JPS6161013A - 流体流量センサ - Google Patents

流体流量センサ

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JPS6161013A
JPS6161013A JP60188693A JP18869385A JPS6161013A JP S6161013 A JPS6161013 A JP S6161013A JP 60188693 A JP60188693 A JP 60188693A JP 18869385 A JP18869385 A JP 18869385A JP S6161013 A JPS6161013 A JP S6161013A
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fluid
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デイヴイツド　ケー．ンバート
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Motors Liquidation Co
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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】 本発明は流体流量センサに関し、さらに詳細には流体中
に伝搬される熱信号に応答するようなセン°妊′に関す
る。
従来より多くの種類の流体流量センサが提案されており
、それらのセンサは様々な利点と欠点を併せ持っている
。たとえば、寸法、価格、精度、応答性、消費電力及び
耐久性には大きなばらつきがある。さらに、ある種のセ
ンサは限定された種類の流体又は限定された温度範囲に
しか適用されない。流体速度にのみ応答するセンサや、
流体の質量流量に応答するセンサもある。自動車のエン
ジンの吸入空気の質量空気流量を測定するために適用す
る場合には、センサは質量空気流量に応答することが望
１しく、また、センサは頑丈で耐久性にすぐれ、広い温
度範囲及び広い動的流量範囲にわたり有用でなければな
らない。
熱特性に応答する流量センサは、通常、流通する流体の
加熱された固体に対する冷却効果を測定することに基づ
いて動作する。このようなセンサは、エンジンの吸入空
気の質量空気流量の測定に適用されている熱線空気流量
センサ及び薄膜空気流量センサなどの数多くの形態をと
る。薄膜空気流量センサの一例は米国特許第４．４３３
．５７６号に記載され、小型固体空気流量センサの一例
は米国特許第４．３３２，１５７号に示されるピロ電気
式風速計である。米国特許第４，３３２，１５７号の装
置の場合、主に固体基板を流れる温度振動は温度変化を
発生させるが、この変化の大きさは空気流の基板に対す
る冷却効果によって決定される。ピロ電気式装置の応答
時間は非常に遅いと報告されている。さらに別の温度応
答空気流量計は、１本のワイヤの加熱と、この第１のワ
イヤから離間して配置される第２のワイヤの抵抗変化に
よる熱線の破裂現象の検出との時間差を利用して空気流
量を測定するパルス式熱線風速計である。この構成は、
Ｊ。
Ｋ、　Ｅａｔｏｎ他による論文ｒ　Ｔｗｏ　ｎｅｗ　ｉ
ｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓｆｏｒ　　ｆｌｏｗ　　ｄｉｒｅ
ｃｔｉｏｎ　　ａｎｄ　　ｓｋｉｎ−ｆｒｉｃｔｉｏｎ
ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ　１ｎｓｅｐａｒａｔｅｄ　
ｆｌｏｗｓ　　（分離流れにおける流動方向及び皮膚摩
擦の測定のだめの新型計器２種）　Ｊ　（Ｉ　ＳＡ　Ｔ
