TWI825722B - 感測元件 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種可獲得較廣之感測區域，且可抑制感測區域中之溫度分佈不均，獲得大致恆定之感測感度的感測元件。本發明之感測元件(1)之特徵在於具有基體(2)、形成於上述基體之表面整體且電阻值根據溫度變化而變化之感溫膜(3)、及連接於上述感溫膜之兩端之配線構件(4、5)，上述感溫膜具備與上述配線構件之連接區域、及自各連接區域向上述基體之中央延伸之圖案，上述圖案之剖面積形成為上述連接區域側比上述基體之中央小。

Description

感測元件

本發明例如關於一種可測量風速之感測元件。

已知有將加熱後之流量檢測用電阻元件暴露於流體中，而基於此時之散熱作用檢測流體之流量之熱式感測元件。例如，於專利文獻1、2中，揭示有風狀態測量裝置，其於剖面圓形狀之殼體之表面，分散貼付藉由利用熱傳導與外部氣體進行熱交換而自外部氣體受熱影響之複數個感溫元件，測量於殼體之周圍流動之風之朝向及速度。於專利文獻1、2中，為將感溫元件加熱而於殼體內部具備加熱器。 [先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本專利特開2020-8370號公報 [專利文獻2]日本專利特開2020-3354號公報

[發明所欲解決之問題]

然而，於專利文獻1、2之構成中，為將複數個感溫元件貼附於殼體之表面之構成，且僅可對風吹過感溫元件之區域進行流量測定，感測範圍受限。

又，於專利文獻1、2之構成中，將配置於殼體之表面之多個感溫元件之所有配線引出至殼體之下端，於下端附近散熱變大。因此，配置於殼體之下端附近之感溫元件之溫度較自殼體之下端向上方離開而配置之感溫元件更容易降低。其結果，各感溫元件之溫度分佈之不均變大。藉由以上，存在感測感度容易於殼體之下端附近與上端附近產生偏差之問題。

因此，本發明係鑑於上述問題而完成者，目的在於提供一種可獲得較廣之感測區域，且可抑制感測區域中之溫度分佈之不均，而獲得大致恆定之感測感度之感測元件。 [解決問題之技術手段]

本發明之感測元件之特徵在於具有基體、形成於上述基體之表面整體，且電阻值根據溫度變化而變化之感溫膜、及連接於上述感溫膜之兩端之配線構件，上述感溫膜具備與上述配線構件之連接區域、及自各連接區域向上述基體之中央延伸之圖案，上述圖案之剖面積形成為與上述基體之中央相比，上述連接區域側較小。 [發明之效果]

於本發明之感測元件中，於基體之表面整體形成有感溫膜。感溫膜中，圖案自位於兩端之連接區域朝向基體之中央延伸，將圖案之剖面積形成為與基體之中央相比，連接區域側較小。藉此，可增大連接區域附近之發熱。藉由以上，可擴大感測區域且可改善感測區域中之溫度分佈之不均，而可獲得大致恆定之感測感度。

以下，對本發明之一實施形態(以下，簡稱為「實施形態」)，詳細進行說明。本發明並非限定於以下實施形態者，於其主旨之範圍內可進行各種變化而實施。另，於以下說明之圖式中，為方便說明起見，改變一部分之尺寸比。

＜本實施形態之感測元件1之概要＞ 本實施形態之感測元件1為熱式之流量感測元件，如圖1、圖2所示，具備電絕緣性之基體2、形成於基體2之表面整體之感溫膜3、及連接於感溫膜3之第1配線構件4及第2配線構件5而構成。

本實施形態之基體2例如為球狀。基體2係只要為電性絕緣物，則材質非特別限定者。若顯示一例，則基體2例如由陶瓷形成。又，基體2之直徑不受限定，可根據使用用途進行各種調整。若顯示一例，則基體2之直徑可設為4 mm左右。 如圖2所示，於基體2，形成於X1-X2方向貫通之貫通孔9。

形成於基體2之表面整體之感溫膜3之電阻值根據溫度變化而變化。感溫膜3藉由配線構件4、5之間之導通而溫度保持為較高之狀態，且如下控制：當風吹過時感溫膜3之溫度降低，藉此感溫膜3之電阻值變化。

並非限定感溫膜3之材質者，但較佳為鉑(Pt)膜。藉由使用鉑膜，可減少經時劣化。藉此，可將包含鉑之耐久性優異之感溫膜3形成於基體2之表面整體。又，此外亦可選擇鎳(Ni)膜。

如圖2、圖3所示，第1配線構件4通過基體2之貫通孔9，第1配線構件4之X1側之端部4a與感溫膜3經由導電膜13電性連接。導電膜13例如為導電性接著劑。又，如圖2所示，第2配線構件5於基體2之X2側，經由導電膜13電性連接於感溫膜3。如圖2所示，第1配線構件4於X1側之端部4a，連接於感溫膜3，並通過貫通孔9，與第2配線構件5一起引出至X2側。

