JPS58183920A - 空気フイルタ及び流速増大装置 - Google Patents

空気フイルタ及び流速増大装置

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JPS58183920A
JPS58183920A JP5676283A JP5676283A JPS58183920A JP S58183920 A JPS58183920 A JP S58183920A JP 5676283 A JP5676283 A JP 5676283A JP 5676283 A JP5676283 A JP 5676283A JP S58183920 A JPS58183920 A JP S58183920A
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resistance
amplifier
flow rate
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フイリツプ・ジエイ・ポ−ラ−
ロバ−ト・ジ−・ジヨンソン
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、空気フィルタ及び流速増大装置に関するもの
である。
〔先行技術〕
1981年10月9日出願O米i!i1%許願第31O
1345号に開示されている高感度気流層ンサは、検出
構造を詰まらせる粒子、糸くず等t−除六する保繰フィ
ルタ装置を必要としている。更に、他の用例ではセンナ
周辺の流れを増大してセンサの出力信号を大きくする装
置を使用することによってセンサを有利に作動させるこ
とが出来る。こうした構成は高速用と同様に低連用に対
しても容易に適用できなければならない。
〔発明の概要〕
本発明は、流速を有する気流中の空気を一過するフィル
タを備えた空気フィルタ及び流速増大装置であシ、更に
上記フィルタの下流における流速以上に流速を増大させ
るハウジング装置を含む空気フィルタ及び流速増大装置
である。このハウジング装置はフィルタに結合しかつ増
大し九流速を検知する流量センナに取り付けることがで
きるものである。
以下、添付の図面を参照して本発明の実施例について説
明する。
〔実施例〕
本発明L1低い流れ抵抗のフィルタ及び流速増大装置の
両者を提供するものである。第1図に示す構造において
、ハウジング100はその両端部に取りつけられた低い
流れ抵抗フィルタ102を有する管から成っている。図
示したハウジングは、フィルタ102が占めるハウジン
グ100の部分より小さい断面積を有する管104iK
通じる1つまたは複数のテーパ状の流路104を有して
いる。ハウジング部106は、ヘッダ11Gに取シつけ
られ九チップとして図示している。気流センv10$上
に気流を送る。このヘッダ110は、リード線114が
取シつけられ九固定部材112に設置されている。
本発明は、ハウジング部106の両側にフィルタ102
とテーパ状ハウジング部104t−有する双方向装置と
して示されている。しかし、1つのフィルタ102と1
つのテーバ状部分しか持たず、一方向からの気流しか受
は入れない一方向装置も本発明の思想の範囲にあること
は云うまでもない。上述したように、本発明はフィルタ
102の断面からハウジング部106tで平坦に傾斜し
友部分104を有している。しかし、必ずし−このよう
な平坦な傾斜状でなくてもよく、実際にはフィルタ10
2とハウジング部106間の空間はどのような形状であ
ってもよい。たとえば、流れ部分104は、一端にフィ
ルタを有し、他端に部分10@に対応した小さな径の開
口を有する直円柱のような形状でもよい。
フィルタ102の気流断面積は、部分106の気流v/
に面積に比較してかなp大きい。従ってフィルタの流れ
抵抗は、部分106の流速インピーダンスに比較してか
なり低い値に選択することができる。
そのため、部分104による圧力降下は#1とんどなく
、圧力降下のほとんどは部分106において生じる。こ
の部分106は、できるだけ圧力勾配を大きくシ、かつ
センサ108におゆる流速をできるだけ大きくするよう
、できるだけ短くしなけれはならない。
