JPH11352141A - 感熱式フローセンサ - Google Patents

感熱式フローセンサ

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JPH11352141A
JPH11352141A JP10160300A JP16030098A JPH11352141A JP H11352141 A JPH11352141 A JP H11352141A JP 10160300 A JP10160300 A JP 10160300A JP 16030098 A JP16030098 A JP 16030098A JP H11352141 A JPH11352141 A JP H11352141A
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JP
Japan
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fluid
measuring element
temperature measuring
temperature
fluid temperature
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Application number
JP10160300A
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English (en)
Inventor
Hiroyuki Horiguchi
浩幸 堀口
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Ricoh Elemex Corp
Ricoh Co Ltd
Original Assignee
Ricoh Elemex Corp
Ricoh Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 感熱式フローセンサにおいて、流体温度測温
体による流体の温度測定を正確に行えるようにする。 【解決手段】 基板2上に絶縁膜3を形成し、この絶縁
膜3上に少なくとも発熱体4,5と流体温度測温体6と
を設けた感熱式フローセンサにおいて、流体温度測温体
6を設けた部分の絶縁膜3と基板2との間に空洞部12
を形成し、基板2から流体温度測温体6への熱の伝わり
を防止する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、流体の流速や流量
を測定する感熱式フローセンサに関する。
【0002】
【従来の技術】感熱式フローセンサにおいては、測定対
象である流体の温度による測定感度を補償したり、ある
いは、発熱体を流体温度よりも一定温度高い温度で駆動
させるために流体の温度を測定する必要がある。
【0003】このため、半導体技術を利用した感熱式フ
ローセンサの場合は、発熱体を設ける基板上に、流体の
温度を測定するための流体温度測温体を設けている。
【0004】このような感熱式フローセンサは、基板と
して熱伝導率の良いシリコン(Si)を用い、その基板の
裏面全体を接着剤でホルダーに固定していることが多
く、基板の温度及び基板上に設けられた流体温度測温体
は周囲の温度と等しくなっている。
【0005】一方、感熱式フローセンサを用いて流体の
流速又は流量を測定する環境では、周囲の温度と流体の
温度とが異なる場合が多い。例えば、自動車のエンジン
に取り込む空気の流量測定並びにその制御をするために
使用される感熱式フローセンサでは、この感熱式フロー
センサの周囲の温度は取り込む空気の温度より高くなっ
ている。又、感熱式フローセンサを用いたガスメータの
場合、ガスメータの外箱が西日を受けて熱くなったとき
には、感熱式フローセンサの周囲の温度はガスの温度よ
り高くなっている。又、LPGメータとLPGとでは、
気化熱によってLPGが周囲の温度より低くなることが
多い。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】感熱式フローセンサの
周囲の温度と測定する流体の温度とが異なる場合、流体
温度測温体の温度が感熱式フローセンサの周囲の温度の
