KR20030026615A - 질량유량센서 및 이것을 이용한 질량유량계 - Google Patents

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KR20030026615A
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우에키마사토시
고지마다키오
츠지무라요시노리
이카와고우이치
고우무라요시히코
오시마다카후미
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니혼도꾸슈도교 가부시키가이샤
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Abstract

(과제) 소비전력이 작음과 아울러, 기동시의 특성이나 응답성이 우수한 질량유량센서 및 이것을 이용한 질량유량계를 제공하는 것을 과제로 한다.
(해결수단) 본 질량유량센서는 반도체 기판(1), 절연박막(2), 히터(311, 312), 온도측정저항체(321,322) 및 보호층(4)을 구비한다. 히터(311,312)는 절연박막(2)의 표면에 형성되며, 각각 유로의 상류 및 하류가 되도록 인접하게 배치된다. 또, 히터(311,312)의 하측은 공동(5)으로 되어 있어 다른 부위와 열적으로 절연되어 있다. 온도측정저항체(321,322)는 절연박막(2)의 표면에 형성되어 있으며, 유로에 대해서 일렬로 되도록 히터(311,312)의 양측에 배치되어 있다. 이와 같은 질량유량센서 및 이것을 이용한 질량유량계는 능동 소자인 각 히터(311,312)만에 의해서 유체의 유속과 방향을 구할 수 있기 때문에, 유속 변화에 대한 응답이 빠른 것으로 할 수 있다.

Description

질량유량센서 및 이것을 이용한 질량유량계{MASS FLOW SENSOR AND MASS FLOWMETER COMPRISING THE SAME}
본 발명은 기체 또는 유체의 유속 혹은 질량유량을 측정하기 위한 질량유량센서 및 이것을 이용한 질량유량계에 관한 것이다. 더 상세하게는, 본 발명은 급속한 유속 변화, 방향 변화, 또는 피측정 매체의 온도 변화가 수반되는 경우에도 정확한 측정을 할 수 있어 내연기관의 흡입 공기량의 측정에 매우 적합한 질량유량센서 및 이것을 이용한 질량유량계에 관한 것이다.
(종래의 기술)
기판 상에 적어도 1개의 히터를 형성한 질량유량센서가 알려져 있다. 이와 같은 질량유량센서는 유체의 흐름에 의한 히터의 냉각정도나 이 히터를 일정한 온도로 유지하기 위해서 필요로 하는 전력값, 전압값, 또는 히터로부터 열을 받는 소자의 온도 변화 등에 의거하여 유속을 구하는 것이다.
또, 상기 질량유량센서 중에는 유체의 유속을 측정함과 아울러 흐름의 방향을 판별하기 위한 기능을 부가시킨 것이 있다.
예를 들면, ① 일본국 특개평1-185416호 공보의 내연기관용 열식 유량계에서는, 2개의 히터와 2개의 온도보상저항을 구비하고 있으며, 2개의 히터를 분위기 온도에 대해서 일정한 온도차가 되도록 제어하고, 이 때의 각 히터에 투입되는 전압의 차에 의거하여 유속 및 흐름의 방향을 검지하는 것이다.
또, ② 일본국 특공평3-52028호 공보의 유량계에서는, 하부에 공동이 형성된 절연박막 상에 2개의 히터를 형성함으로써, 저소비 전력화와 고속 응답성을 실현하고 있다.
또한, ③ 일본국 특공평5-7659호 공보의 유속센서에서는, 하부에 공동이 형성된 절연박막 상에 1개의 히터와 이 히터 양측에 위치하는 열감지센서를 형성하고 있으며, 온도보상저항에 의해서 히터를 분위기 온도에 대해서 일정한 온도차가 되도록 제어하고, 상기 열감지센서간의 온도차에 의거하여 유속 및 흐름의 방향을 검지하는 것이다.