例如，第1配線構件4及第2配線構件5為引線，只要為電傳導性，則並非限定材質者，例如，可較佳使用將銅系或鎳系之線材藉由鍍錫進行表面處理之被覆銅線或鉑系之線材、及經鉑被覆之鎳系之線材。

感溫膜3具備位於基體2之X1-X2方向之兩側之連接區域8、及自各連接區域8向基體2之中央延伸之圖案7。圖案7以藉由修整而於基體2之表面自X1側向X2側循環之方式，螺旋狀形成。符號6為修整線。因此，通過該修整線6表現基體2之表面。於修整處理中，可列舉雷射處理或蝕刻處理等。又，亦可以光微影技術形成圖案7。另，如下所示，圖1之圖案7被分為第1圖案7a～第3圖案7c，但僅表記為「圖案7」之情形係不區分第1圖案7a～第3圖案7c而指圖案整體。

如圖1、圖2所示，圖案7之寬度係與基體2之中央相比X1-X2方向之兩側更窄。於圖1所示之實施形態中，圖案7之寬度以3個階段變化，由位於最靠近連接區域8且寬度最窄之第1圖案7a、位於基體2之中央且寬度最寬之第2圖案7b、及位於第1圖案7a與第2圖案7b之間，寬度較第1圖案7a寬且較第2圖案7b窄之第3圖案7c構成。各圖案7a～7c一體相連，以一連串之螺旋狀形成。

雖為圖案7之形成方法之一例，但如圖1所示，於對感溫膜3，與X1側及X2側之連接區域8連續藉由修整形成寬度最窄之第1圖案7a後，將寬度較第1圖案7a寬之第3圖案7c連續於第1圖案7a而形成，且於感溫膜3顯示特定電阻值之時點，結束修整。此時，於基體2之中央，保留寬度最寬之第2圖案7b。

又，圖案7之寬度由圖1所示之X1-X2方向(基體2之直徑方向)之寬度定義。因此，寬度之測定於圖1所示之側視下所表現之平面圖像內進行。即，如圖1所示，例如，於以2匝形成第1圖案7a時，若沿基體2之曲面測定寬度，則第1圖案7a中位於最靠近連接區域8之第1匝之第1圖案7a較位於其旁邊之第2匝之第1圖案7a略寬。然而，於本實施形態中，圖案之寬度為平行於X1-X2方向之寬度，而非沿基體之表面之方向之寬度。於在平行於X1-X2方向之方向測定時，圖1所示之各第1圖案7a之寬度大致相同。可以說關於第3圖案7c亦同樣。

於圖1～圖3中，為方便說明起見，從感測元件1中省略被覆膜之圖式，但實際上，如圖4所示，較佳為在形成於基體2之表面之感溫膜3之表面，形成有電絕緣性之保護膜10。例如，可以塗裝或濺鍍等形成保護膜10。又，保護膜10只要為電絕緣性之材質，則並不特別限定材質，作為其一示例，例如可舉出環氧系樹脂。

又，如圖4所示，自基體2之X2側向相同方向(圖示右方向)延伸之第1配線構件4與第2配線構件5各自藉由支架11一體固定。另，支架11例如以接著劑固定。如圖4所示，第1配線構件4及第2配線構件5之右側端部(X2側之端部)自支架11露出，且電性連接於未圖示之控制裝置。

圖5係包含本實施形態之感測元件1之流量裝置之電路圖。如圖5所示，以感測元件1、溫度補償用電阻元件14、電阻器26、27構成橋接電路28。如圖5所示，以感測元件1與電阻器26構成第1串聯電路29，以溫度補償用電阻元件14與電阻器27構成第2串聯電路30。且，將第1串聯電路29與第2串聯電路30並聯連接而構成橋接電路28。

如圖5所示，第1串聯電路29之輸出部31、及第2串聯電路30之輸出部32各自連接於差動放大器(放大器)33。於橋接電路28，連接有包含差動放大器33之反饋電路34。於反饋電路34中，包含電晶體(未圖示)等。

電阻器26、27之電阻溫度係數(TCR：Temperature Coefficient of Resistivity)小於感測元件1、及溫度補償用電阻元件14。感測元件1例如於被控制為比特定之周圍溫度高出特定值之加熱狀態下，具有特定之電阻值Rs1，且，溫度補償用電阻元件14例如控制為於上述周圍溫度下，具有特定之電阻值Rs2。另，電阻值Rs1較電阻值Rs2小。雖未限定，但例如電阻值Rs2為電阻值Rs1之數倍～數十倍左右。構成感測元件1與第1串聯電路29之電阻器26例如為具有與感測元件1之電阻值Rs1同樣之電阻值R1之固定電阻器。又，構成溫度補償用電阻元件14與第2串聯電路30之電阻器27例如為具有與溫度補償用電阻元件14之電阻值Rs2同樣之電阻值R2之固定電阻器。