影響を受けて測定する流体の温度と異なると、流体の流
速や流量の測定を正確に行えない。
【0007】そこで本発明は、流体温度測温体が感熱式
フローセンサの周囲の温度の影響をできるだけ受けない
ようにし、流体温度測温体による流体の温度測定を正確
に行えるようにし、流体温度測温体の測定結果を利用し
て行う流体の流速や流量の測定を精度良く行うことがで
きる感熱式フローセンサを提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】請求項1記載の発明は、
基板上に絶縁膜を形成し、この絶縁膜上に少なくとも発
熱体と流体温度測温体とを設けた感熱式フローセンサに
おいて、前記流体温度測温体を設けた部分の前記絶縁膜
と前記基板との間に空洞部を形成した。
【0009】従って、感熱式フローセンサの周囲の熱が
基板まで伝わっても、この基板と絶縁膜における流体温
度測温体が設けられた部分との間に空洞部が形成されて
いるので、基板から流体温度測温体へ熱が伝わりにく
く、流体温度測温体による流体の温度測定を正確に行え
る。そして、流体の温度測定を正確に行えることによ
り、この測定結果を利用して行う流体の流速や流量の測
定を正確に行える。
【0010】請求項2記載の発明の感熱式フローセンサ
は、少なくとも発熱体と流体温度測温体とを有するセン
サチップを設け、このセンサチップをホルダとの間に所
定寸法の隙間をもって前記ホルダに固定した。
【0011】従って、感熱式フローセンサの周囲の熱が
ホルダまで伝わっても、ホルダからセンサチップ及び流
体温度測温体へは伝わりにくく、流体温度測温体による
流体の温度測定を正確に行える。そして、流体の温度測
定を正確に行えることにより、この測定結果を利用して
行う流体の流速や流量の測定を正確に行える。
【0012】請求項3記載の発明は、請求項1又は2記
載の感熱式フローセンサにおいて、流体温度測温体に供
給する電力を10μW以下とした。
【0013】従って、流体温度測温体の自己発熱による
影響をほとんど無視できるようになり、流体温度測温体
による流体の温度測定を正確に行え、この測定結果を利
用して行う流体の流速や流量の測定を正確に行える。
【0014】請求項4記載の発明は、請求項1又は2記
載の感熱式フローセンサにおいて、流体温度測温体とし
て薄膜熱電対を用いた。
【0015】従って、薄膜熱電対は自己発熱が起こら
ず、流体温度測温体による流体の温度測定を正確に行
え、この測定結果を利用して行う流体の流速や流量の測
定を正確に行える。しかも、薄膜熱電対を基板との間に
空洞部を形成した絶縁膜上に設けることにより、薄膜熱
電対の熱容量が小さくなり、流体の温度測定をより一層
正確に行え、この測定結果を利用して行う流体の流速や
流量の測定をより一層正確に行える。
【0016】
【発明の実施の形態】本発明の第一の実施の形態を図1
及び図2に基づいて説明する。図1は感熱式フローセン
サのセンサチップ1の構造を示す平面図、図2は図1に
おけるA−A線断面図である。
【0017】センサチップ1は、単結晶シリコンウエハ
が基板2として用いられ、この基板2の(100)面にS
iO2 又はTa2 5 の絶縁膜3がスパッタリングによ
り約1μmの厚さに形成され、その上に白金の層がスパ
ッタリングにより0.2μmの厚さに形成されている。
そして、この白金の層に対してフォトリソグラフィー及
び逆スパッタリングを施すことにより発熱体4,5と流
体温度測温体6とが形成されている。発熱体4,5及び
流体温度測温体6の両端部には、通電用のワイヤを接続
するパッド7が形成されている。
【0018】基板2の上面部には、水酸化カリウム(K
OH)溶液を用いた異方性エッチングにより、2個の開
口部8とこれらの開口部8をつないだ空洞部9とが形成
されている。空洞部9の上方部分には絶縁膜3がブリッ
ジ状に残された支持部10が形成され、この支持部10
の上に発熱体4,5が形成されている。
【0019】また、基板2の上面部における流体温度測
温体6が形成されている部分に近傍には、絶縁膜3を切
り欠いた複数個のエッチング用孔11が形成され、これ
らのエッチング用孔11から水酸化カリウム(KOH)溶
液を用いた異方性エッチングが施されることにより、流
体温度測温体6を設けた部分の絶縁膜3と基板2との間