그러나, 상기 ①의 내연기관용 열식 유량계에 있어서는, 히터의 하측에 기판을 가지고 있기 때문에, 반도체 기판의 열용량만큼 유량계의 용량이 큰 것으로 되어 있다. 따라서, 소정의 온도를 유지하기 위한 소비전력이 큼과 아울러, 기동시의 특성이나 응답성에 난점이 있다. 또, 상기 ②의 유량계에 있어서는, 유체의 온도에 관한 고려가 이루어져 있지 않다. 또, 상기 ③의 유속센서에 있어서는, 출력에 대해서 지배적인 히터의 상류측에 설치된 열감지센서가 유량의 증대와 함께 급격히 분위기 온도 부근까지 냉각되기 때문에, 비교적 저유량으로도 출력포화가 발생한다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해서 이루어진 것으로서, 소비전력이 작음과 아울러, 기동시의 특성이나 응답성이 우수한 질량유량센서 및 이것을 이용한 질량유량계를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 제 1 실시예의 질량유량센서를 설명하기 위한 모식 평면도
도 2는 제 1 실시예의 질량유량센서를 설명하기 위한 모식 단면도
도 3은 질량유량계의 회로도
도 4는 제 1 실시예의 질량유량센서 및 질량유량계에 있어서의 히터인가전압과 유량의 관계를 나타내는 그래프
도 5는 제 1 실시예의 질량유량센서 및 질량유량계에 있어서의 유량출력과 유량의 관계를 나타내는 그래프
도 6은 제 2 실시예의 질량유량센서를 설명하기 위한 모식 평면도
도 7은 제 3 실시예의 질량유량센서를 설명하기 위한 모식 평면도
도 8은 제 4 실시예의 질량유량센서를 설명하기 위한 모식 평면도
도 9는 제 5 실시예의 질량유량센서를 설명하기 위한 모식 평면도
도 10은 제 6 실시예의 질량유량센서를 설명하기 위한 모식 평면도
도 11은 제 7 실시예의 질량유량센서를 설명하기 위한 모식 평면도
도 12는 각 브리지 회로의 인가전압 중 큰 쪽의 것을 질량유량으로 하는 질량유량계의 회로도
도 13은 각 브리지 회로의 인가전압 중 큰 쪽의 것을 질량유량으로 하는 질량유량계의 회로도
도 14는 각 히터의 인가전압 중 큰 쪽의 것을 질량유량으로 하는 질량유량계의 회로도
도 15는 각 히터의 인가전압 중 큰 쪽의 것을 질량유량으로 하는 질량유량계의 회로도
* 도면 중 주요부분에 대한 부호의 설명 *
1 - 반도체 기판2 - 절연박막
311, 312 - 히터321, 322 - 온도측정저항체
331∼336 - 전극4 - 보호층
5,51,52,53 - 공동(cavity)
본 제 1 발명의 질량유량센서는, 공동, 노치 및/또는 오목부로 이루어지는 공간부를 구비하는 반도체 기판과; 상기 반도체 기판에 의해서 지지되며, 열적 및 전기적으로 절연시키는 절연박막과; 상기 절연박막 상에 있어서 하측에 상기 공간부를 가지는 부위에 형성되는 2개의 히터와; 상기 절연박막 상에 있어서 상기 각히터와 열적으로 절연되는 부위에 형성되는 2개의 온도측정저항체와; 상기 절연박막, 상기 각 히터 및 상기 각 온도측정저항체 상에 형성되는 보호층;을 구비하는 것을 특징으로 한다.
제 2 발명에 나타낸 바와 같이, 상기 각 온도측정저항체는, 상기 절연박막 상에 있어서 하측에 상기 공간부를 가지는 부위에 형성할 수 있다. 제 3 발명에 나타낸 바와 같이, 상기 각 히터 및 상기 각 온도측정저항체는, 각각 상기 히터 및 상기 온도측정저항체의 일측 단자를 상기 절연박막 상에서 접속시킬 수 있다. 제 4 발명에 나타낸 바와 같이, 상기 각 온도측정저항체는 상기 각 히터의 위치 및/또는 피측정 유체의 유로 방향을 축으로 하여 대략 대칭으로 배치할 수 있다.
제 5 발명에 나타낸 바와 같이, 상기 각 온도측정저항체는 유로에 대해서 상기 각 히터를 통과하는 축과 다른 축에 배치할 수 있다. 제 6 발명에 나타낸 바와 같이, 상기 각 온도측정저항체는 서로 엇걸리게 배치할 수 있다.
상기 「공간부」는, 브리지 구조의 다리 하측에 형성되는 공동, 단주형 구조에 의해서 형성되는 노치, 압입 자국에 의해서 형성되는 오목부 중 적어도 어느 하나를 구비하는 부위이다. 또한, 이 공간부는 임의의 개수만큼 형성할 수 있다.
상기 「절연박막」은, 이 절연박막 상에 형성되는 히터 및 온도측정저항체와 반도체 기판 등을 열적 및 전기적으로 절연할 수만 있으면 되기 때문에, 임의의 재질을 선택할 수 있다. 그 예로서, SiO2, Si3N4, SiOxNy등의 규소화합물 등을 들 수 있다. 또, 절연박막은 적층막으로 형성할 수 있다.
