差は抵抗変化となり、
ブリッジ回路はその平衡を失って、差分増幅器２５はそ
の温度差（気体の流速に対応する）に応じた電圧を出力
する。

【００１１】このようにして、本出願人が特公平６-256
84号で開示した流速測定装置は、流速センサの表面上を
流れる気体の流速を検出する機能を実現している。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】確かに、本出願人が特
公平６-25684号で開示した流速測定装置は、流速センサ
のセンサエレメントが熱絶縁された半導体基台１の薄膜
部材３上に形成されていることから、極めて早い応答速
度で、かつ高精度に気体の流速を検出できるという特徴
がある。

【００１３】しかしながら、この流速測定装置では、気
体の流速が大きくなると、下流側の測温抵抗エレメント
４or５から奪われる熱エネルギーも増大して温度が低下
してしまうことから、上流側と下流側の測温抵抗エレメ
ント４，５の抵抗変化の差が減少することで、流速の測
定が不可能になるという問題点が残されていた。

【００１４】すなわち、図７に示すように、気体の流速
が大きくなると、上流側と下流側の測温抵抗エレメント
４，５の抵抗変化の差が減少することで、差分増幅器２
５の出力電圧が減少してしまい、流速の測定が不可能に
なるという問題点が残されていた。

【００１５】本発明はかかる事情に鑑みてなされたもの
であって、広範囲な流速の測定を可能にする新たな流速
センサの提供と、その流速センサを用いて流速を測定す
る新たな流速測定装置の提供とを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明の流速センサは、基台の上面に、その基台と
空隙を持つ薄膜部材を形成し、かつその薄膜部材上に、
所定の距離離して並べて配設されて電流により発熱する
第１及び第２の発熱抵抗体を設けるとともに、第１の発
熱抵抗体と第２の発熱抵抗体との間に、それらを熱的に
絶縁する１つ又は複数のスリットを設け、更に、基台の
上面に、周囲温度により抵抗値を変化させる第１及び第
２の温度検出抵抗体を設けるように構成する。

【００１７】このように、本発明の流速センサは、セン
サエレメントが熱絶縁された基台の薄膜部材上に形成さ
れていることから、極めて早い応答速度で、かつ高精度
に流体の流速を検出できるという特徴がある。

【００１８】一方、本発明の流速測定装置は、この特徴
を持つ本発明の流速センサを用いて流体の流速を測定す
るものであり、第１の発熱抵抗体と第１の温度検出抵抗
体とを構成要素に持つブリッジ回路を有して、そのブリ
ッジがバランスするようにと、第１の発熱抵抗体を発熱
させる第１の発熱回路と、第２の発熱抵抗体と第２の温
度検出抵抗体とを構成要素に持つブリッジ回路を有し
て、そのブリッジがバランスするようにと、第２の発熱
抵抗体を発熱させる第２の発熱回路と、第１の発熱回路
の発生する電圧と第２の発熱回路の発生する電圧との差
分値を出力する出力回路とを備えるように構成する。

【００１９】このとき、第１及び第２の温度検出抵抗体
の代わりに固定抵抗を用いる構成を採ることも可能であ
る。このように構成される本発明の流速測定装置では、
第１の発熱回路は、ブリッジ回路がバランスするように
と第１の発熱抵抗体を発熱させることで、第１の発熱抵
抗体の発熱温度が第１の温度検出抵抗体の検出する周囲
温度よりも規定温度高くなるようにと、第１の発熱抵抗
体を発熱させる。そして、第２の発熱回路は、ブリッジ
回路がバランスするようにと第２の発熱抵抗体を発熱さ
せることで、第２の発熱抵抗体の発熱温度が第２の温度
検出抵抗体の検出する周囲温度よりも規定温度高くなる
ようにと、第２の発熱抵抗体を発熱させる。

【００２０】ここで、第１及び第２の温度検出抵抗体の
代わりに固定抵抗を用いる構成を採るときには、第１及
び第２の発熱抵抗体は、その固定抵抗で規定される温度
よりも規定温度高くなるようにと発熱されることにな
る。

【００２１】この発熱に必要となる電力は、流速センサ
の表面上を流れる流体の流速に応じて増大するととも
に、下流側の発熱抵抗体は、上流側の発熱抵抗体からの
熱移動を受けて、小さな電力でその発熱が可能になる。

【００２２】これから、出力回路は、第１の発熱回路の
発生する電圧と第２の発熱回路の発生する電圧との差分
値を出力することで、流体の流速に応じた電圧を出力で
きるようになる。

【００２３】第１の発熱回路が第１の発熱抵抗体を発熱
させる発熱方式や、第２の発熱回路が第２の発熱抵抗体
を発熱させる発熱方式は、流体により奪われる熱エネル
ギーを補填していく方法であり、基本的には、熱線式流
速計の計測原理と同一である。この熱線式流速計は、低
速から高速までの広い範囲の流速の測定が可能であると
いう特徴を持つ。