大面積低抵抗フィルタ102によって、オリアイス10
6における圧力降下をほとんど変化させずに多量の糸く
ずやI′1ζpを集めることができる。九とえば、フィ
ルタ対オリフィスの面積比は1000対lが適当である
。この場合、目詰まシからフィルタ抵抗が10倍に増加
しても、部分106における流量はIllか減少しない
。また、九とえ、目詰まりによってフィルタ抵抗が10
0倍に増加しても、上記流量の減少は9g6に過ぎない
ハウジング部分106の断面積は比験的小さい方がよい
。面積が小さいとフィルタ102の流量は低く保持され
、従ってフィルタの目詰壕〉も少なくなる。また、はと
んどの流れはフィルタ管通過せずフィルタ及びハウジン
グの周囲を流れるので、小さい粒子はフィルタ中ではな
く、フィルタ及びハウジングの周囲を流れる。
非常に低い差圧しか有さない2つの異なる部屋と部屋の
間の流れを検出あるいは測定する目的で本発明を適用す
る場合、部屋と部屋の間の差圧のすべてが部分101i
にかかり、空気流の検出感度が最大になるよう、本発明
装置を壁口に配置しかつ密封しなければならない。自由
に流れる気流では、上流のフィルタに及ぼす空気の慣性
圧力と、下流のフィルタを通過する空気の吸気効果とに
よ妙、部分106における圧力勾配はさらに大きくな〕
、これによって部分106を流れる流速奄増加する。
従って、図示するようなフィルタ構造は、幅広い流速範
11に使用で亀、これを規格化すればユニットのコスト
をかな夛低下できる0 フィルタ102で捕えられ九粒子は、前に捕えられてい
た流子の上で捕獲されるので、後で捕った粒子が流れ抵
抗を比例的に増加させるわけではない。つi〉、流れ抵
抗が初期値に関して5倍から10倍に増加するには、最
初の5倍に増加すゐまでKたまつ九はζ夛及び糸くずの
量よ如はるかに大量のはζり及び糸くずが九まらなけれ
ばまらない。このようにオリフィス106の抵抗対フィ
ルタ102の抵抗の初期比率がかな〕高いので、目詰ま
りに対するフィルタ102の有効寿命はかな夛長い。
なお流れ抵抗の増加とフィルタの纜ζDC)量との間の
むの関係は、面積比、使用する実際のスクリーンすなわ
ちフィルタ及びはζりの種類により変化する。
後述する流れセンサと同様に1一般的な熱線風速針も常
K)lれの中に位置し、糸くず中はこシを確実に捕える
。しかしこのような流れセンナは、操作し九に設置し九
ヤする場合の保睡構造がない丸め機械的な損傷が生じる
可能性が6つ九。本発明とともに使用する場合、空気流
が面に並列に薄板状(層流状)に流れ、かつ検知素子に
おいて空気をP遇するよう、流れセンナの検知素子をハ
クジング部分100の平面に設ける。さらに、検知素子
は、保唖構造内に全体的に設置される。最後に、この構
造によシ圧力降下及び流れセンナにおける流速は最大に
なる。
このように、本発明によって、流れセンナは機械的損傷
から保護されかつ糸くず及び纜こシからも守られる。壕
九、部分106における空気流速に対するフィルタの目
#1オシによる影響は大幅に除去される。さらに、部分
10@の空気流速度は、フィルタ102の空気流速度に
関してかな如増大される。なお、本発明は幅広い用途に
使用できるよう規格化したデザインにすることもできる
。また、過剰に目結壕抄することがないのでフィルタの
寿命はかなりgび、かつフィルタの変換は簡単にできる
ので装置の寿命も延長される。
第2図から第5図及び第7図には、本発v14に使用す
る流れセンサの実施例を示している。第6図は、第4図
に示しえ流れセンナに適した回路を示している。
第2図及び第3図は、流れセンナの別の実施例の断面図
を示している。単結晶亭導体10は、窒化シリコンのよ
う*ii*電体層12でカバーされた第1面14を有し
ている。図示し九実施例において、素子22(NSE)
Fi、誘電体層12に般けられ九リード24とパーマロ
イ抵抗素子すなわちグリッド1・から成っている。素子
22は、窒化シリコンのような誘電体の層18でカバー
されている。
誘電体層12は、素子22と半導体10との間を電気的
に絶縁する(層12,18は素子22に対する不活性化
層として働く)。素子16の下に凹部20を形成する仁
とによシ、抵抗素子16と半導体10との間は、熱的及