또, 재질, 두께 및 박막이나 적층막으로 할 경우의 조합에 대해서는, 화학적 내구성, 열적 안정성, 프로세스 적합성, 히터 및 온도측정저항체 등의 배선층이나 반도체 기판과의 밀착성, 및 박막부재로 된 경우의 강도와 응력의 밸런스에 따라 적절히 선택할 수 있다. 또한, 박막형성방법에 있어서도 열산화, CVD, 스패터링 및 도포 등 임의의 방법을 선택할 수 있다.
상기 「히터」 및 상기 「온도측정저항체」를 형성하기 위한 배선은, 저항온도계수가 크고, 장기간의 반복 사용에서도 저항값 및 저항온도계수의 변화가 작은 것이 바람직하다. 이와 같은 조건을 충족하는 것으로서 Pt이나 Ni-Cr 등을 예시할 수 있다. 또, 이것들을 형성하는 방법은 임의로 선택할 수 있으며, 예를 들면, 웨트 에칭, 드라이 에칭 및 리프트 오프(lift off) 등을 들 수 있다.
상기 「지지(支持)」는 절연박막의 형상이 유지되도록 지지할 수만 있으면 되기 때문에, 임의의 형태로 할 수 있다. 예를 들면, 간격을 두고서 배치되는 2장의 반도체 기판에 절연박막이 걸쳐지도록 배치하는 구조를 들 수 있다. 또, 절연박막의 일단을 지지하는 단주형 구조로 하는 것을 들 수 있다. 또한, 임의 형상의 관통구멍을 구비하는 반도체 기판에, 이 관통구멍을 막도록 절연박막을 배치하는 구조도 들 수 있다.
각 발명에 있어서의 질량유량센서의 제작방법은 임의로 선택할 수 있다. 그 예로서, 공지의 마이크로머시닝(micromachining) 기술을 이용하는 것을 들 수 있다.
제 7 발명의 질량유량계는, 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 기재된질량유량센서를 구비하는 질량유량계로서, 상기 질량유량계는, 상기 각 히터에 대응하는 상기 각 온도측정저항체에 의해서 얻어지는 피측정 유체의 온도와 상기 각 히터의 온도의 차를 일정하게 유지하는 회로를 구비하는 것을 특징으로 한다.
제 8 발명에 나타낸 바와 같이, 상기 질량유량계의 회로는, 상기 각 히터 및 상기 각 온도측정저항체를 각각 구비하는 2조(組)의 브리지 회로와, 상기 각 브리지 회로에 인가되는 전압값 또는 흐르는 전류값인 출력을 근거로 하여, 상기 피측정 유체와 상기 각 히터의 온도차를 일정하게 유지하는 2조의 히터전원회로를 구비한 것으로 할 수 있다.
제 9 발명에 나타낸 바와 같이, 상기 질량유량계의 회로는, 상기 각 출력의 차에 의거하여 질량유량을 산출하고, 상기 차의 정부(正負:positive and negative)에 의거하여 유량 방향을 구하는 회로로 할 수 있다. 제 10 발명에 나타낸 바와 같이, 상기 질량유량계의 회로는, 상기 각 출력 중 큰 쪽의 것에 의거하여 질량유량을 산출하고, 상기 각 출력의 차의 정부에 의거하여 유량 방향을 구하는 회로로 할 수 있다. 제 11 발명에 나타낸 바와 같이, 상기 각 히터의 인가전압 또는 전류의 차, 혹은 상기 각 히터의 인가전압 또는 전류 중 큰 쪽의 것에 의거하여 질량유량을 산출하고, 상기 차의 정부에 의거하여 유량 방향을 구하는 회로로 할 수 있다.
(발명의 실시형태)
이하, 본 발명의 질량유량센서 및 이것을 이용한 질량유량계를 상세하게 설명한다. 본 발명에 관한 각 실시예의 질량유량센서 및 이것을 이용한 질량유량계는 가솔린 엔진이나 디젤 엔진 등의 내연기관의 흡기로에 설치되어 피측정 유체인 공기의 질량유량을 구하기 위해서 이용된다.
(제 1 실시예)
본 제 1 실시예는 히터의 상류측 및 하류측에 온도측정저항체를 배치한 질량유량센서 및 이것을 이용한 질량유량계에 관한 것이다.
1. 질량유량센서의 제작방법
본 제 1 실시예의 질량유량센서는 이하에 나타낸 바와 같이 공지의 마이크로머시닝 기술을 이용하여 제작된다.