ｒａｎｓ　ａｃｔｉｏｎ第２１巻第１号、６９〜７８ペ
ージ）に記載されている。これは空気中における熱信号
の伝搬に基づいているので、本発明にごく近いといえる
が、細いワイヤを必要とする。細いワイヤはもろく、再
現性良く組立てることは困難である。
本発明は、小型固体感知素子を有し、応答時間の短い流
体流量センサを提供する。本発明は、固体集積回路チッ
プに容易に組込まれるようなセンサをさらに提供する。
さらに、本発明は、質量空気流量に応答し、自動車のエ
ンジンの吸入空気の流量測定に必要な温度範囲及び流量
範囲で動作するような流体流量センサを提供する。
本発明は、測定すべき流体の熱拡散率より低い熱拡散率
を有する基板と、熱振動信号が流体中を両者の間で伝搬
されるように基板の表面に設けられる熱振動源及び熱振
動検出器と、検出器からの信号の到着時間又は位相を基
板の表面の付近の流体流量と相関するものとして適切な
基準に対して測定する回路とを含む固体流体流量センサ
により実施きれる。
以下、添付の図面を参照して本発明の詳細な説明する。
ここで説明する流体流量センサは一般に気体及び液体に
適用されるが、本発明の好ましい実施例においては質量
空気流量センサに特定して説明するものとする。すなわ
ち、センサはその横断面の気流速度のみならず、空気密
度にも応答する出力を発生するように構成され、従って
、ある所定の気流に対して、センサの出力は質量空気流
量を表わす。
第１図に関して説明する。センサは、断熱性及び電気絶
縁性を有し且つ測定されるべき空気又はその他の流体に
対して熱拡散率の低い基板１０を必要とする。熱伝導率
をＫとし、密度をＤとし、一定圧力における熱容素を印
としたとき、熱拡散率Ａｔｊ：Ａ＝に／ＤＣｐとして定
義される。基板１０に適する材料は、２０℃のときに熱
伝導率に＝　１．　Ｉ　Ｘ　１０−”　Ｗｔｙｎ　−’
℃−１及び熱拡散率Ａ　＝　６．９　Ｘ　１０−３ｃｍ
　’５ｅｅ−’を有するガラスである。さらに良い基板
材料はＫ　＝　１．４５　Ｘ　１０−３Ｗｃｒｎ−’℃
−及び性を示すポリイミドである。これに対し、空気の
場合は、２０℃のときの熱特性が Ｋ　＝　２．６１　Ｘ　１０−’　Ｗ　ｃｍ−’℃−１
及びＡ　＝　２．３１　Ｘ　ｌ　Ｏ−’　ｃｍ　２ｓｅ
ｃ−’　　である。従って、それらの基板材料の熱拡散
率は空気よりはるかに低い。抵抗条片又は加熱器１２の
形態をとる温度振動源は基板１０の表面に配置され、そ
の両端は導電パッド１４として形成される。
電気的発振器１６は、抵抗条片又は加熱器１２に振動電
流を供給するためにリード線１８により導電パッド１４
に接続される。熱電検出器２０の形態をとる温度振動検
出器は基板１０の表面に、抵抗条片１２から離間して形
成される。熱電検出器２０はテルル化鉛などの半導体材
料の薄膜２２と、共に抵抗条片１２と平行であり、半導
体薄膜と２つの互いに離間する細長い接続部２５ａ及び
２５ｂを形成し且つ熱電検出器２０の出力端子を提供す
るために半導体薄膜２２の表面と接触する一対の金属（
たとえば鉛）条片２４とから構成される。ゼーベック効
果は、熱電検出器の２つの接続部２５ａ及び２５ｂの温
度が異なるときに、必ず熱電検出器の出力端子に電気信
号が発生されるように熱電検出器２０の動作を規定する
。入力端子が熱電検出器２０の金属条片２４に結合され
ている差動増幅器２６は、そのような温度差が起こるた
びに出力信号を発生する。この出力信号はフィルタ２８
を介して伝送される。フィルタ２８は、発振器１６の各
正弦波サイクルが抵抗条片１２内に２つの熱パルスを発
生し、それにより２つの検出器出力信号を発生させるた
めに発振器１６の周波数の２倍の周波数を通過するよう
に設定される。フィルタを通過した出力信号と、発振器
１６からの信号はタイミング回路３０に供給され、タイ
ミング回路３０け発振器電流と検出器出力信号との時間
