JPS63243885A - 流速検知装置 - Google Patents
流速検知装置Info
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- JPS63243885A JPS63243885A JP62079244A JP7924487A JPS63243885A JP S63243885 A JPS63243885 A JP S63243885A JP 62079244 A JP62079244 A JP 62079244A JP 7924487 A JP7924487 A JP 7924487A JP S63243885 A JPS63243885 A JP S63243885A
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- G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
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- G01P5/10—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring thermal variables
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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。
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Description
【発明の詳細な説明】
〈産業上の利用分野〉
本発明は、流体の流れ方向と流速をともに検出すること
のできる流速方向検知型フローセンサに関する。
のできる流速方向検知型フローセンサに関する。
〈従来の技術とその問題点〉
従来より提唱されている熱式で方向検知可能なフローセ
ンサとしては特開昭60−247171号に記載されて
いる半導体式流速検出器がある。
ンサとしては特開昭60−247171号に記載されて
いる半導体式流速検出器がある。
このフロルセンサは基板にシリコンを使用しているため
、熱の伝導が非常に艮く、気体の流れによって生じるチ
ップ内の温度差は17100〜1/′10℃程度である
(電子材料、1983年12月号、P38〜43)。従
って、この温度差を正確に求めるには感度の高い側温ト
ランジスタを2個1組としてブリッジに組み、平衡状態
からのずれで検出するしかない。
、熱の伝導が非常に艮く、気体の流れによって生じるチ
ップ内の温度差は17100〜1/′10℃程度である
(電子材料、1983年12月号、P38〜43)。従
って、この温度差を正確に求めるには感度の高い側温ト
ランジスタを2個1組としてブリッジに組み、平衡状態
からのずれで検出するしかない。
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。
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。
これに対して、量産性および均質性に優れかつ高温にお
いても安定した動作が得られる熱式方向検知機能付フロ
ーセンサとして、発熱抵抗の左右対象位置に測温抵抗体
を配し、熱絶縁可能な基板で一体化している流速検知装
置がある。このフローセンサは、基板に熱伝導率2w/
m・k以下の熱絶縁基板を用いてチップ内の温度差を十
分に大きくし、また半導体プロセス技術?利用して作製
されるので、量産性、均質性に優れた方向検知可能な素
子であり、その模式平面及び断面図を第8図(A) (
B)に例示する。このフローセンサは熱絶縁基板1の中
央に発熱用抵抗体3aとこの発熱用抵抗体3aを挾んで
両側の対称な位置に温度測定用抵抗体4a、4bを設置
し発熱用抵抗体3aの温度が流体の温度よりも一定温度
高く保持されるように制御し、流体の流速に応じて変化