① 우선, 세정된 반도체 기판(1)의 일측의 표면 상에 절연박막(2)을 형성한다. 이 형성방법은 임의로 선택할 수 있으며, 예를 들면, 열산화, CVD, 스패터링 및 도포법 등을 들 수 있다.
② 계속해서, 웨트 에칭, 드라이 에칭 및 리프트 오프 등의 방법을 이용하여 절연박막(2) 상에 히터(311,312), 온도측정저항체(321,322) 및 전극(331∼336) 등으로 이루어지는 배선층을 형성하였다. 이 배선층의 재질은 Pt이나 Ni-Cr 등을 이용하였다.
③ 그 후, 절연박막(2) 및 배선층(311,312,321,322,331∼336)상에 보호층(4)을 형성하였다. 또한, 보호층(4)을 에칭하여 배선층에 있어서의 전극을 형성할 부위를 노출시켰다. 그 후, 기판 전면에 전극층을 형성하고, 이 전극층을 패터닝함으로써 전극(331∼336)을 형성하였다. 또, 에칭에 의해서 히터(311,312) 하측에 위치하는 반도체 기판을 제거하여 공간부로서의 공동(5)을 형성하였다.
또한, 공동(5)을 형성할 때에는, 반도체 기판(1) 이면의 절연박막을 패터닝한 후, 실리콘이 노출된 부위를 기점으로 하여 에칭에 의해서 형성하는 것이 일반적이나, 반도체 기판(1) 표면의 보호층(4) 및 절연박막(2)을 패터닝함에 의해서 얻어지는 실리콘이 노출되는 부위를 에칭의 기점으로 하여도 된다. 이 경우에는, 패턴을 여러 형태로 연구함과 아울러 에칭 시간을 적절히 제어함에 의해서, 절연박막 (2) 하부의 실리콘을 모두 제거하지 않고 바닥부를 형성하도록 하여도 된다.
2. 질량유량센서의 구성
제작된 질량유량센서는, 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이 반도체 기판(1), 절연박막(2), 히터(311,312), 온도측정저항체(321,322), 전극(331∼336) 및 보호층 (4)을 구비한다.
반도체 기판(1)은 가로가 3㎜ 세로가 6㎜로 된 실리콘제의 평판이다. 또, 히터(311,312)가 위치하는 부위에는 공간부로서의 공동(5)이 형성된다. 또한, 절연박막(2)은 반도체 기판(1)을 산화함에 의해서 형성되는 열산화막과, 그 위에 CVD에 의해서 형성된 질화규소막에 의해서 구성되는 적층막이다. 또, 절연박막(2) 이면측의 대부분은 반도체 기판(1)과 접하고 있으나, 공동(5) 부위에서는 노출되어 있다.
히터(311,312)는 절연박막(2)의 표면에 형성되어 있으며, 각각 유로의 상류 및 하류가 되도록 인접하게 배치된다. 또, 히터(311,312)의 하측은 공동(5)으로 되어 있기 때문에, 다른 부위와 열적으로 절연된 상태로 되어 있다.
온도측정저항체(321,322)는 절연박막(2)의 표면에 형성되어 있으며, 유로에 대해서 일렬로 되도록 히터(311,312)의 양측에 배치되어 있다. 또한, 히터(311)에 대응하는 온도측정저항체는 상류에 위치하는 온도측정저항체(321)이고, 히터(312)에 대응하는 온도측정저항체는 하류에 위치하는 온도측정저항체(322)이다.
전극(331∼336)은 Au 및 Cr에 의해서 형성된 적층막으로서, 히터(311,312) 및 온도측정저항체(321,322)를 회로에 접속시키는 부위이다. 또, 도 1에 나타낸 바와 같이 히터(311) 및 온도측정저항체(321)는 그 일단이 전극(332)에 의해서 접속되고, 히터(312) 및 온도측정저항체(322)는 그 일단이 전극(335)에 의해서 접속되어 있다.
보호층(4)은 CVD에 의해서 형성된 질화규소막으로서, 히터(311,312) 및 온도측정저항체(321,322) 등의 배선층을 덮도록 형성되어 이것들의 오염이나 손상을 방지한다.
3. 질량유량계의 회로
본 실시예의 질량유량센서를 이용한 질량유량계의 회로에 대한 예를 도 3에 나타낸다. 본 회로는 히터(311)와 온도측정저항체(321) 및 히터(312)와 온도측정저항체(322)를 각각 1조(組)로 한 2조의 브리지 회로(61,62)를 구비한다. 또, 각 브리지 회로(61,62)는 그 출력(a,b,c,d)을 피드백하는 전원회로(71,72)에 접속되어 있다. 또한, 전원회로(71,72)의 출력(e,f)의 차(g)를 유량으로서 출력하고 있다.