差又は位相差を検出する。
温度振動源（抵抗条片）１２から熱電検出器２０まで熱
波が空気中を伝搬する速度は、温度振動の位相速度Ｖｐ
と、抵抗条片１２に対して垂直の気流速度の成分（矢印
２９により指示される）とによって決まる。簡単な分析
により、流体流速と流れに起因する時間ずれ又は位相ず
れとの関係を知ることができる。
抵抗条片１２から熱電検出器２０の第１の接続部２５８
１での距離をＲとし、同位相波面が静止空気中を抵抗条
片から接続部２５ａまで進むのに要する時間をｔとした
とき、ｔ　＝　Ｒ／Ｖｐである。下流へ向かう気流の速
度をＶｐ　　とすれば、時間ｔ’＝　Ｒ，／（Ｖｐ十ｖ
ｆ　）となる。このとき、時間ずれはｔ−ｔ’であり、
その結果として起こる位相ずれ（単位：度）は一温度振
動周波数をｆとすれば一３６０Ｖｒ／Ｖｐ　（ｖｐ＋Ｖ
ｆ　）ｒ：ある。このようにして得られる関数は第２図
に示される曲線のような形状を有し、低速では直線的で
あり、高速になるとほぼ平坦であることを特徴とする。
タイミング回路３０はｔ又はｔ′の値を提供する。第２
図の数値は、静止空気中のｔを測定すると共に、様々な
流速の気流についてｔ′を測定することにより得られる
。時間ずれ又はそれに対応する位相ずれを表わす値を−
ｔ′は、第１図の計算回路３１により示されるように、
各データ点における計算によって手動操作で又は電子的
に決定される。
温度振動は抵抗条片から基板と空気の双方を介して熱電
検出器まで伝播することができるので、装置を設計する
際には、検出器を妨害するおそれのある原因の１つとし
てこのことを考慮に入れなければならない。基板の熱伝
導率は通常は空気の熱伝導率より高いため、抵抗条片１
２から基板に結合される熱の量は空気に結合される熱よ
り多い。従って、熱電検出器２０が抵抗条片１２に非常
に近接していた場合、基板の熱振動は空気中の熱振動に
勝り、Ｓ／Ｎ比は非常に低くなってしまう。
また、空気の熱拡散率は基板の熱拡散率より相当に高い
ので、空気中の熱振動は抵抗条片１２からはるかに効率
良く伝播される。空気中の熱振動の振幅は抵抗条片から
の距離Ｒが増すにつれて減少するが、基板内では減少率
がさらに多きい。従って、空気と基板の熱振動効果が等
しくなる交さ点が存在する。抵抗条片からの距離が大き
くなると、空気中の熱振動効果の方が強い。熱電検出器
２ｏはこの交さ点の付近に配置されるのが好捷しい。す
なわち、抵抗条片１２に最も近い検出器の接続部２５ａ
は空気及び基板により搬送される熱振動の影響を受ける
が、検出器出力信号に対する気流の影響を測定すること
はできる。
熱電検出器２０の第２の接続部２５ｂけ抵抗条片１２か
らさらに遠くにあり、検出器出力信号は２つの接続部２
５′ａ、２５ｂの温度差によって決するものではあるが
、第２の接続部２５ｂにおける熱振動の振幅は著しく減
少されるので、検出器出力信号に起こる摂動はごく小さ
い。測定される時間又は位相は可変空気流量の他のいく
つかの要因によっても左右されるが、装置の動作は繰返
し可能であるので、各要因の特定の影響を知る必要はな
い。
第２図に示されるように、流量と検出信号の時間ずれ又
は位相ずれとの関係を確定するように特定の装置を校正
することにより、その後のその装置及び同じ構成の他の
装置の流量測定は迅速に実施される。
第２図のグラフの空気流量データは第３図、第４図及び
第５図に示される特定の装置により得られた。ただし、
集積回路４２は設けられておらず、上流側の熱電検出器
２０′は検吊器回路に接続されなかった。回路は第１図
と同様に接続された。装置は１５４　Ｈｚ　の熱振動周
波数で動作された。装置はシリコン基体３４の上に取付
けられる厚さ１６マイクロメードルのポリイミド基板３
２を使用した。
第５図に示されるように、内径が６（７）の送風管３６