び物理的に#1とんど絶縁されてい石。凹部20a、エ
ツチング技術を用いて形成できる。凹部20がないと、
検知素子16と半導体10間の熱的及び物理的絶縁を行
なうことは困難である。九とえば、固体誘電体層だけK
よシ抵抗素子16を半導体10から絶縁した場合、固体
鰐電体の熱伝導率は空気の熱伝導率より大きいので、抵
抗素子16は半導体10に放熱する〇検知素子16と半
導体10間を熱的及び物理的に絶縁することによシ多く
の利点が得られる。たとえば、半導体本体10から熱的
に絶縁し九検出素子が非常に薄いと、薄い素子の温度は
気流によシ急速に影響を受けるので、この素子は気流の
高感度測定に適している。これは、半導体に放熱する検
出素子を有する固体熱的風速針とは対照的である。仁の
ような構造の温度感度は、半導体自身の熱質量により非
常に影響される。
第2図の実施例において、部材すなわち検知装置34は
、凹部20にわ九ってシ)、この検知装置34は、半導
体の第1面14に結合し九第1及び第2端部38.40
を有している0前述し丸ように、上から見ると装置34
ははぼ長方形の形状をしている。を九装置34は、抵抗
素子16と誘電体層12.111の一部を有している。
第3図において、抵抗素子1@と誘電体層12゜18の
一部から成る部材すなわち検知装置32は、凹s20上
を片持ち支持されている。すなわち装置32の一端36
のみが半導体の第1面14に結合している。半導体10
に装置32の一端だけが結合している構造にはいくつか
の利点がある。たとえば、装置32は半導体10からの
制限をはとんど受けることなくあらゆる方向に伸縮でき
る。
さらに、装置32の伝導による熱損失は、支持されてい
る一端部でしか起らないので、装置32の熱的絶縁はか
な〉高い0装置34と同様に、装置32は上から見ると
ほぼ長方形の形をしている(たとえば第7図)。
第4図は、2つの装置32またはS4を有する本実施例
の断面図である0流れセンナにおいて一対の検知装置を
使用する場合、いくつかの利点が得られる。九とえば、
後述するように、2つのtlぼ同じ検知装置を用いて、
一方からの信号と他方からの信号を互い違いにすること
により、周囲温度の変化に対して自動的に温度補償する
ことがで龜る。さらKこのような構成では、一つのセン
ナのパックグラウンド電圧を簡単に除去できるので、測
定精度も大幅に改轡できる。その上、流れセンナに2つ
の測定素子を使用すると、流量だけでなく流れ方向も表
示することができる。九とえに、後述するように、セン
ナを定電流モードで動作すると、上流の素子は下流の素
子よりも冷却する〇しかし、凹部上に支持され九検出装
置が1つであっても、九とえは流れているかt九は否か
の固定目的に使用することができる。単一検出素子の流
れセンtにおいて発生し丸亀気流信号は、気流の有無を
調べるには十分であゐ0まえ、素子の抵抗値変化のa、
e、(乱tit>成分だけを増幅すれば、たとえば周囲
温度の変化によ〉生じ九素子のゆっ<シシたすなわちd
、e、変化は検出しないでよい。
パーマロイは、スパッタリングによ勤わずか数千オング
ストロームの厚さの層で4正確に形成でき、かつパーマ
ロイはグリッドすなわち素子16の抵抗値と素子の温度
とに関する感度が非常に高いため、本実施例で線抵抗素
子1@をパーマ賞イで形成している。九とえば、非常に
薄い部材すなわち検知装置32ま九は34は、抵抗素子
16と誘電体層12,1・から形成されている。検出懺
置32重九祉34上を流れる空気によ〉抵抗素子16は
、気流の流量に対して所定の関係で冷却するので、抵抗
の変化によプ気流の測定を行なうことができる。
本実施例では、検知装置12.34の厚さは、代表的に
は0.′8〜1.2ミク四ンであ夛、この厚さは素子1
6(代表的には800オングストロームの厚さ)及び誘
電体層12.II(代表的にはそれぞれ数千オングスト
ロームの厚さ)を含んでいる。
凹部20(代表的には0.001〜0.01インチの深
さ)によ)検出素子1@を半導体本体10から実質的に
絶縁し九構造と上記非常に薄い高感度構造とによ〉、検
知装置32.34は高感度な流れ測定を行なうことがで
きる。
前述し九ように、本実IIIAの素子16社第5図に示