する発熱用抵抗体3aに流れる電流又はその電流に対応
して変化する電位もしくは電圧により流体の流速を検出
すると同時に2個の温度測定用抵抗体4a、4b間に生
じる温度差を電流差あるいは電圧差として検知し、流れ
方向を検出するものである。各抵抗体3a、4a、4b
と基板1との密着を良くするためにコーテイング膜2が
被覆され発熱用抵抗体3aの温度をモニターするために
発熱用抵抗体温度モニター3bが設置されている。第9
図はこのフローセンサにより流体の流れ方向(θ)と温
度測定用抵抗体4a、4b間の温度差の関係をブリッジ
回路によフ電圧差voとして求めたものである。ここで
は、出力voに対し方位角θが2つ求められ、また出力
V。は流速によって影響を受けるので、その補正を行な
う必要があった。
いても安定した動作が得られる熱式方向検知機能付フロ
ーセンサとして、発熱抵抗の左右対象位置に測温抵抗体
を配し、熱絶縁可能な基板で一体化している流速検知装
置がある。このフローセンサは、基板に熱伝導率2w/
m・k以下の熱絶縁基板を用いてチップ内の温度差を十
分に大きくし、また半導体プロセス技術?利用して作製
されるので、量産性、均質性に優れた方向検知可能な素
子であり、その模式平面及び断面図を第8図(A) (
B)に例示する。このフローセンサは熱絶縁基板1の中
央に発熱用抵抗体3aとこの発熱用抵抗体3aを挾んで
両側の対称な位置に温度測定用抵抗体4a、4bを設置
し発熱用抵抗体3aの温度が流体の温度よりも一定温度
高く保持されるように制御し、流体の流速に応じて変化
する発熱用抵抗体3aに流れる電流又はその電流に対応
して変化する電位もしくは電圧により流体の流速を検出
すると同時に2個の温度測定用抵抗体4a、4b間に生
じる温度差を電流差あるいは電圧差として検知し、流れ
方向を検出するものである。各抵抗体3a、4a、4b
と基板1との密着を良くするためにコーテイング膜2が
被覆され発熱用抵抗体3aの温度をモニターするために
発熱用抵抗体温度モニター3bが設置されている。第9
図はこのフローセンサにより流体の流れ方向(θ)と温
度測定用抵抗体4a、4b間の温度差の関係をブリッジ
回路によフ電圧差voとして求めたものである。ここで
は、出力voに対し方位角θが2つ求められ、また出力
V。は流速によって影響を受けるので、その補正を行な
う必要があった。
〈発明の目的〉
本発明は上述の欠点を解消するためになされたものであ
り、半導体プロセスを利用して量産性及び均質性に優れ
、かつ高温においても安定した動作が得られる熱式方向
検知フローセンサを提供することを目的とするものであ
る。
り、半導体プロセスを利用して量産性及び均質性に優れ
、かつ高温においても安定した動作が得られる熱式方向
検知フローセンサを提供することを目的とするものであ
る。
〈発明の概要〉
本発明は熱絶縁基板の中央に発熱用素子例えば発熱用抵
抗体とこの発熱用素子を中心として円周上の等分点に4
個以上の温度測定用素子例えば温度測定用抵抗体を設置
したフローセンサにおいて発熱用素子の温度が流体の温
度よりも一定温度高く保持されるように制御し、流体の
流速に応じて変化する発熱用素子に流れる電流又はその
電流に対応して変化する電位もしくは電圧によシ流体の
流速を検出すると同時に4個以上の温度測定用素子間に
生じる温度差を電流差あるいは電圧差として検知し、流
れ方向を検出するものである。
抗体とこの発熱用素子を中心として円周上の等分点に4
個以上の温度測定用素子例えば温度測定用抵抗体を設置
したフローセンサにおいて発熱用素子の温度が流体の温
度よりも一定温度高く保持されるように制御し、流体の
流速に応じて変化する発熱用素子に流れる電流又はその
電流に対応して変化する電位もしくは電圧によシ流体の
流速を検出すると同時に4個以上の温度測定用素子間に
生じる温度差を電流差あるいは電圧差として検知し、流
れ方向を検出するものである。
本発明は、熱伝導率が2w/m・k以下の熱絶縁基板例
えばガラス基板を利用することにより、チップ内の温度