【００２４】このことから分かるように、本発明の流速
測定装置によれば、高精度かつ高速応答を実現するとい
う本発明の流速センサの持つ特徴を生かしつつ、低速か
ら高速までの広い範囲の流速の測定を実現できるように
なる。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、実施の形態に従って本発明
を詳細に説明する。図１に、本発明の流速センサ１００
の一実施例を図示する。ここで、図１（ａ）は流速セン
サ１００の斜視図、図１（ｂ）は流速センサ１００の断
面図である。

【００２６】この図に示すように、本発明の流速センサ
１００は、単結晶シリコンなどからなる半導体基台１で
構成され、この半導体基台１の中央部には、異方性エッ
チングにより空隙部２が形成されており、その結果、こ
の空隙部２の上部には、半導体基台１から空間的に隔離
された薄膜部材３が形成されている。

【００２７】この空隙部２上に形成される薄膜部材３に
は、空隙部２を介して連通する対をなすスリット８ａ，
ｂが互いに所定の間隔をおいて設けられている。更に、
これらのスリット８ａ，ｂの間において、それぞれのス
リット８ａ，ｂから所定の間隔を隔てて、かつスリット
８ａ，ｂの間を結ぶ直線に直交する方向に延びるスリッ
ト７が設けられており、このスリット７により、気体の
流れる方向に沿って、スリット８ａ，ｂとの間に２つの
配設部Ａ，Ｂが形成されている。

【００２８】これらの配設部Ａ，Ｂはスリット７により
互いに熱的に絶縁され、更に、各配設部Ａ，Ｂには、電
流により発熱する２つの薄膜の測温抵抗エレメント４，
５が薄膜形成技術により形成されている。

【００２９】そして、空隙部２の形成されていない半導
体基台１の表面には、周囲温度により抵抗値を変化させ
る２つの周囲温度測温抵抗エレメント６ａ，６ｂが薄膜
形成技術により形成されている。

【００３０】なお、９〜１２／１３ａ，ｂ／１４ａ，ｂ
は、外部回路との接続用に用意されるパッドである。こ
れから分かるように、本出願人が特公平６-25684号で開
示した流速センサでは、周囲温度測温抵抗エレメント６
を１つ備える構成を採るのに対して、本発明の流速セン
サ１００では、周囲温度測温抵抗エレメント６ａ、６ｂ
を２つ備える構成を採っている。

【００３１】図２に、この本発明の流速センサ１００を
使って、半導体基台１上を移動する気体の流速を測定す
る本発明の流速測定装置２００の一実施例を図示する。
本発明の流速測定装置２００は、この図に示すように、
第１の発熱回路３００と、第２の発熱回路４００と、出
力回路５００とを備える。

【００３２】この第１の発熱回路３００は、測温抵抗エ
レメント４と抵抗Ｒ１０の直列接続と、周囲温度測温抵
抗エレメント６ａと抵抗Ｒ１１の直列接続とを並列に接
続することで構成されるブリッジ回路３０１と、測温抵
抗エレメント４と抵抗Ｒ１０の接続点の電位と、周囲温
度測温抵抗エレメント６ａと抵抗Ｒ１１の接続点の電位
とを入力して、その差分値に応じた電圧Ｖａを発生して
ブリッジ回路３０１に印加する差動増幅器３０２とで構
成されている。

【００３３】第２の発熱回路４００は、測温抵抗エレメ
ント５と抵抗Ｒ１２の直列接続と、周囲温度測温抵抗エ
レメント６ｂと抵抗Ｒ１３の直列接続とを並列に接続す
ることで構成されるブリッジ回路４０１と、測温抵抗エ
レメント５と抵抗Ｒ１２の接続点の電位と、周囲温度測
温抵抗エレメント６ｂと抵抗Ｒ１３の接続点の電位とを
入力して、その差分値に応じた電圧Ｖｂを発生してブリ
ッジ回路４０１に印加する差動増幅器４０２とで構成さ
れている。

【００３４】出力回路５００は、第１の発熱回路３００
の発生する電圧Ｖａと、第２の発熱回路４００の発生す
る電圧Ｖｂとの差分値を算出して出力する。このように
構成される本発明の流速測定装置２００では、測温抵抗
エレメント４と周囲温度測温抵抗エレメント６ａが白金
のような正の抵抗温度係数を持つ抵抗体の場合には、電
圧Ｖａがゼロのときに、 Ｒ４／Ｒ１０＜Ｒ６ａ／Ｒ１１ Ｒ４ ：測温抵抗エレメント４の抵抗値 Ｒ６ａ：周囲温度測温抵抗エレメント６ａの抵抗値 Ｒ１０：抵抗Ｒ１０の抵抗値 Ｒ１１：抵抗Ｒ１１の抵抗値 となるように抵抗Ｒ１０，Ｒ１１が選定され、第１の発
熱回路３００により電圧Ｖａが印加されると、測温抵抗
エレメント４に電流が流れて発熱し、その抵抗値のＲ４
が増加して、 Ｒ４／Ｒ１０＝Ｒ６ａ／Ｒ１１ になるところでバランスする。