すようにパーマロイグリッドを有している。リード24
もパーマロイでできているので、他の処理工程を必要と
しない(他の材料でリニド24を形成するとさらに他の
処理工程を必要とする。パーマロイのリード24はわず
かに加熱されるが、第5図に示すようにいくぶん幅広く
、半導体本体10に放熱するので、リード240加熱は
比破的小さい)。
第4図に示すように第1及び第2抵抗素子から成る流れ
ト2ンスデューナにはいくつかの利点がある。このよう
な装置を第6図に示すような回路と組合せ、バックグラ
ウンド信号を除去して測定信号を直接的に供給すること
により感度が良く、かつ周囲温度に左右されない流れト
2ンスデエーサを提供することができる。
第4図に示し九センナの動作及び第6図に示し九回路に
関する説明の丸め、これら図面における検出素子の参照
番号を16ム、161とする◇各素子1@A、18Bは
素子16から成っていゐ0索子16ム。
11iBは代表的に社整合されている(少くとも実質的
に等しい)が、整合していなくてもよい。
第6図に示し九回路@Oは、3つO差動増幅器から成っ
ている。各差動増幅器は、たとえば丁LO87である。
図示したように、2つの増幅器50゜52のそれぞれは
、フィードバックループに接続した抵抗素子16Aまえ
は16Bを有している。抵抗素子1@ムは、増幅器sO
の出力54と負入力59との間にリード[24を介して
接続している。抵抗素子1sBは、増幅器52の出力s
6と負入力58との関に1 リード線24を介して接続
している。
増幅器52の負入力5@は、抵抗@4を介してボテンシ
璽メータ・2の摺動子・6に接続している。一方、増幅
器sOの負入力ssも、抵抗TOを介して上記摺動子・
5KIII続している。増幅器50.52の正大カフ2
.74は、それぞれアース筐九は基準電位7@Kil続
してい尋。
増幅ll520出力s6は、抵抗・2を介して増幅器魯
OO負入カフ1に接続し、増幅1)ioの出力s4は、
抵抗@6を介して増幅器@Oの正入力@4に接続してい
る。増幅S@Oの正入力84も、抵抗8Iを介してアー
スを丸線基準電位16に接続している。抵抗10社、増
幅器$00出力■2とこの増幅器の負入力T8との間に
!I続している0ポテンシヨメータ62の第1端子94
は、正電源たとえば+15VDCK接続し、ボテフシl
メータ62の第2端子96は負電源たとえば一15VD
Cに接続する。ボテンシ曹メータ62は、電源のプラス
及びマイナス電圧の間のいずれかで所定の電圧を選択す
る装置である。
動作時に杜、図示の回路は、抵抗素子11ム、16Bを
有する2つの部材821九Fi34における気体流量に
関して所定の関係を有する電圧を、出力92と、アース
または基準電位間ぺ発生する。
抵抗素子16A、111Bは、それぞれ増幅器50゜5
2のフィードバックループに設けられている。
各増幅!1iisO,52はそのフィードバックループ
を流れる電流を一定に保持している。従って、各抵抗素
子16ム、16Bを流れる電流は、素子O抵抗値に左右
されない。フィードバックループの電流を一定に保持す
るよう、各増幅器は抵抗素子16ムオ九は16Bの抵抗
値の変化に比例してその出力電圧を有効変化する。
前述したように1第6図に示した回路の定電流モード動
作において、各パーマロイ素子11iAtたは16Bの
抵抗値は、抵抗素子の温度に関して所定の関係で変化す
る。従って、各増幅器50.52の電圧出力は、その抵
抗素子の温度に関して所定の関係を有している(以下に
述べるように定電流以外の動作モードでも可能である)
演算増幅器80は、演算増幅器S’0.52の電圧出力
間の差を増幅する。なお、出力s2の電圧は演算増幅器
50.52の出力電圧間の電圧差に比例している。従っ
て、出力!2の電圧は抵抗素子16A、l$B間の温度
差に関する所定の関係を有している。抵抗素子16ム、
16B間の温度差は、素子における気体流量に関する所
定の関係を有している。
よって、増幅器80の出力92における電圧は、素子1
6A、16Bにおける流量に関する所定の関係を有して
いる。
第6図に示した回路において、先ず、抵抗素子16Aか
ら成る一方の部材すなわち検知装置上に、次に素子11