は、両縁部により送風管３６の内壁に支持される直径方
向の板３８によって二分される。センサのシリコン基体
３４は板３８の上［＋１２付けられる、直径２５ｍ＋の
シリコンウェハである。ワイヤリード線４０はセンサか
ら送風管３６の壁面の開口を通って引出される。センサ
の上流側の板３Ｂの両側にある角度を成して取付けられ
るハニカム材料の一対の空気転向板４４は、気流（矢印
４５により示す）を板３８及びセンサ面に対しである角
度に向ける。シリコン基体３４は高い熱伝導率を有する
ので、センサの放熱板として作用する。従って、抵抗条
片１２の大きな熱振動振幅に対して、センサの総合温度
、特に抵抗条片１２の最高温度を最低限に抑えることが
できる。基体には金属のような別の導電性材料を使用す
ることができる。しかし、シリコン基体は、発振器１６
、差動増幅器２６及びタイミング回路を含む集積回路４
２−並びにセンサの動作を補助する他の所望の電子構成
要素−を任意に含むことができるというもう１つの利点
を有する。
第３図及び第４図の実施例において、基板３２は熱振動
源、すなわち抵抗条片１２を２つの熱電検出器２０及び
２０′の中間の位置に支持する。抵抗条片１２は鉛から
形成され、幅は５６マイクロメードル、厚さは１マイク
ロメートルである。各熱電検出器２０，２０’は、厚さ
が０．２マイクロメートルであり、−通約３００マイク
ロメートルの方形として形成されるテルル化鉛の薄膜２
２．２２′を含む。抵抗条片１２と平行な導電性鉛条片
２４．２４′は幅が７マイクロメードル、厚さは１マイ
クロメートルであり、テルル化鉛薄膜２２又は２２′と
の間に接続部を形成する。
それぞれの検出器について、接続部２５ａ及び２５ｂは
互いに２５４マイクロメートル離間し、抵抗条片１２に
近い接続部２５ａから条片の中心線までの距離は１４６
マイクロメードルである。
第６図に示されるように、熱電検出器２０．２０′の等
しい出力電圧を相殺するために差動増幅器２６に直列に
接続される２つの熱電検出器２０．２０′を使用すると
、センサが気流及び基板の直線的温度勾配の影響を受け
ず、従って、雑音信号又はバックグラウンド信号を低減
できるという利点が得られる。検出器信号は主に空気中
を通過する温度振動から発生するので、検出器からの信
号は増大される。基板内の熱波速度は空気流量とは無関
係に両方向で同じでなければならないので、熱絶縁性基
板を介して検出器に至る熱振動から発生される検出器信
号は互いに相殺しようとする。シリコン基体又はその他
の熱伝導性基体３４は、装置の靜温度を低下させること
により、熱源の最高温度を低く保持すると共に、熱源の
温度振動振幅を均質な基板を使用したときの振幅と比べ
て大きくする効果を有する。
第７図は別の平衡構成を示す。この場合、２つの熱振動
源（抵抗条片）１２及び１２′と共に、それらの中間の
位置に配置される単一の熱電検出器２０が利用される。
電流発振器１６は双方の抵抗条片１２．１２′に結合さ
れ、差動増幅器２６は熱電検出器２０の２本のリード線
２４に接続される。タイミング回路３０は、振動電流と
、熱電検出器２０の出力信号とに応答する。この構成は
第６図の構成が示す利点の多くを有しているが、第６図
の構成は雑音源としての気流中の直線的温度勾配を排除
するので、第７図の構成より好ましい。
熱振動の測定される位相は流体の温度、圧力（気体状流
体の）及び基板表面の状態の関数である。これらのパラ
メータの変化を補償するために、基準位相測定を利用す
ることができる。この測定は、−次センサと同じ又は異
なる基板の上に配置される二次センサを静止流体又は二
次センサの熱振動源に対して垂直な異なる速度成分を有
する流体にさらすことにより実施される。二次センサの
検出出力は一次センサの出力と比較され、その位相差は
温度、圧力及び表面状態の変化とは無関係である。