이와 같은 회로는, 각 히터(311,312)의 온도가 각각 온도측정저항체(321, 322)에 의해서 측정된 유체온도에 대해서 항상 일정한 온도차가 되도록 제어된다. 또, 피측정 유체가 정지하고 있는 경우에는, 각 히터(311,312)를 주위온도에 대해서 일정한 온도차로 유지하기 위해서 필요한 전력이 동일하게 되기 때문에, 도 4에 나타낸 바와 같이, 각 브리지 회로에 인가되는 전압도 동일하게 된다.
또한, 피측정 유체가 도 1에 나타낸 R방향으로 흐르고 있는 경우에는, 피측정 유체가 상류측 히터(311)의 상공을 통과할 때에 히터(311)에 의해서 가열된다. 따라서, 히터(312)의 상공을 통과하는 유체는 히터(311)를 통과한 시점보다 고온으로 되기 때문에, 유체온도에 대해서 각 히터(311,312)를 일정한 온도차로 유지하기 위해서 필요한 전력은, 도 4에 나타낸 바와 같이 상류측 히터(311)측이 더 커지게 된다. 이 차를 도 5에 나타낸 바와 같이 각 브리지 회로(61,62)에 인가하는 전압차(g)로서 출력함으로써 질량유량을 측정할 수 있다.
또, 피측정 유체가 도 1에 나타낸 L방향으로 흐르고 있는 경우에는, 각 히터(311,312)의 소요 전력량, 상기 전압차가 역으로 되는 것 외에는 모두 같기 때문에, R방향의 경우와 마찬가지로 질량유량을 구할 수 있다.
4. 질량유량센서 및 질량유량계의 효과
이와 같은 질량유량센서 및 질량유량계는 능동 소자인 각 히터(311,312)만에 의해서 유체의 유속과 방향을 구할 수 있기 때문에, 유속 변화에 대한 응답이 빠른 것으로 할 수 있다.
또, 각 히터(311,312)의 하측에 공동(5)을 형성하여 주위의 열용량을 줄임으로써 각 히터(311,312)의 응답성을 높일 수 있다. 또한, 최초 기동시에도 단시간에 정확한 측정을 할 수 있다.
또, 히터(311,312) 각각에 온도측정저항체(321,322)를 형성한 브리지 회로로 함으로써, 개별로 유체와의 온도차를 일정하게 유지할 수 있기 때문에, 피측정 유체의 온도와 유속이 변화하는 상황하에서도 정확하게 질량유량을 측정할 수 있다.
또한, 히터(311,312) 및 온도측정저항체(321,322)가 보호층(4)에 의해서 보호되어 있기 때문에, 유체나 유체 내의 먼지 등에 의해서 열화되거나 손상되는 것을 방지할 수 있다. 또, 히터(311,312) 및 온도측정저항체(321,322)의 일단을 전극(332,335)으로 접속함으로써, 본 질량유량센서의 전극에서 인출되는 선의 개수를 줄일 수 있음과 아울러, 각각의 브리지 회로의 안정성을 높일 수 있다.
(제 2 실시예)
본 제 2 실시예의 질량유량센서는, 도 6에 나타낸 바와 같이, 온도측정저항체(321,322)를 유로의 축에 대해서 대칭이 되게 하고, 각 히터(311,312)의 상류(또는 하류)측에 배치한 것이다.
이와 같은 질량유량센서 및 이것을 이용한 질량유량계는, 각 온도측정저항체 (321,322)가 유로의 상하류에 대해서 같은 위치에 있기 때문에, 동일 온도를 측정할 수 있다. 따라서, 제 1 실시예의 질량유량센서보다도 일정한 온도를 더 유지하기 쉬운 것으로 할 수 있다.
또한, 본 질량유량센서는 제 1 실시예의 질량유량센서와 같은 방법으로 제작할 수 있다. 또, 제 1 실시예의 질량유량계의 회로와 같은 회로를 이용할 수 있다.
(제 3 실시예)
본 제 3 실시예의 질량유량센서는, 도 7에 나타낸 바와 같이, 온도측정저항체(321,322)를 각 히터(311,312)에 대해서 별도의 유로의 축이 되도록 형성한 것이다. 또, 각 히터(311,312)와 유로의 상하류에 관해서 같은 위치로 하고, 상하측에 인접하게 배치한 것이다.
