JPS63135866A - フロ−センサ - Google Patents

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】 く技術分野〉 本発明は、同−熱絶巌基板上に発熱体、発熱体温度検知
要素及び流体温度検知要素を配置して一体化した熱式フ
ローセンサに関する。

〈発明の背景〉 従来より一般的に使用されている熱式のフローセンサと
しては、次のような鍾類のものがある。

その１つば流路用主管にバイパス流路用の側路管を設け
、この側路管へヒーターを連結し、側路管を加熱した際
の流体の流れによシ側路管の流れ方向に生じる温度分布
−６）ら流量を検知する方式を用いた流量計モある。こ
の流量計は精度が良く、半導体ガスの流量コントローラ
ー等として広く用いられているが、構造上小型化や量産
に不向きで高価であるため、用途が限定されてしまうと
いう欠点がある。第２には流体中に発熱体と流体温度検
知要素を設け、該発熱体を加熱して発熱体から周囲の流
体に伝達される熱量の変化を検出し、検出値より流速を
測定する方式を用いたフローセンサがある。この方式で
は流体温度検知要素にて流体の温度を検知し、流体と発
熱体の温度差を一定値に保つようにすることによって流
体温度の影響を補償することができかつ発熱体の熱容量
に関係なく迅速な応答が得られる。また上記温度差を大
きく設定することにより、フローセンサの出力を増大さ
せることができる。この方式を用いたフローセンサには
従来シリコンチップ上に形成された発熱用トランジスタ
と流体温度検知用トランジスタを利用して構成されたフ
ローセンサがある。このフローセンサはシリコンプロセ
ス技術ヲ利用しているので量産性に優れるが、反面素子
間の温度特性のバラツキが大きく、また発熱温度を高く
設定することができないなどの欠点を有している。さら
に上記方式で、発熱体と流体温度検知要素に白金やタン
グステンなどの高融点金属製抵抗線を用いたものもある
が、これらは抵抗値が小さく素子間のバラツキも大きい
ので発熱温度の制御性や温度測定の精度が悪い。また細
線を用いるため加工がが困難で量産性に欠けるなどの欠
点がある。抵抗線の代わシに絶縁基板上に薄膜化された
発熱体及び流体温度検知要素を用いる熱膜式フローセン
サは、小型化が可能で、一枚の基板内に多数の素子を並
べて作製することができるので、量産性に優れバラツキ
も小さいなど多くの長所を有している。

しかしながらこの構造においても流量計測を行なうため
には流体温度検知要素によって、流体温度を検知する必
要があり、温度検知を精度良く行なうためには流体温度
検知要素は発熱体と熱的に絶縁されている必要がある。

従って、従来の熱式フローセンサは発熱体と流体温度検
知要素の双方をそれぞれ個別に異なる支持体に支持した
センサ構造にせざるを得ないため、寸法が大きくなり量
産性が悪いなどの欠点を有していた。

また、発熱体と流体温度検知要素とで構成されるフロー
センサの場合は、第３図に示されるような回路を用いて
流速検知を行う。この場合は発熱体２と流体温度検知要
素ｌによってブリッジ回路が構成されているため、流体
温度検知要素１がブリッジ電流によって自己発熱しない
ように、流体温度検知要素１のインピーダンスを発熱体
２のインピーダンスに比べて充分大きくしておく必要が
ある。すなわち発熱体２のインピーダンスが制限され、
出力電圧を任意に設定することができないという欠点を
有していた。

〈発明の概要〉 本発明は上述の問題点を有効に解決するものであり、熱
絶縁基板を利用することによって、発熱体と流体温度検
知要素とを基板で熱的に絶縁すると同時に発熱体、発熱
体温度検知要素及び流体温度検知要素を同一素子内に一
体化して配置したことを特徴とする。以上のように構成
されたフローセンサは、小型化が可能で、量産性に適し
ている。

また、発熱体温度検知要素を設けることにより、例えば
第２図に示されるような検出回路を用いて流速検知を付
うことができる。発熱体温度検知要素３と流体温度検知
要素１とによってブリッジ回路が構成されており、発熱
体２はブリッジ回路から独立しているので発熱体２のイ
ンピーダンスは任意に選定することが可能である。すな
わち出力電圧の設定を任意に行うことができる。