差を十分に大きくすることができ、流体の流れによって
生じるチップ内の発熱用素子を中心として4個以上の温
度測定用素子の位置の温度差を大きくすることができ、
フローセンサの作製が簡単になり、信頼性が高くなる。
えばガラス基板を利用することにより、チップ内の温度
差を十分に大きくすることができ、流体の流れによって
生じるチップ内の発熱用素子を中心として4個以上の温
度測定用素子の位置の温度差を大きくすることができ、
フローセンサの作製が簡単になり、信頼性が高くなる。
また、発熱用素子、発熱用素子の温度モニター、温度測
定用素子に用いる抵抗体材料のうち、例えば白金等の貴
金属類はガラスとの密着性がやや弱く、信頼性という点
で問題があるが、ガラス上にアルミナをコーティングし
た基板を使用すれば、基板と発熱用素子、発熱用素子の
温度モニター、温度測定用素子との間に充分強い密着力
を付与することができる。
定用素子に用いる抵抗体材料のうち、例えば白金等の貴
金属類はガラスとの密着性がやや弱く、信頼性という点
で問題があるが、ガラス上にアルミナをコーティングし
た基板を使用すれば、基板と発熱用素子、発熱用素子の
温度モニター、温度測定用素子との間に充分強い密着力
を付与することができる。
以上の如く本発明は、発熱用素子、発熱用素子の温度モ
ニター及び温度測定用素子を同一素子内に一体化した信
頼性の高いフローセンサを実現したものである。
ニター及び温度測定用素子を同一素子内に一体化した信
頼性の高いフローセンサを実現したものである。
〈実施例〉
第1図(A) (B)は本発明の1実施例を示すフロ−
センサの模式平面及び断面図である。ガラス基板5の上
にアルミナ薄膜6を真空蒸着法、スパッタリング法、プ
ラズマCVD法等の薄膜生成技術を適宜利用して堆積さ
せる。アルミナ薄膜6上に例えば白金等の抵抗温度係数
の大きな金属薄膜を同様に真空蒸着法、スパッタリング
法あるいはプラズマCVD法等によυ堆積させた後、エ
ツチング技術によりパターン化し、発熱用抵抗体7a、
発熱用抵抗体温度モニター7b及び2対の温度測定用抵
抗体8a、8bと9a、9bを適宜の距離だけ隔てて配
置し第1図(A)の如くとする。温度測定用抵抗体8a
、8bと9a、9bは発熱用抵抗体7aに対して左右対
称の位置に置かれている。
センサの模式平面及び断面図である。ガラス基板5の上
にアルミナ薄膜6を真空蒸着法、スパッタリング法、プ
ラズマCVD法等の薄膜生成技術を適宜利用して堆積さ
せる。アルミナ薄膜6上に例えば白金等の抵抗温度係数
の大きな金属薄膜を同様に真空蒸着法、スパッタリング
法あるいはプラズマCVD法等によυ堆積させた後、エ
ツチング技術によりパターン化し、発熱用抵抗体7a、
発熱用抵抗体温度モニター7b及び2対の温度測定用抵
抗体8a、8bと9a、9bを適宜の距離だけ隔てて配
置し第1図(A)の如くとする。温度測定用抵抗体8a
、8bと9a、9bは発熱用抵抗体7aに対して左右対
称の位置に置かれている。
次に発熱用抵抗体7aと発熱用抵抗体温度モニター7b
及び温度測定用抵抗体8a、8bと9a。
及び温度測定用抵抗体8a、8bと9a。
9bを1mとしてガラス基板5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5に発熱
用抵抗体7aと発熱用抵抗体温度モニター7b、温度測
定用抵抗体8a、8bと9a。
素子とする。得られたセンサ素子はガラス基板5に発熱
用抵抗体7aと発熱用抵抗体温度モニター7b、温度測
定用抵抗体8a、8bと9a。
9bが配置された構造となる。またその大きさは数ミ’
J程度と微小であり、一枚の基板上に多数個並べて同時
に作製するいわゆるウェハー処理2行なうことにより、
特性の均一なセンサ素子?量産することができる。得ら
れたセンサ素子を支持台(図示せず)に接着し、発熱用
抵抗体7a、発熱用抵抗体温度モニター7b及び温度測
定用抵抗体8 a + 8 bと9a、9bのリード接
続を行ない本実施例のフローセンサとする。