【００３５】このように、第１の発熱回路３００は、測
温抵抗エレメント４の発熱温度が周囲温度測温抵抗エレ
メント６ａの検出する周囲温度よりも規定温度高くなる
ようにと、測温抵抗エレメント４を発熱させるよう動作
する。

【００３６】一方、測温抵抗エレメント５と周囲温度測
温抵抗エレメント６ｂが白金のような正の抵抗温度係数
を持つ抵抗体の場合には、電圧Ｖｂがゼロのときに、 Ｒ５／Ｒ１２＜Ｒ６ｂ／Ｒ１３ Ｒ５ ：測温抵抗エレメント５の抵抗値 Ｒ６ｂ：周囲温度測温抵抗エレメント６ｂの抵抗値 Ｒ１２：抵抗Ｒ１２の抵抗値 Ｒ１３：抵抗Ｒ１３の抵抗値 となるように抵抗Ｒ１２，Ｒ１３が選定され、第２の発
熱回路４００により電圧Ｖｂが印加されると、測温抵抗
エレメント５に電流が流れて発熱し、その抵抗値のＲ５
が増加して、 Ｒ５／Ｒ１２＝Ｒ６ｂ／Ｒ１３ になるところでバランスする。

【００３７】このように、第２の発熱回路４００は、測
温抵抗エレメント５の発熱温度が周囲温度測温抵抗エレ
メント６ｂの検出する周囲温度よりも規定温度高くなる
ようにと、測温抵抗エレメント５を発熱させるよう動作
する。

【００３８】この測温抵抗エレメント４，５の発熱に必
要となる電力は、流速センサ１００の表面上を流れる気
体の流速に応じて増大するとともに、下流側の測温抵抗
エレメント５は、上流側の測温抵抗エレメント４からの
熱移動を受けて、小さな電力でその発熱が可能になる。

【００３９】これから、第１の発熱回路３００の発生す
る電圧Ｖａと、第２の発熱回路４００の発生する電圧Ｖ
ｂとは、図３に示すような形態で、流速センサ１００の
表面上を流れる気体の流速に応じて増大する。

【００４０】出力回路５００は、この電圧Ｖａ，Ｖｂを
受けて、「Ｖａ−Ｖｂ」を算出して出力することで、気
体の流速に応じた電圧を出力する。この出力方式によ
り、ゼロ点の温度特性や振動の影響を受けずに、気体の
流速を高精度に測定できるようになる。

【００４１】第１の発熱回路３００が測温抵抗エレメン
ト４を発熱させる発熱方式や、第２の発熱回路４００が
測温抵抗エレメント５を発熱させる発熱方式は、流体に
より奪われる熱エネルギーを補填していく方法であり、
基本的には、熱線式流速計の計測原理と同一である。こ
の熱線式流速計は、低速から高速までの広い範囲の流速
の測定が可能であるという特徴を持つ。

【００４２】このことから分かるように、本発明の流速
測定装置２００によれば、高精度かつ高速応答を実現す
るという本発明の流速センサ１００の持つ特徴を生かし
つつ、低速から高速までの広い範囲の流速の測定を実現
できるようになる。

【００４３】図４に、本発明の流速測定装置２００の他
の実施例を図示する。この実施例と図４に示した実施例
との違いは、この実施例では、周囲温度測温抵抗エレメ
ント６ａの代わりに固定の抵抗Ｒ１４を用い、周囲温度
測温抵抗エレメント６ｂの代わりに固定の抵抗Ｒ１５を
用いる構成を採っている点である。

【００４４】この構成を採ると、第１の発熱回路３００
は、測温抵抗エレメント４の発熱温度が抵抗Ｒ１４で規
定される温度よりも規定温度高くなるようにと、測温抵
抗エレメント４を発熱させるよう動作し、第２の発熱回
路４００は、測温抵抗エレメント５の発熱温度が抵抗Ｒ
１５で規定される温度よりも規定温度高くなるように
と、測温抵抗エレメント５を発熱させるよう動作するこ
とになるという違いはあるものの、第１の発熱回路３０
０の発生する電圧Ｖａと、第２の発熱回路４００の発生
する電圧Ｖｂとの差分値は、図３に示したような気体の
流速に応じたものになるので、図２の実施例と同様に、
低速から高速までの広い範囲の流速の測定を実現できる
ようになる。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
基台の上面に、その基台と空隙を持つ薄膜部材を形成
し、かつその薄膜部材上に、所定の距離離して並べて配
設されて電流により発熱する第１及び第２の発熱抵抗体
を設けるとともに、第１の発熱抵抗体と第２の発熱抵抗
体との間に、それらを熱的に絶縁する１つ又は複数のス
リットを設け、更に、基台の上面に、周囲温度により抵
抗値を変化させる第１及び第２の温度検出抵抗体を設け
るように構成される流速センサを使い、高精度かつ高速
応答を実現するというその流速センサの持つ特徴を生か
しつつ、低速から高速までの広い範囲の流速の測定を実
現できるようになる。