に空洞部12が形成されている。
【0020】本実施の形態では、流体温度測温体6によ
り流体の温度を正確に測定するためには、温度測定のた
めの電流により流体温度測温体6が発熱する現象をでき
るだけ抑える必要がある。そこで、流体温度測温体6に
流す電流値と抵抗値との関係を調べた。その結果を表1
に示す。
【0021】
【表1】
【0022】表1から明らかなように、電流値が50μ
A以上では、自己発熱のために抵抗値が高くなる。従っ
て、自己発熱の影響を取り除くためには、電流値を50
μA以下にすることが望ましい。そのとき、流体温度測
温体6に供給される電力は、10μW程度となる。従っ
て、流体温度測温体6に供給する電力としては、10μ
W以下が望ましい。
【0023】感熱式フローセンサの発熱体のシミュレー
ションから、白金の抵抗体から空気中への熱伝達係数は
200W/m2 °Kであることが知られている(岡野、
平野、堀口、:感熱紙フローセンサの熱伝導メカニズム
のシミュレーション、:電気各界物理センサ研究会、:
PS−97−6,1997年)。従って、流体温度測温
体6の領域を2mm2 とすると、10μWの熱量が与え
られた場合、流体温度測温体の領域は、0.1°K程度
の温度上昇で、周囲の流体に対して熱平衡になることが
わかる。このときの抵抗値変化は、白金の抵抗温度係数
が3000ppm/°K程度であるので、0.03%で
あり、ほとんど無視できる。この結果は、表1の推定上
昇温度とも一致する。即ち、電力が10μW以下であれ
ば、自己発熱は無視してもよい。
【0024】このような構成において、センサチップ1
を取り付けた感熱式フローセンサを測定する流体の流路
中に配置し、流体がセンサチップ1に対して矢印a方向
へ流れるようにする。そして、発熱体4,5により流体
の流速又は流量を測定し、かつ、流体温度測温体6によ
り流体の温度を測定する。このとき、流体温度測温体6
で測定した流体の温度に応じて、発熱体4,5により測
定した流体の流速又は流量を補正したり、或いは、発熱
体4,5の駆動温度を変更するなどして、流体の流速又
は流量の測定精度を高めるようにしている。
【0025】ここで、絶縁膜3における流体温度測温体
6を設けた部分と基板2との間に空洞部12が形成され
ているため、感熱式フローセンサの周囲の温度が基板2
まで伝わっても、基板2から流体温度測温体6へは伝わ
りにくい。従って、流体温度測温体6による流体の温度
測定を正確に行え、その測定結果を利用して行う流体の
流速や流量の測定を正確に行える。
【0026】また、流体温度測温体6に供給する電力を
10μW以下とすることにより、自己発熱による流体温
度測温体6の温度上昇を抑えることができ、流体の温度
測定をより一層正確に行える。
【0027】つぎに、本発明の第二の実施の形態を図3
に基づいて説明する。なお、図1及び図2において説明
した部分と同じ部分は同じ符号で示し、説明も省略す
る。本実施の形態では、発熱体4,5(図1参照)と流体
温度測温体6(図1参照)とを有するセンサチップ1が複
数本の柱状脚部13によってホルダ14に取り付けられ
ており、センサチップ1とホルダ14との間には所定寸
法の隙間が設けられている。
【0028】発熱体4,5及び流体温度測温体6のパッ
ド7(図1参照)とホルダ14に設けられた電極15とが
ワイヤ16により接続されている。
【0029】このような構成において、センサチップ1
とホルダ14との間に所定寸法の隙間が設けられている
ため、感熱式フローセンサの周囲の熱がホルダ14まで
伝わっても、その熱はホルダ14からセンサチップ1及
び流体温度測温体6へは伝わりにくい。従って、流体温
度測温体6による流体の温度測定を正確に行え、その測
定結果を利用して行う流体の流速や流量の測定を正確に
行える。
【0030】なお、ここで説明したセンサチップ1は、
図1に示したように流体温度測温体6と基板2との間に
空洞部12を形成したものを例に挙げたが、このような
空洞部12を形成しない場合であっても、感熱式フロー
センサの周囲の熱が流体温度測温体6に伝わることを防
止でき、流体温度測温体6による流体の温度測定を正確
に行える。
【0031】つぎに、本発明の第三の実施の形態を説明