iBから成る他方の部材すなわち検知装置上に気体が流
れると、素子11iAlを流れる気体は素子16紛為ら
熱を受は城)かつ素子16Bの周辺に熱を与えるので、
抵抗素子11iAは抵抗素子16Bよりも冷却される。
摺動子6@O回路供給電圧が正である場合、増幅器52
の出力電圧は増幅器50の出力電圧より大きい。仁の差
は、増幅器@OKより増幅される。出力92の出力電圧
は、気体の流量に関する所定の関係を有している。前述
し丸ように、出力92における出力電圧は、方向性も表
示することができる。九とえば、素子18A。
16Bがダクトま九は本実施例のハウジング部分106
の流れに沿って配置されている場合、前述したように上
流の素子は下流の素子よりも冷却するので、2つの素子
を有するセンナは、流量の他、流れの方向を決定するこ
とができる。
第6図に示し九回路は、定電流モードで検出素子16A
、16Bを作動する。しかし、定電圧モート一定温(定
抵抗)モード、を九は定電力モードで流れセンサの検出
素子を作動する回路を含む、他の回路てあってもよい。
第6図に示しえような回路60は、第7図に示すように
半導体本体1oに直接的に一体形成することもできる。
流れセンサは後述するようなバッチ処理方法で製造する
ことができる。
センナを製造するには、代表的には3000オングスト
ロームの厚さの窒化シリコン層12を支持する(100
)シリコンウェファ面14金準備する。
この窒化シリコン層は、低圧でのガス抜きを行なっての
標準スパッタリング技術によ)形成される。
続イて、代表的には80パーセントのニッケルiたは及
び20パーセントの鉄から成シ、かつ800オングスト
ロームの厚さを有するパーマロイの均一層をスパッタリ
ングにより窒化シリコン上に形成する。
また、適当なフォトマスク、フォトレジスト。
及び適当なエツチング剤とを用いて、グリッド16とリ
ード24とから成るパーマロイ素子22を形・成する。
続いて、5000オングストロームの厚さを有する窒化
シリコンの第2層18をスパッタリング形成し、パーマ
ロイ構造を完全にカバーし、抵抗素子及びその接続部分
とを酸化から守る。(3000オングストロームの厚さ
の窒化シリコンの第1層と5000オングストロームの
厚さの窒化シリコンの第2層によシ誘電体の非対照的な
層を有する検出装置を形成するが、この非対照性は勢し
い厚さの層を形成することにょシ補正てきる)。続いて
、1つま九は複数の開口152(第7図)を窒化シリコ
ンを通って(100)シリコン面までエツチング形成し
、各検出装置を作る(検出装置321九は34紘代表的
にはまっすぐな縁部を有しているが、たとえば曲線の縁
部を有している等他の形状であってもよい)。
最後に、窒化シリコンに作用しない異方性エツチング剤
を用いて、検出装置32壕九は34の下から制御しなが
らシリコンをエツチング除去する(適尚なエツチング剤
としてはKOHプラスイソプロピルアルコールがある)
。エツチングされた凹部の傾斜側面は、エツチング剤に
作用しない(111)及び他の結晶面と凹部の底面とで
結合され、エツチング剤に対して抵抗力のある(100
)面は、エツチング期間を関節することにょシ検知装置
から所定距離、たとえば0.004インチだけ離間され
ている。マえ、注入シリコンエツチング停止部材すなわ
ちボロン注入層を用いて凹部の深さを調節することもで
きる。しかし、本発明による方法を使用した場合、この
ような停止部材は必要ない。
検出装置を蝮時間でアンダーカットするため、検知装置
の所定形状すなわち装置のtつすぐな縁部普九は軸を、
シリコン(’1lO)軸に対して角度をつけて配置する
。このような角度をほぼ45にすると、検出装置を最短
時間でアンダーカットすることができる。たとえば、代
表的な寸法の片持ち支持ビームをアンダーカットするの
に1上記軸に対して角度をつけずに配置し九場合エツチ
ング時間に数時間畳したのに較べて、45°の角度をつ
け九場合には約90分で済む。
検知装置32または34の側面に沿ったエッチング開口
152ノ幅は、代表的には0.002〜0.005イン
チである。検知装置32まえは34の代表的な寸法は、
o、oos〜0.00フインチの幅と、0.01〜0.