이와 같은 질량유량센서 및 이것을 이용한 질량유량계는, 각 온도측정저항체 (321,322)가 유로의 상하류에 대해서 거의 같은 위치에 있기 때문에, 각각 거의 동일하게 되는 유체온도를 측정할 수 있다. 또, 유체의 흐름 방향에 관계없이 각 히터(311,312)의 발열에 의한 영향을 받기 어렵다. 따라서, 제 1 실시예 및 제 2 실시예의 질량유량센서보다도 일정한 온도를 더 유지하기 쉬운 것으로 할 수 있다.
또한, 본 질량유량센서는 상기한 각 질량유량센서와 같은 방법으로 제작할 수 있다. 또, 상기한 각 질량유량계의 회로와 같은 회로를 이용할 수 있다.
(제 4 실시예)
본 제 4 실시예의 질량유량센서는, 도 8에 나타낸 바와 같이, 온도측정저항체(321,322)를 각 히터(311,312)에 대해서 별도의 유로의 축이 되도록 형성한 것이다. 또, 각 히터(311,312)와 유로의 상하류에 관해서 같은 위치로 하고, 각 히터(311,312)를 사이에 두도록 배치하고 있다. 또한, 온도측정저항체(321,322)의 하측에는 반도체 기판을 제거한 공동(51,52)을 구비하고 있다.
이와 같은 질량유량센서 및 이것을 이용한 질량유량계는, 각 온도측정저항체 (321,322)가 유로의 상하류에 대해서 같은 위치에 있기 때문에, 각각 동일하게 되는 유체온도를 측정할 수 있다. 또, 유체의 흐름 방향에 관계없이 각 히터(311, 312)의 발열에 의한 영향을 받기 어렵다. 따라서, 제 1 실시예 및 제 2 실시예의 질량유량센서보다도 일정한 온도를 더 유지하기 쉬운 것으로 할 수 있다. 또한, 공동(51,52)에 의해서 온도측정저항체(321,322) 부근의 열용량을 적게 할 수 있어, 온도측정저항체(321,322)의 유체온도의 변화에 대한 응답성을 높일 수 있다.
또한, 본 질량유량센서는 상기한 각 질량유량센서와 같은 방법으로 제작할 수 있다. 또, 상기한 각 질량유량계의 회로와 같은 회로를 이용할 수 있다.
(제 5 실시예)
본 제 5 실시예의 질량유량센서는, 도 9에 나타낸 바와 같이, 온도측정저항체(321,322)를 각 히터(311,312)의 상류(또는 하류)측에 배치한 것이다. 또한, 온도측정저항체(321,322)는 일측의 곡(谷)측에 타측의 산(山)측이 인접하게 되도록 서로 엇걸리게 배치한 것이다.
이와 같은 질량유량센서 및 이것을 이용한 질량유량계는, 각 온도측정저항체 (321,322)가 유로의 상하류에 대해서 같은 위치에 있고, 또한 서로 엇걸려서 거의 동일한 위치를 점유하고 있기 때문에, 제 2 실시예의 질량유량센서보다도 정확한 유체온도를 측정할 수 있다. 따라서, 제 2 실시예의 질량유량센서보다도 일정한 온도를 더 유지하기 쉬운 것으로 할 수 있다.
또한, 본 질량유량센서는 상기한 각 질량유량센서와 같은 방법으로 제작할 수 있다. 또, 상기한 각 질량유량계의 회로와 같은 회로를 이용할 수 있다.
(제 6 실시예)
본 제 6 실시예의 질량유량센서는, 도 10에 나타낸 바와 같이, 온도측정저항체(321,322)를 각 히터(311,312)에 대해서 별도의 유로의 축이 되도록 형성한 것이다. 또, 각 히터(311,312)와 유로의 상하류에 관해서 같은 위치로 하고, 제 5 실시예와 마찬가지로 서로 엇걸리게 배치한 것이다.
이와 같은 질량유량센서 및 이것을 이용한 질량유량계는, 각 온도측정저항체(321,322)가 유로의 상하류에 대해서 같은 위치에 있고, 또한 서로 엇걸려서 거의 동일한 위치를 점유하고 있기 때문에, 제 3 실시예의 질량유량센서보다도 정확한 유체온도를 측정할 수 있다. 따라서, 제 3 실시예의 질량유량센서보다도 일정한 온도를 더 유지하기 쉬운 것으로 할 수 있다.
또한, 본 질량유량센서는 상기한 각 질량유량센서와 같은 방법으로 제작할 수 있다. 또, 상기한 각 질량유량계의 회로와 같은 회로를 이용할 수 있다.