J程度と微小であり、一枚の基板上に多数個並べて同時
に作製するいわゆるウェハー処理2行なうことにより、
特性の均一なセンサ素子?量産することができる。得ら
れたセンサ素子を支持台(図示せず)に接着し、発熱用
抵抗体7a、発熱用抵抗体温度モニター7b及び温度測
定用抵抗体8 a + 8 bと9a、9bのリード接
続を行ない本実施例のフローセンサとする。
なお、金属薄膜の材料としては、白金以外に抵抗温度係
数が大きいニッケル若しくはニッケル合金あるいは金属
薄膜の代わりにサーミスタ等の感温抵抗体材料を用いて
もよい。
数が大きいニッケル若しくはニッケル合金あるいは金属
薄膜の代わりにサーミスタ等の感温抵抗体材料を用いて
もよい。
このようにして作製した発熱用抵抗体7a、発熱用抵抗
体温度モニター7b、温度測定用抵抗体8a、8bと9
a、9bを用いたフローセンサの模式回路構成図を第2
図に示す。流体が通過する流路(図示せず)内に上記製
法により作製された@熱用抵抗体7a、発熱用抵抗体温
度モニター7b、温度測定用抵抗体8a、8bと9a、
9bおよび流体温度補償用抵抗体10が設置されること
となる。流体温度補償用抵抗体10および発熱用抵抗体
温度モニター7bはそれぞれ他の電気抵抗体11.12
と連結されてブリッジ(A)を構成している。流体温度
補償用抵抗体10と発熱用抵抗体温度モニター7bの中
間接続点はアースされている。これらのブリッジ(A)
はブリッジ抵抗の差電圧を増幅器13で差動増幅し、ス
イッチング用トランジスタ14のベース電位を制御して
トランジスタ14を駆動するフィードバック回路に接続
され、発熱用抵抗体7aの電圧を制御している。温度測
定用抵抗体8a、8bと9a、9bはそれぞれ他の定電
流源15.16,17.18と連結されてブリッジ(B
)と(C)を構成している。温度測定用抵抗体8a、8
bと9a、9bの中間接続点はそれぞれアースされてい
る。
体温度モニター7b、温度測定用抵抗体8a、8bと9
a、9bを用いたフローセンサの模式回路構成図を第2
図に示す。流体が通過する流路(図示せず)内に上記製
法により作製された@熱用抵抗体7a、発熱用抵抗体温
度モニター7b、温度測定用抵抗体8a、8bと9a、
9bおよび流体温度補償用抵抗体10が設置されること
となる。流体温度補償用抵抗体10および発熱用抵抗体
温度モニター7bはそれぞれ他の電気抵抗体11.12
と連結されてブリッジ(A)を構成している。流体温度
補償用抵抗体10と発熱用抵抗体温度モニター7bの中
間接続点はアースされている。これらのブリッジ(A)
はブリッジ抵抗の差電圧を増幅器13で差動増幅し、ス
イッチング用トランジスタ14のベース電位を制御して
トランジスタ14を駆動するフィードバック回路に接続
され、発熱用抵抗体7aの電圧を制御している。温度測
定用抵抗体8a、8bと9a、9bはそれぞれ他の定電
流源15.16,17.18と連結されてブリッジ(B
)と(C)を構成している。温度測定用抵抗体8a、8
bと9a、9bの中間接続点はそれぞれアースされてい
る。
第3図は流速vfに応じて変化する発熱用抵抗体7aの
電圧vhの流速−出力特性である。ブリッジ(A)にお
いて、発熱用抵抗体7aは流体の温度よりも一定温度高
い状態に電気抵抗体19により保たれる。流体の速度が
早い場合、発熱用抵抗体7aから多量の熱が奪われる。
電圧vhの流速−出力特性である。ブリッジ(A)にお
いて、発熱用抵抗体7aは流体の温度よりも一定温度高
い状態に電気抵抗体19により保たれる。流体の速度が
早い場合、発熱用抵抗体7aから多量の熱が奪われる。
逆に流体の速度が遅い場合、発熱用抵抗体7aから奪わ
れる熱量も少ない。従って、流体温度補償用抵抗体10
で流体の温度を測定し流体温度と発熱用抵抗体7aの温
度差を一定に保つようにフィードバック回路を介し、発
熱用抵抗体7aに流す電流値を制御し、流体の流速(流
量)に対応した電流(電圧)値を求める。
れる熱量も少ない。従って、流体温度補償用抵抗体10
で流体の温度を測定し流体温度と発熱用抵抗体7aの温