〈実施例〉 以下、本発明を実施例に従って詳細に説明する。

第１図は本発明の一実施例を示すフローセンサ要部の模
式平面図である。熱絶縁基板として例えばガラス基板４
上に白金等の抵抗温度係数の大きな金属薄膜を真空蒸着
法、ヌパッタリング法、或はプラズマＣＶＤ法等によシ
堆積させた後、エツチング技術によシバターニングして
発熱体２、流体温度検知要素１、発熱体温度検知要素３
を適宜の位置に配置する。流体温度検知要素１は、流体
の温度を正確に検知できるように発熱体２と必要な距離
だけ隔て熱的に絶縁化して配置する。また、発熱体温度
検知要素３は、発熱体２の温度を正確に検知できるよう
に発熱体２の充分近傍に配置する。次て発熱体２、発熱
体温度検知要素３及び流体温度検知要素１を１組として
ガラス基板４を切断し、個々のセンサ素子とする。得ら
れたセンサ素子はガラス基板４の両端に発熱体２及び発
熱体温度検知要素３と流体温度検知要素１とが配置され
た構造となる。またその大きさは数ミリ程度と微小であ
り、一枚の基板４上に多数個並べて同時に作製するいわ
ゆるバッチ処理を荷なうことによシ、特性の均一なセン
サ素子ｔ−量産することができる。

次にフローセンサの駆動原理について嘉２図に示す回路
図を用いて説明する。ブリッジ出力をオペアンプ５で増
幅し、発熱体２にフィードバックをかけることによって
発熱体温度検知要素３と流体温度検知要素１との温度差
ΔＴが一定に保たれるようにしている。温度差ΔＴＨ固
定抵抗ｒによって設定するが、発熱体温度検知要素３と
流体温度検知要素１との温度特性が等しいとき、ＪＴは
流体の温度によらず一定となる。これを式で説明すると
以下の様になる。発熱体２、発熱体温度検知要素３及び
流体温度検知要素１に金属薄膜を用いると、その抵抗温
度特性は直線で近似され、Ｒ＝ＲＯ（１＋αＴ）・・・
・・・・（１）と表わされる。ここでＲｏはＴ＝０℃で
の抵抗値、αは抵抗温度係数である。流体温度がＴのと
き、発熱体２の温度はＴ＋ΔＴであるから、ブリッジの
平衡を保つには Ｒｍｏ［１＋α（Ｔ＋ΔＴ））＝Ｒｔｏ（１＋αＴ　）
　＋　ｒ　・−（２）の関係が成シ立つ。ここでＲｍｏ
　、、　ＲｔｏはそれぞれＴ＝０℃での発熱体温度検知
要素３及び流体温度検知要素１の抵抗値である。（２）
式からＲ，ｍｏ＝ヒーターの消費電力Ｐは下式で表わさ
れる様に流速Ｖによって定まる。

ｏｊｔ Ｐ＝−＝（Ａ＋Ｂｆｒ）−ＪＴ　・・＝　”（３）Ｒｈ ここでＶｏｕｔは発熱体２０両端の電圧（出力電圧入Ｒ
ｈは発熱体２の抵抗値、Ａ、Ｂはそれぞれ定数である。

（３）式の第２項及び第３項より、流体温度によらずＪ
Ｔが一定であれば、発熱体の消費電力は流速によって定
まり、流速の平方根、ｒ；′″に比例する。（３）式の
第１項及び第２項より出力電圧は次式で表わされる。

ｖｏｕｔ＝Ｐ−Ｒｈ・・・・・・・・・・（４）（４）
式で示されるように出力電圧は発熱体２の抵抗値Ｒｈに
比例する。すなわち発熱体２の抵抗値りを任意に選定す
ることが可能な本センサにおいては出力電圧の設定も任
意に行うことができる。

〈発明の効果〉 以上詳述したように、本発明のフローセンサは、次のよ
うな実用上極めて有利な利点を有する。

（１）　　熱絶縁基板を用いているので、発熱体、発熱
体温度検知要素及び流体温度検知要素を同一基板上に一
体化することができ、小型化が可能で量産性に富む。

（２）発熱体温度検知要素を設置することにより、発熱
体をブリッジ回路から独立させることができ、出力電圧
の設定を任意に行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例を示すフローセンサの模式平
面図である。第２図は第１図に示すフローセンサの原理
を示す駆動回路図である。第３図は従来のフローセンサ
の回路構成図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、流体の通過によって発熱体から奪われる熱量に基い
   て前記流体の流速を求めるフローセンサにおいて、同一
   熱絶縁基板上に前記発熱体、前記発熱体の温度を検知す
   る発熱体温度検知要素及び前記流体の温度を検知する流
   体温度検知要素を配置して一体化したことを特徴とする
   フローセンサ。 ２、前記熱絶縁基板としてガラスを用いた特許請求の範
   囲第１項記載のフローセンサ。 ３、前記発熱体に電気抵抗体を用いた特許請求の範囲第
   １項記載のフローセンサ。 ４、前記発熱体温度検知要素及び流体温度検知要素に電
   気抵抗体を用いた特許請求の範囲第１項記載のフローセ
   ンサ。 ５、前記発熱体に白金を用いた特許請求の範囲第３項記
   載のフローセンサ。 ６、前記発熱体温度検知要素及び流体温度検知要素に白
   金を用いた特許請求の範囲第４項記載のフローセンサ。