第８図は「ゼロ基準」をもつセンサの構成を示す。この
センサは抵抗条片１２と直列である発振器１６と、抵抗
条片２ｏから離間して配置される熱電検出器２０と、矢
印５ｏにより指示されるように抵抗条片１２に対して垂
直な流れを測定するために熱電検出器２０（第１図に示
させれる）に結合される差動増幅器２６とを含む。基準
位相は、抵抗条片１２及び発振器１６と直列である抵抗
条片１２ａと、抵抗条片１２と熱電検出器２ｏとの間隔
と等しい間隔だけ抵抗条片１２ａから離間して配置され
る二次熱電検出器２０ａとを有する二次センサにより発
生される。二次センサは一次センサに対して９０°の向
きにあるので、−次センサにより測定される気流を検出
しない。差動増幅器２６ａは基準信号を発生するために
二次熱電検出器２０ａに結合される。タイミング回路５
２は、結果として生じる位相ずれ又は時間ずれ（ｔ−ｔ
’）を表わす信号を発生するために差動増幅器２６及び
２６ａの出力を比較する。この位相ずれ又は時間ずれは
、流体の温度、圧力及び表面状態の影響に対して補償さ
れた流体流量を表わす尺度である。
このように、本発明による流体流量センサは他の全ての
固体センサとは異なる原理に基づいて動作し、マイクロ
エレクトロニクス技術を利用して製造できることがわか
るであろう。センサは物理的に小型で且つ頑丈であり、
必要な補助電子回路をも含むシリコン基体上に製造する
ことが可能であるので、センサは単一の集積デバイスと
して形成される。さらに、本発明による流体流量センサ
は固体と流体との間の温度の平衡による遷移に対する時
間応答に限定されない。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明による流体流量センサの簡易化した実
施例の略図、 第２図は、本発明によるセンサについて得られる測定位
相ずれと空気流量との関係を示すグラフ、 第３図は、本発明による流体流量センサの第２の実施例
の一部切欠き平面図、 第４図は、第３図の線４−４に沿った第２の実施例の横
断面図、 第５図は、本発明によるセンサを内蔵する風量計構成の
部分横断面図、 第６図は、本発明の第３図及び第４図の実施例の略図、 第７図は、本発明の別の実施例の略図、及第８図は、本
発明のさらに別の実施例の略図である。 出　　願　　人：ゼネラル　モーターズ　コーポレーシ
ョン（クコｄ）ソ、Ｊ　ロタ１Ｙ

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １．測定すべき流れを形成する流体に隣接して配置され
    る流体流量センサにおいて、 流体の熱拡散率より相当に低い熱拡散率 を有する基板（１０）と；基板の表面に設 けられ、流体中に熱振動を発生する熱振動 源（１２）であつて、熱振動は流体中を流 体流量により決定される速度で熱振動源か ら離間する基板表面の複数の位置へ伝搬さ れる熱振動源（１２）と；基板の表面の熱 振動源の付近に設けられ、伝搬された熱振 動に対応する少なくとも１つの信号を提供 する熱振動検出器手段（２０）と；熱振動 検出器手段に結合され、基板表面付近の流 体流量と相関する出力を発生する信号応答 手段（２６、２８、３０、３１）とを有す ることを特徴とするセンサー。 ２．特許請求の範囲第１項記載の流体流量センサにおい
    て、 熱振動源は抵抗器条片手段（１２）から 構成され、流体流量センサは、抵抗器条片 手段に結合され、熱振動源を動作させるた めの電流パルスを発生する電流供給手段 （１６）を含み；信号応答手段（２６、 ２８、３０、３１）も熱振動源に結合され ることを特徴とするセンサー。 ３．特許請求の範囲第１項又は第２項記載の流体流量セ
    ンサにおいて、 基板の表面に２つの流体熱振動検出器手 段（２０）が熱振動源の両側から横方向に 離間するように配置されることを特徴とす るセンサー。 ４．特許請求の範囲第２項記載の流体流量センサにおい