度差を一定に保つようにフィードバック回路を介し、発
熱用抵抗体7aに流す電流値を制御し、流体の流速(流
量)に対応した電流(電圧)値を求める。
酊4図は、流体の流れ方向(θ)と温度測定用抵抗体8
a、sbと9a、9b間の温度差の関係をブリッジ回路
(B)および(C)による電圧差として求めたものであ
る。ブリッジ回路(B)および(C)において、温度測
定用抵抗体8a、8bと9a。
a、sbと9a、9b間の温度差の関係をブリッジ回路
(B)および(C)による電圧差として求めたものであ
る。ブリッジ回路(B)および(C)において、温度測
定用抵抗体8a、8bと9a。
9bはそれぞれ定電流源15.16.17.18と連結
していて、流体の流れ方向変化によって生じる基板内の
温度分布の変化全電圧変化に変換し、電圧差として出力
MDIおよびVDZを求める。出力VDIおよびVDZ
はVDI = f (Vf) ・sinθ、 vD2=
f(vf)・cosθ(f (Vf)は流速Vfの関数
)と近似することができる。従って、流体の流れ方向(
θ)で求められる。その結果を第6図に示す。
していて、流体の流れ方向変化によって生じる基板内の
温度分布の変化全電圧変化に変換し、電圧差として出力
MDIおよびVDZを求める。出力VDIおよびVDZ
はVDI = f (Vf) ・sinθ、 vD2=
f(vf)・cosθ(f (Vf)は流速Vfの関数
)と近似することができる。従って、流体の流れ方向(
θ)で求められる。その結果を第6図に示す。
本実施例では発熱用抵抗体温度モニター7bと流体温度
補償用抵抗体10を用いたブリッジ回路により流体の流
速を求めているが、発熱用抵抗体温度モニター7bを省
略し、発熱用抵抗体7aと流体温度補償用抵抗体10を
用いたブリッジ回路により流体の流速を求める溝成にし
てもよい。
補償用抵抗体10を用いたブリッジ回路により流体の流
速を求めているが、発熱用抵抗体温度モニター7bを省
略し、発熱用抵抗体7aと流体温度補償用抵抗体10を
用いたブリッジ回路により流体の流速を求める溝成にし
てもよい。
第7図は本発明の他の実施例を示すフローセンサの構成
図であり@熱用抵抗体7aの周囲に等間隔で6個の温度
i+u定用抵抗体を配設している。
図であり@熱用抵抗体7aの周囲に等間隔で6個の温度
i+u定用抵抗体を配設している。
尚、発熱用素子としては抵抗体以外に高出力トランジス
タ等の回路素子や熱雷効果素子その他を用いてもよい。
タ等の回路素子や熱雷効果素子その他を用いてもよい。
〈発明の効果〉
以上詳述したように本発明による熱式方向検知フローセ
ンサは、実用上極めて有益な利点を有する薄膜化により
半導体プロセス技術及び熱絶縁基板が利用できるため (1)量産に適している。
ンサは、実用上極めて有益な利点を有する薄膜化により
半導体プロセス技術及び熱絶縁基板が利用できるため (1)量産に適している。
(2)低価格化が図れる。
(3) 均質性が良い。
(4)小型化、低消費電力化が可能である。
等の優れた効果がある。
范1図は本発明の1実施例を示すフローセンサの模式平
面および断面図である。第2図は第1図に示すフローセ
ンサの模式回路構成図である。第ムE 3図はフローセンサの流送対出力特性図である。 酊4図は流体の流れ方向を電圧差として求めた特性図で
ある。第5図は第2図に続く信号処理方法を示す説明図
である。第6図は第5図に示す方法により処理した結果
の説明図である。第7図は本発明の他の実施例を示す模
式平面図である。第8図は従来の熱絶縁型熱式フローセ
ンサの模式平面図および断面図である。第9図は第8図
に示すフローセンサにより、流体の流れ方向を電圧差と
して求めた特性図である。 5・・・ゴー5ス基板 6・・・アルミナ18 7
a・・発熱用抵抗体 7b・・・発熱用抵抗体温度モ
ニター 8 a 、 8 b 、 9 a 、 9
b ・−・温度測定用抵抗体 10・・・流体温度補
償用抵抗体11.12・・・電気抵抗体 13・・・
増幅器14・・・スイッチング用トランジスタ 15