(제 7 실시예)
본 제 7 실시예의 질량유량센서는, 도 11에 나타낸 바와 같이, 온도측정저항체(321,322)를 각 히터(311,312)에 대해서 별도의 유로의 축이 되도록 형성한 것이다. 또, 각 히터(311,312)와 유로의 상하류에 관해서 같은 위치로 하고, 제 5 실시예와 마찬가지로 서로 엇걸리게 배치한 것이다. 또한, 온도측정저항체(321,322)의 하측에는 반도체 기판을 제거한 공동(53)을 구비하고 있다.
이와 같은 질량유량센서 및 이것을 이용한 질량유량계는, 각 온도측정저항체 (321,322)가 유로의 상하류에 대해서 같은 위치에 있고, 또한 서로 엇걸려서 거의 동일한 위치를 점유하고 있기 때문에, 제 3 실시예의 질량유량센서보다도 정확한 유체온도를 측정할 수 있다. 따라서, 제 3 실시예의 질량유량센서보다도 일정한 온도를 더 유지하기 쉬운 것으로 할 수 있다. 또한, 공동(53)에 의해서 온도측정저항체(321,322) 부근의 열용량을 적게 할 수 있어, 온도측정저항체(321,322)의 유체온도의 변화에 대한 응답성을 높일 수 있다.
또한, 본 질량유량센서는 상기한 각 질량유량센서와 같은 방법으로 제작할수 있다. 또, 상기한 각 질량유량계의 회로와 같은 회로를 이용할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되는 것이 아니며, 목적 또는 용도에 따라서 본 발명의 범위 내에서 여러 형태로 변경한 실시예로 할 수 있다. 즉, 본 질량유량센서에 있어서의 각 히터(311,312)의 배치는 상기한 실시예에 한정하지 않고 임의로 선택할 수 있다. 또, 각 히터(311,312)의 하측에 형성하는 공동(5)도 각 히터(311,312)의 각각에 형성할 수 있다. 또한, 본 질량유량센서의 각 온도측정저항체(321,322)의 배치는 상기한 실시예에 한정하지 않고 임의로 선택할 수 있다.
또, 본 질량유량계의 회로는, 각 히터(311,312)와 유체의 온도차를 각 온도측정저항체(321,322)에 의해서 각각 일정하게 할 수만 있으면 되기 때문에, 도 3에 나타낸 회로에 한정하지 않고 임의로 선택할 수 있다.
예를 들면, 유량은 각 실시예에 나타낸 바와 같은 각 브리지 회로에 인가되는 전압의 차(도 3에 나타낸 g점의 값에 상당)로 하지 않고, 각 브리지 회로에 인가되는 전압(e,f) 중 어느 큰 쪽의 것으로 할 수 있다. 또, 각 히터(311,312)의 인가전압(a,c)의 차나 각 히터(311,312)의 인가전압(a,c) 중 어느 큰 쪽의 것으로 할 수 있다.
또한, 본 질량유량계의 질량유량이 되는 출력은, 2개의 브리지 회로(61,62)에서 얻어지는 출력 중 큰 쪽의 것으로 할 수 있다. 그 예로서, 도 12에 나타낸 바와 같은 회로로 할 수 있다. 이 회로는, 2개의 히터(311,312)의 온도를 유체온도에 대해서 일정한 온도차가 되도록 제어하는 2개의 브리지 회로(61,62)와, 이들 회로에 인가되는 각 전압(Va,Vb)의 차와 같은 극성(極性)인 신호(Vc)를 출력하는 비교회로(81)와, Vc의 극성에 따라서 Va, Vb 중 어느 하나를 선택하여 출력하는 스위칭회로(82)를 구비한다.
이와 같은 회로는, Va가 Vb보다 크다면{Vc가 정(正)이라면} 유량출력(Vo)이 Va가 되고, Va가 Vb보다 작다면{Vc가 부(負)라면} 유량출력(Vo)이 Vb가 된다. 또, Vc의 극성에 의거하여 흐름의 방향을 판별할 수 있다.
또한, 출력 Vc, Vo를 하나로 합칠 수 있다. 예를 들면, 도 13에 나타낸 바와 같이, 스위칭회로에 인가되는 2개의 출력(Va,Vb) 중 일측의 극성을 반전회로(83)에 의해서 반전시킴으로써, 스위칭회로(82)의 출력(Vd)의 절대값에 의거하여 질량유량을 구할 수 있다. 또, 출력(Vd)의 극성에 의거하여 흐름의 방향을 구할 수 있다.