    て、 抵抗器条片手段は基板（１０）の表面上 に一対の互いに平行に離間して配置される 抵抗器条片（１２）から構成され；流体熱 振動検出器手段（２０）は基板の表面の２ 本の抵抗器条片の間に配置されることを特 徴とするセンサー。 ５．特許請求の範囲第１項記載の流体流量センサにおい
    て、 基板（１０）はポリマー膜基板（３２） から構成され、熱振動源（１２）は基板の 表面上の薄膜抵抗器から構成され、熱振動 検出器手段（２０）は薄膜熱電検出器手段 （２４、２２）から構成されることを特徴 とするセンサー。 ６．特許請求の範囲第５項記載の流体流量センサにおい
    て、 ポリマー膜基板（３２）は熱振動源の最 高温度を低く維持すると共に、熱振動の振 幅を大きくするために熱伝導性ベース （３４）の上に取付けられることを特徴と するセンサー。 ７．特許請求の範囲第１項記載の流体流量センサにおい
    て、 熱振動源（１２）は、基板の表面に設け られ、流体中に熱振動を発生する第１の熱 振動源であつて、熱振動が流体中を流体流 量により決定される速度で熱振動源から離 間する基板表面の複数の位置へ伝搬される 振動源と、基板の表面に設けられ、流体中 に熱振動を発生する第２の熱振動源とから 構成され；熱振動検出器手段（２０）は、 基板表面の第１の熱振動源の付近に設けら れ、伝搬された熱振動に対応する少なくと も１つの信号を提供する第１の熱振動検出 器手段と、基板表面の第２の熱振動源の付 近に設けられる第２の熱振動検出器手段と から構成され、第２の熱振動源及び第２の 熱振動検出器手段は基準信号を提供するた めに流体流量とは無関係に熱振動の伝搬を 検出するように配置され；信号応答手段 （２６、２８、３０、３１）は第１及び第 ２の熱振動検出器手段に結合され、基板表 面付近の流体流量と相関する出力を発生し、その出力は
    熱振動伝搬速度に対する温度及 び圧力の影響に関して補償されることを特 徴とするセンサー。 ８．特許請求の範囲第７項記載の流体流量センサにおい
    て、 第１の熱振動源は基板（１０）の表面上 の薄膜抵抗器（１２）から構成され；第２ の熱振動源（１２ａ）は基準熱振動源であ り且つ第２の熱振動検出器手段は基準熱振 動検出器手段（２０ａ）であり、基準熱振 動源及び基準熱振動検出器手段は基準信号 を提供するために異なる流体流れ成分を有 する方向への熱振動の伝搬を検出するよう に配置されることを特徴とするセンサー。 ９．測定すべき流れを形成する気流に隣接して配置され
    る風量センサにおいて、 センサの放熱器特性を提供するシリコン 基体（３４）と；シリコン基体上に取付け られ、空気の熱拡散率より相当に低い熱拡 散率を有するポリイミド膜基板（３２）と；ポリイミド
    膜基板の表面に設けられ、空気 に熱結合されて空気中に熱振動を発生する 細長い薄膜熱振動源（１２）であつて、熱 振動は空気中を空気流量により決定される 速度で薄膜熱振動源から離間する基板表面 の複数の位置へ伝播されるものと；空気中 の熱振動に応答し、ポリイミド膜基板の表 面の薄膜熱振動源の付近に取付けられ、そ の位置における熱振動に対応する信号を提 供する薄膜熱電検出器手段（２０、２０′）と；薄膜熱
    電検出器手段の信号に応答して、基板表面付近の空気流
    量と相関する出力を 発生する電子手段（２６、２８、３０、 ３１）とを具備することを特徴とするセン サー。 １０．特許請求の範囲第９項記載の風量センサにおいて
    、 シリコン基体（３４）は集積回路を含み、 前記集積回路は薄膜熱振動源に結合される 発振器手段を含むことを特徴とするセンサ
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