する。なお、本実施の形態は、図1に示したセンサチッ
プ1において、流体温度測温体として薄膜熱電対を設け
たものである。他の構成は図1のセンサチップ1と同じ
である。
【0032】このような構成において、薄膜熱電対の場
合には自己発熱が起こらず、流体の温度測定を正確に行
える。さらに、薄膜熱電対を基板2との間に空洞部(図
1,2参照)12を形成した絶縁膜3上に設けることに
より、薄膜熱電対の熱容量が小さくなり、流体の温度測
定をより一層正確に行える。
【0033】
【発明の効果】請求項1記載の発明の感熱式フローセン
サによれば、基板上に絶縁膜を形成し、この絶縁膜上に
流体温度測温体を設け、流体温度測温体を設けた部分の
絶縁膜と基板との間に空洞部を形成したので、感熱式フ
ローセンサの周囲の熱が基板まで伝わっても、その熱が
流体温度測温体ヘ伝わることを空洞部によって防止する
ことができる。このため、流体温度測温体による流体の
温度測定を正確に行うことができ、この測定結果を利用
して行う流体の流速や流量の測定を正確に行うことがで
きる。
【0034】請求項2記載の発明の感熱式フローセンサ
によれば、少なくとも発熱体と流体温度測温体とを有す
るセンサチップを設け、このセンサチップをホルダとの
間に所定寸法の隙間をもってホルダに固定したので、感
熱式フローセンサの周囲の熱がホルダまで伝わっても、
その熱がホルダからセンサチップへ伝わることを防止で
きる。このため、流体温度測温体による流体の温度測定
を正確に行うことができ、この測定結果を利用して行う
流体の流速や流量の測定を正確に行うことができる。
【0035】請求項3記載の発明によれば、請求項1又
は2記載の感熱式フローセンサにおいて、流体温度測温
体に供給する電力を10μW以下としたので、流体温度
測温体による流体の温度測定時において流体温度測温体
の自己発熱を無視できる程度の値に抑えることができ
る。このため、流体温度測温体による流体の温度測定を
正確に行うことができ、この測定結果を利用して行う流
体の流速や流量の測定を正確に行うことができる。
【0036】請求項4記載の発明によれば、請求項1又
は2記載の感熱式フローセンサにおいて、流体温度測温
体として薄膜熱電対を用いたので、薄膜熱電対は自己発
熱が起こらず、薄膜熱電対による流体の温度測定を正確
に行うことができ、この測定結果を利用して行う流体の
流速や流量の測定を正確に行うことができる。さらに、
薄膜熱電対を基板との間に空洞部を形成した絶縁膜上に
設けることにより、薄膜熱電対の熱容量が小さくなって
流体の温度測定をより一層正確に行うことができ、この
測定結果を利用して行う流体の流速や流量の測定をより
一層正確に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第一の実施の形態のセンサチップを示
す平面図である。
【図2】図1におけるA−A線断面図である。
【図3】本発明の第二の実施の形態におけるセンサチッ
プの取付状態を示す側面図である。
【符号の説明】
1 センサチップ 2 基板 3 絶縁膜 4、5 発熱体 6 流体温度測温体 12 空洞部 14 ホルダ

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板上に絶縁膜を形成し、この絶縁膜上
    に少なくとも発熱体と流体温度測温体とを設けた感熱式
    フローセンサにおいて、 前記流体温度測温体を設けた部分の前記絶縁膜と前記基
    板との間に空洞部を形成したことを特徴とする感熱式フ
    ローセンサ。
  2. 【請求項2】 少なくとも発熱体と流体温度測温体とを
    有するセンサチップを設け、このセンサチップをホルダ
    との間に所定寸法の隙間をもって前記ホルダに固定した
    ことを特徴とする感熱式フローセンサ。
  3. 【請求項3】 流体温度測温体に供給する電力を10μ
    W以下としたことを特徴とする請求項1又は2記載の感
    熱式フローセンサ。
  4. 【請求項4】 流体温度測温体として薄膜熱電対を用い
    たことを特徴とする請求項1又は2記載の感熱式フロー
    センサ。
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