또한, 이들 도 12 및 도 13에 나타낸 바와 같이, 비교회로(81) 및 스위칭회로(82)에 입력되는 전압을, 각 브리지 회로(61,62)로의 인가전압(도면에 나타내는 e,f점)으로 하지 않고, 도 14 및 도 15에 나타내는 바와 같이 히터(311,312)로의 인가전압(도면에 나타내는 a,c점)으로 할 수 있다.
본 제 1 발명의 질량유량센서에 의하면, 각 히터의 온도를 유체온도에 대해서 일정한 온도차가 되도록 별개로 제어하는 수단을 형성함으로써, 유체온도 및 그 변화에 의한 영향을 받는 일 없이 질량유량과 그 방향을 정확하게 구할 수 있다. 또한, 각 히터 등의 열화나 손상을 방지할 수 있다.
또한, 제 2 발명의 질량유량센서로 함으로써, 유체의 온도 변화에 대한 응답성을 더 높일 수 있다. 또, 제 3 발명의 질량유량센서로 함으로써, 본 질량유량센서에서 인출되는 선의 개수를 줄일 수 있다. 또한, 제 4 발명의 질량유량센서로 함으로써, 온도측정저항체의 측정온도를 동일하게 할 수 있다.
또, 제 5 발명의 질량유량센서로 함으로써, 온도측정저항체에 의한 측정이 히터의 발열에 의한 오차를 발생시키지 않도록 할 수 있다. 또한, 제 6 발명의 질량유량센서로 함으로써, 각 온도측정저항체의 측정온도를 더욱 동일하게 할 수 있다.
본 제 7 발명의 질량유량계에 의하면, 유체온도 및 그 변화에 의한 영향을 받는 일 없이 질량유량과 그 방향을 정확하게 구할 수 있다.

Claims (11)

  1. 공동, 노치 및/또는 오목부로 이루어지는 공간부를 구비하는 반도체 기판과,
    상기 반도체 기판에 의해서 지지되며, 열적 및 전기적으로 절연시키는 절연박막과,
    상기 절연박막 상에 있어서 하측에 상기 공간부를 가지는 부위에 형성되는 2개의 히터와,
    상기 절연박막 상에 있어서 상기 각 히터와 열적으로 절연되는 부위에 형성되는 2개의 온도측정저항체와,
    상기 절연박막, 상기 각 히터 및 상기 각 온도측정저항체 상에 형성되는 보호층을 구비하는 것을 특징으로 하는 질량유량센서.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 각 온도측정저항체는, 상기 절연박막 상에 있어서 하측에 상기 공간부를 가지는 부위에 형성되는 질량유량센서.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 각 히터 및 상기 각 온도측정저항체는, 각각 상기 히터 및 상기 온도측정저항체의 일측 단자가 상기 절연박막 상에서 접속되는 질량유량센서.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 각 온도측정저항체는 상기 각 히터의 위치 및/또는 피측정 유체의 유로 방향을 축으로 하여 대략 대칭으로 배치되는 질량유량센서.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 각 온도측정저항체는 유로에 대해서 상기 각 히터를 통과하는 축과 다른 축에 배치되는 질량유량센서.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 각 온도측정저항체는 서로 엇걸리게 배치되는 질량유량센서.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 기재된 질량유량센서를 구비하는 질량유량계로서,
    상기 질량유량계는, 상기 각 히터에 대응하는 상기 각 온도측정저항체에 의해서 얻어지는 피측정 유체의 온도와 상기 각 히터의 온도의 차를 일정하게 유지하는 회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 질량유량계.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 질량유량계의 회로는, 상기 각 히터 및 상기 각 온도측정저항체를 각각 구비하는 2조의 브리지 회로와,
    상기 각 브리지 회로에 인가되는 전압값 또는 흐르는 전류값인 출력을 근거로 하여, 상기 피측정 유체와 상기 각 히터의 온도차를 일정하게 유지하는 2조의 히터전원회로를 구비하는 질량유량계.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 질량유량계의 회로는, 상기 각 출력의 차에 의거하여 질량유량을 산출하고, 상기 차의 정부(正負)에 의거하여 유량 방향을 구하는 회로를 구비하는 질량유량계.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 질량유량계의 회로는, 상기 각 출력 중 큰 쪽의 것에 의거하여 질량유량을 산출하고, 상기 각 출력의 차의 정부에 의거하여 유량 방향을 구하는 회로를 구비하는 질량유량계.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 각 히터의 인가전압 또는 전류의 차, 혹은 상기 각 히터의 인가전압 또는 전류 중 큰 쪽의 것에 의거하여 질량유량을 산출하고, 상기 차의 정부에 의거하여 유량 방향을 구하는 회로를 구비하는 질량유량계.
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