JPS6385364A - フローセンサ - 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】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、流体の流れの二次元的な方向と流速を検出す
ることのできる流速方向検知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６０−２４７１６９号に記載されて
いる半導体式流速検出器がある。

このフローセンサは基板にシリコンを使用しているため
、熱の伝導が非常に良く、気体の流れによって生じるチ
ップ内の温度差は１／１００〜１／１０°Ｃ程度である
（電子材料、１９８３年１２月号、ｐ３８〜４３）。し
たがって、この温度差を正確に求めるには感度の高い測
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。シリコンフローセ
ンサの検出回路例を第２図に示す。このフローセンサは
、シリコンプロセス技術を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。

〈発明の目的〉 不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
検知フローセンス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抵抗体とこの発熱用
抵抗体を挾んで両側の対称な位置に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抵抗体の温度が流
体の温度よシ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／ｍｋ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抵抗体を挾んだ対称な位置の温度差
を大きくすることができるという特徴を持っている。ガ
ラスはシリコンに比べ熱伝導率が１／１３０と十分に小
さいため、温度勾配を小チツプ内で十分に大きくするこ
とができるが、このことをモデルによって説明する。

第３図に示したような細い丸棒またはフィンにそって熱
が定常的に伝る場合について考える。フィンのつけ根の
温度をＴＩ、ｘだけ離れた点における温度をＴ９周囲の
温度をＴｏとする。熱は対流によってフィンの表面から
移動すること、また単位面積当り失われる熱流束は次式
で与えられると仮定する。

ｑ＝ｈ（Ｔ　　Ｔｏ）　　・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・（１）さらに簡単にするために、局所
的な伝熱係数りはフィンの全表面にわたって一定である
と仮定する。

フィンの断面積をａ９周囲の長さをｐとする。断面での
温度変化は無視する。すなわちＴ＝ｆ（ｘ）と仮定する
。

第３図において、長さｄｘの要素を考える。この場合 熱伝導により失われる熱量＝（ｄＱ／ｄｘ）ｄｘ＝−ａ
ｋ（ｄ２Ｔ／ｄｘ２）ｄｘ 対流によって表面から失われる熱量＝　ｈ　（Ｔ−Ｔｏ
）　ｐｄｘであるから、θ＝Ｔ−Ｔ、を代入すれば、式
（２）はとなる。ここでλ＝ｍである。

式（３）の解は θ＝Ａｃｏｓｈλｘ＋Ｂｓ１ｎｈλｘ　　−（４）とな
る。境界条件は ｘ＝Ｏでθ＝θＩ　　、’、　Ａ＝θ１ｘ＝Ｌでｄθ／
ｄｘ＝ｏ（フィンの端から熱は逃げないとする）でらる
から　λＡｓ１ｎｈλＬ＋λＢｃｏｓｈλＬ＝０となる
から、温度分布は次式で与えられる。

第３図の具体的な形状を第４図に示し、材質の差による
違いについてガラス（熱伝導率：１．１０ｗｍ−’に一
’）、シリコン（熱伝導率：　１４８ｗｍ−’に一’）
を例として計算した結果を第５図に示す。第５図では、
フィンのつけ根の温度Ｔ、　＝　１００℃　９周囲の温
度ＴＯ＝２５℃、伝熱係数ｈ＝１０ｋｃａ／／（ｈｒ　
ａｍ　＠ｄｅｇ）として計算を行なっている。第５図か
られかるように、基板にガラスなど熱絶縁物を使用する
ことによって、十分に大きな温度差を小チツプ内で作る
ことができ、流体の流れによって生じるチップ内の発熱
抵抗体を挾んだ対称な位置の温度差を大きく設定するこ
とができる。

また、発熱抵抗体９発熱用抵抗体温度モニター。

温度測定用抵抗体に用いる材料のうち、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、基板と発熱用抵抗体９発熱用抵
抗体温度モニター、温度測定用抵抗体との間に充分強い
密着力を付与することができる。

以上の如く本発明は、発熱用抵抗体１発熱用抵抗体温度
モニター、温度測定用抵抗体と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提供することを目的とす
るものである。

〈実施例〉 第１図（Ａ）（Ｅ９は本発明の１実施例を示すフローセ
ンサの模式平面及び断面図である。ガラス基板１の上に
アルミナ薄膜２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２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法等により堆積された後、エツ
チング技術によシパダ−ン化し、発熱用抵抗体３ａ、発
熱用抵抗体温度モニター３ｂ及び１対の温度測定用抵抗
体４ａ　、４ｂ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４ａ。