02インチの長さと、0.8〜1.2ミクロンの厚さを
有する。第5図に示し九ようなパーマロイ素子16は、
約800オングストロームの厚さく代表的には約800
〜約1600オングストロームの範囲)で、80パーセ
ントのニッケルと20パーセントの鉄から成り、かつ室
温で約1000オームの抵抗値を有している。用途の変
化に応じて抵抗値は室温、たとえば約25℃で約500
オーム〜約2000オームの範囲内となる(最高給40
0Cのパーマロイ素子温度で、抵抗値は最高約3倍に増
加する)。パーマロイグリッド16の幅は、約6ミクロ
ンで、4ミクロンの間隔がおいている。
凹部20は、検知装置32壕九は34と半導体本体10
との間に0.004インチの間隔を有しているが、この
間隔は約0.001インチ〜約0.01インチの範囲で
容易に変更することができる。半導体本体10の代表的
な厚さはo、o o sインチである(なお、上述した
寸法は説明上のものであり、これら寸法に限定されるも
のではない。) 上述した寸法の検知装置の熱容量及び熱インピーダンス
は非常に小さく、約0.005秒の熱時定数を生ずる。
従って、熱入力がわずかに変化しても、検知素子の別の
温度で急速に新たに熱平衡する。
この差が、実質的な電気出力信号を生じる。
上述し九流れセンサの比強度は非常に高く、上記代表的
な寸法の2端支持ブリツジでは、10,000重力以上
の横槍的衝撃力に耐えることができる。
これら寸法の片持ち支持の単一端部構造でも、10゜0
00重力の衝撃に耐えることができる。
本発明は、室温すなわち周凹温度以上に検知装置32ま
たは34を加熱して検知性能を最適化するような、用途
において特に有効である。代表的を動作温度は約100
〜400℃の範囲である。パーマロイ素子を使用した場
合、これは数ミリワットの入力電力だけで行なうむとか
で暑る。このよう適している。
なお、本発明は、本発明の思想に基づいて様々に改変で
き、上述した実施例に限定されるものではない。たとえ
ば、(第1図に示した双方向装置に対して)一方向だけ
から流れを受ける単一フィルタ102を有する装置であ
ってもよい。また、前述したように、ハウジング部分1
04が必ずしも平らなテーパ形状でなくてもよく、フィ
ルタ102トハウジング部分106との間の体積がどの
ような形状でもよい。たとえば部分104は一端にフィ
ルタ102を有し、他端にオリアイス106に対応した
小さな開口を有する円柱であってもよい。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例を示し、第2図〜第5路である
。 10・・・−半導体本体、16・・・・検知素子、22
・・・・抵抗素子、20・書巻・凹部、50.52,8
0・・・・増幅器、100・・・・ハウジング、102
φ・・・フィルタ、108・・・・気流センサ、114
Φ・・・リード線。 rノl=フ8 コで112F、? =ご−一−2兄1t コyztコl# ?ソン:迦2フ

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 流速を有する気流中で空気を一過するフィルタを備え九
    フィルタ装置と、前記フィルタ下流の流速以上に流速を
    増大させるハウジング装置とからなり、このハウジング
    装置はフィルタ装置に結合しさらに上記増大した流速を
    検出する流れセンナに取付けられていることを特徴とす
    る空気フィルタ及び流速増大装置。
JP5676283A 1982-03-31 1983-03-31 空気フイルタ及び流速増大装置 Pending JPS58183920A (ja)

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US36412782A 1982-03-31 1982-03-31
US364127 1982-03-31

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ID=23433131

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