゜16.17.18・・・定電流源 代理人 弁理士 杉 山 毅 至(他1名)第1図 第7図 撓ま (Vf ’) 1に3図 オイ九角ひ(’)
面および断面図である。第2図は第1図に示すフローセ
ンサの模式回路構成図である。第ムE 3図はフローセンサの流送対出力特性図である。 酊4図は流体の流れ方向を電圧差として求めた特性図で
ある。第5図は第2図に続く信号処理方法を示す説明図
である。第6図は第5図に示す方法により処理した結果
の説明図である。第7図は本発明の他の実施例を示す模
式平面図である。第8図は従来の熱絶縁型熱式フローセ
ンサの模式平面図および断面図である。第9図は第8図
に示すフローセンサにより、流体の流れ方向を電圧差と
して求めた特性図である。 5・・・ゴー5ス基板 6・・・アルミナ18 7
a・・発熱用抵抗体 7b・・・発熱用抵抗体温度モ
ニター 8 a 、 8 b 、 9 a 、 9
b ・−・温度測定用抵抗体 10・・・流体温度補
償用抵抗体11.12・・・電気抵抗体 13・・・
増幅器14・・・スイッチング用トランジスタ 15
゜16.17.18・・・定電流源 代理人 弁理士 杉 山 毅 至(他1名)第1図 第7図 撓ま (Vf ’) 1に3図 オイ九角ひ(’)
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1、基板の中央付近に発熱用素子が配置され、該発熱用
素子を中心として略々点対称の位置に少くとも4個以上
の温度測定用素子が設置された流速検知装置において、
前記基板が熱絶縁可能な材質から成ることを特徴とする
流速検知装置。 2、前記基板に熱伝導率が2w/m・k以下の熱絶縁可
能な材質を用いた特許請求の範囲第1記載の流速検知装
置。 3、前記発熱用素子に電気抵抗体を用いた特許請求の範
囲第1項記載の流速検知装置。 4、前記温度測定用素子に電気抵抗体を用いた特許請求
の範囲第1項記載の流速検知装置。 5、前記発熱用素子の近傍に前記発熱用素子の温度を制
御する温度モニターを設けた特許請求の範囲第1項又は
第3項記載の流速検知装置。 6、前記発熱用素子または温度モニターが基板上にパタ
ーン化された金属薄膜よりなる特許請求の範囲第1項、
第3項又は第5項記載の流速検知装置。 7、前記温度測定用素子がパターン化された金属薄膜よ
りなる特許請求の範囲第4項記載の流速検知装置。 8、金属薄膜の材料として白金を用いた特許請求の範囲
第6項又は第7項記載の流速検知装置。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP62079244A JPH0810231B2 (ja) | 1987-03-31 | 1987-03-31 | フローセンサ |
EP88302969A EP0285451B1 (en) | 1987-03-31 | 1988-03-31 | A flow sensor |
US07/175,561 US4885937A (en) | 1987-03-31 | 1988-03-31 | Flow sensor |
DE8888302969T DE3877795T2 (de) | 1987-03-31 | 1988-03-31 | Stroemungssensor. |
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---|---|
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- 1988-03-31 US US07/175,561 patent/US4885937A/en not_active Expired - Lifetime
- 1988-03-31 DE DE8888302969T patent/DE3877795T2/de not_active Expired - Fee Related
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