４ｂは発熱用抵抗体３ａ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３ａと発熱用抵抗体温度モ
ニター３ｂ及び温度測定用抵抗体４ａ。

４ｂを１組としてガラス基板１を切断し、個々のセンサ
素子とする。得られたセッサ素子はガラス基板１の両端
に発熱用抵抗体３ａと発熱用抵抗体温度モニター３ｂ、
温度測定用抵抗体４ａ、４ｂ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、−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
を行なうことにより、特性の均一なセンサ素子を量産す
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３ａ、発熱用抵抗体温度モ
ニター３ｂ及び温度測定用抵抗体４ａ。

４ｂ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
薄膜の代わシ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３ａ、発熱用抵抗
体温度モニター３ｂ、温度測定用抵抗体４ａ　、４ｂを
用いたフローセンサの模式回路構成図を第６図に示す。

流体が通過す流路（図示せず）内に上記製法により作製
された発熱用抵抗体３ａ。

発熱用抵抗体温度モニター３ｂ、＠度測定用抵抗体４ａ
　、４ｂおよび流体温度補償用抵抗体５が設置されるこ
ととなる。流体温度補償用抵抗体５および発熱用抵抗体
温度モニター３ｂはそれぞれ他の電気抵抗体６，７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５と発熱用抵抗体温度モニター３ｂ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８で差動増幅し、スイッチン
グ用トランジスタ９のベース電位を制御してトランジス
タ９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４ａの電圧を制御している。温度測定用抵抗体４
ａ　、４ｂはそれぞれ他の定電流源１０゜１１と連結さ
れてブリッジ（Ｂ）を構成している。温度測定用抵抗体
４ａ　、４ｂの中間接続点はアースされている。

第７図は流速ｖｆ　に応じて変化する発熱用抵抗体３ａ
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３ａは流体の温度よりも一定温度
高い状態に電気抵抗体１１により保たれる。流体の速度
が早い場合、発熱用抵抗体３ａ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３ａ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５
で流体の温度を測定し流体温度と発熱用抵抗体３ａ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３ａ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。

第８図は、流体の流れ方向（の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（Ｂ）による電
圧差として求めたものである。ブリッジ回路（Ｂ）にお
いて、温度測定用抵抗体４ａ　、４ｂはそれぞれ定電流
源１０．１１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を電圧変化に変換し
、電圧差として出力ＶＤを求める。

本実施例では発熱用抵抗体温度モニター３ｂと流体温度
補償用抵抗体５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３ｂを省略
し、発熱用抵抗体３ａと流体温度補償用抵抗体５を用い
たブリッジ回路によシ流体の流速を求める構成にしても
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。

（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。

まだ薄膜材料に白金を用いているため （５）多様な流体の測定が可能である。

（６）設定温度が高くとれ高出力化が図れる。

（７）耐環境性に優れ長寿命である。

等の優れた効果がある。

【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
面図及び断面図である。 第２図は従来のシリコンフローセンサの検出回路図であ
る。 第３図及び第４図は熱式フローセンサの原理説明に供す
る説明図である。 第５図は第４図における各部位の温度を計算によって求
めた結果を示す説明図である。 第６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７図は第１図に示すフローセンサの流速対出力特性図
である。 第８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。 １・・・ガラス基板、２・・・アルミナ薄膜、３ａ・・
・発熱用抵抗体、３ｂ・・・発熱用抵抗体温度モニター
、４ａ　、４ｂ・・・温度測定用抵抗体。 代理人　弁理士　杉　山　毅　至（他１名）（Ａ）　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｔ８ノ第１
ｔ２１ Ｓｔ７ｔ）−ｔｉｔりの験血回粘 纂２図 第３図 一７ｙｊｍａらｅ＞＆釉　：Ｘ　　（ｍｍ）第６図 吻Ｌ　旙；（Ｖｆ） 第７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、基板の中央に発熱用抵抗体と、該発熱用抵抗体を挾
   んで両側の対称位置に温度測定用抵抗体を設置した流速
   検知装置において、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ことを特徴とする流速
   検知装置。 ２、前記発熱用抵抗体の近傍に発熱用抵抗体の温度制御
   用として温度モニターを設けた特許請求の範囲第１項記
   載の流速検知装置。 ３、前記発熱用抵抗体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
   又は第２項記載の流速検知装置。 ４、前記温度測定用抵抗体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１項記載の流速検知装置。 ５、金属薄膜の材料として白金を用いた特許請求の範囲
   第３項又は第４項記載の流速検知装置。