【００４６】そして、本発明によれば、基台の上面に、
その基台と空隙を持つ薄膜部材を形成し、かつその薄膜
部材上に、所定の距離離して並べて配設されて電流によ
り発熱する第１及び第２の発熱抵抗体を設けるととも
に、第１の発熱抵抗体と第２の発熱抵抗体との間に、そ
れらを熱的に絶縁する１つ又は複数のスリットを設ける
ように構成される流速センサを使い、高精度かつ高速応
答を実現するというその流速センサの持つ特徴を生かし
つつ、低速から高速までの広い範囲の流速の測定を実現
できるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の流速センサの一実施例である。

【図２】本発明の流速測定装置の一実施例である。

【図３】本発明の説明図である。

【図４】本発明の流速測定装置の他の実施例である。

【図５】従来技術の説明図である。

【図６】従来技術の説明図である。

【図７】従来技術の説明図である。

【符号の説明】

１ 半導体基台 ２ 空隙部 ３ 薄膜部材 ４ 測温抵抗エレメント ５ 測温抵抗エレメント ６ａ 周囲温度測温抵抗エレメント ６ｂ 周囲温度測温抵抗エレメント ７ スリット ８ａ スリット ８ｂ スリット

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基台の上面に、該基台と空隙を持つ薄膜
   部材を形成し、かつ該薄膜部材上に、所定の距離離して
   並べて配設されて電流により発熱する第１及び第２の発
   熱抵抗体を設けるとともに、該第１の発熱抵抗体と該第
   ２の発熱抵抗体との間に、それらを熱的に絶縁する１つ
   又は複数のスリットを設け、更に、該基台の上面に、周
   囲温度により抵抗値を変化させる第１及び第２の温度検
   出抵抗体を設けることを、 特徴とする流速センサ。
2. 【請求項２】 基台の上面に、該基台と空隙を持つ薄膜
   部材を形成し、かつ該薄膜部材上に、所定の距離離して
   並べて配設されて電流により発熱する第１及び第２の発
   熱抵抗体を設けるとともに、該第１の発熱抵抗体と該第
   ２の発熱抵抗体との間に、それらを熱的に絶縁する１つ
   又は複数のスリットを設け、更に、該基台の上面に、周
   囲温度により抵抗値を変化させる第１及び第２の温度検
   出抵抗体を設ける流速センサと、 上記第１の発熱抵抗体と上記第１の温度検出抵抗体とを
   構成要素に持つブリッジ回路を有して、該ブリッジがバ
   ランスするようにと、上記第１の発熱抵抗体を発熱させ
   る第１の発熱回路と、 上記第２の発熱抵抗体と上記第２の温度検出抵抗体とを
   構成要素に持つブリッジ回路を有して、該ブリッジがバ
   ランスするようにと、上記第２の発熱抵抗体を発熱させ
   る第２の発熱回路と、 上記第１の発熱回路の発生する電圧と、上記第２の発熱
   回路の発生する電圧との差分値を出力する出力回路とを
   備えることを、 特徴とする流速測定装置。
3. 【請求項３】 基台の上面に、該基台と空隙を持つ薄膜
   部材を形成し、かつ該薄膜部材上に、所定の距離離して
   並べて配設されて電流により発熱する第１及び第２の発
   熱抵抗体を設けるとともに、該第１の発熱抵抗体と該第
   ２の発熱抵抗体との間に、それらを熱的に絶縁する１つ
   又は複数のスリットを設ける流速センサと、 上記第１の発熱抵抗体と固定抵抗とを構成要素に持つブ
   リッジ回路を有して、該ブリッジがバランスするように
   と、上記第１の発熱抵抗体を発熱させる第１の発熱回路
   と、 上記第２の発熱抵抗体と固定抵抗とを構成要素に持つブ
   リッジ回路を有して、該ブリッジがバランスするように
   と、上記第２の発熱抵抗体を発熱させる第２の発熱回路
   と、 上記第１の発熱回路の発生する電圧と、上記第２の発熱
   回路の発生する電圧との差分値を出力する出力回路とを
   備えることを、 特徴とする流速測定装置。