當風吹到感測元件1時，作為發熱電阻之感測元件1之感溫膜3之溫度降低，且感測元件1所連接之第1串聯電路29之輸出部31之電位變動。藉此，藉由差動放大器33可獲得差動輸出。且，於反饋電路34中，基於差動輸出，對感測元件1施加驅動電壓。感測元件1可基於感測元件1加熱所需之電壓之變化而換算風速並輸出。當風速變化時，伴隨於此，感溫膜3之溫度變化，因而可檢測風速。

本實施形態之感測元件1具有以下特徵性之構成。 (1) 感溫膜3形成於基體2之表面整體。 (2) 感溫膜3具備與配線構件4、5之連接區域8、及自各連接區域8向基體2之中央延伸之圖案7。 (3) 圖案7之剖面積形成為與基體2之中央相比，連接區域8側較小。

於本實施形態中，藉由上述(1)之構成，可將基體2之表面之大致全域設為感測區域。實際上，除連接各配線構件4、5之兩端部附近外，皆可設為感測區域。於本實施形態中，可於各配線構件4、5延伸之X1-X2方向獲得繞軸360度之無指向性。 於本實施形態中，藉由上述(2)(3)之構成，可抑制感測區域之溫度分佈之不均，但關於該點，於以下詳細進行說明。

＜關於圖案7之寬度＞ 於本實施形態中，如圖1所示，與位於基體2之中央之第2圖案7b之寬度T2相比，連接區域8側之第1圖案7a之寬度T1及第2圖案7b之寬度T3更窄。再者，更靠近連接區域8之側之第1圖案7a之寬度T1與較第1圖案7a更靠近基體2之中央之第3圖案7c之寬度T3相比更窄。另，各圖案7a～7c之寬度T1～T3亦可視為修整線6之間之間隔(間距)。

另，由於基體2為球體，故於圖3之前視圖中，若忠實表現寬度，則離貫通孔9之開口越遠，圖案7a、7c之寬度看起來較實際之寬度越窄，但圖示成減少可見之修整線6，而使第3圖案7c看起來較第1圖案7a寬。

如圖1所示，第1圖案7a及第3圖案7c各自以複數匝形成，且複數個第1圖案7a全部以寬度T1形成，且，複數個第3圖案7c全部以寬度T3形成。且，於基體2之中央，形成有寬度T2最寬之第2圖案7b。

又，於圖6所示之另一實施形態中，由分開形成於基體2之X1-X2方向之兩側之寬度T1之第1圖案7a、與位於基體2之中央之寬度T2之第2圖案7b，構成圖案7。如此，於圖6所示之實施形態中，自連接區域8側朝向基體2之中央以2個階段構成圖案7之寬度。

對此，於圖7所示之比較例中，於感溫膜3之整體形成恆定之寬度T4之圖案12。於比較例中，藉由於整體形成恆定寬度T4之圖案12，各圖案12之剖面積(於沿寬度方向朝厚度方向切斷時表現之面積)大致相同，每單位長度之發熱量大致均勻。因此，於作為散熱之主路徑之各配線構件4、5之連接附近中，感溫膜3之溫度易下降。因此，於圖7所示之比較例中，於感測區域中之溫度分佈之差距較大之狀態下成為熱平衡狀態。

因此，於圖1或圖6所示之各實施形態中，於各配線構件4、5之連接區域8側、與基體2之中央改變圖案7之寬度，即，於連接區域8側由寬度T1較窄之第1圖案7a形成，於基體2之中央由寬度T2較寬之第2圖案7b形成。藉此，可使各配線構件4、5之連接區域8側中之圖案7之剖面積較基體2之中央小。藉由以上，可增大於各配線構件4、5之連接附近之每單位長度之發熱量，於熱平衡狀態下，與圖7之比較例相比，可抑制感測區域之溫度分佈之不均，而可獲得大致恆定之感測感度。另，較佳為感測區域至少包含形成有圖案7之區域，關於連接區域8，至少導電膜13擴展之端部附近不包含於感測區域中。

於圖1所示之實施形態中，使圖案7之寬度以3個階段變化，於圖6所示之實施形態中，使圖案7之寬度以2個階段變化，但亦可使寬度以4個階段以上變化。又，亦可形成為圖案之寬度自各配線構件4、5之連接區域8側朝向基體2之中央逐漸擴大。

＜實施例與比較例之溫度分佈之實驗＞ 以下，進行實施例1、2與比較例中之感溫膜之溫度分佈之對比。於實施例1中，使用圖1所示之感測元件，於實施例2中，使用圖6所示之感測元件，於比較例中，使用圖7所示之感測元件。於實施例1中，將靠近圖1之兩端之側之第1圖案7a之寬度T1設為0.15 mm，並以複數匝形成第1圖案7a。又，將接續第1圖案7a之第3圖案7c之寬度T3設為0.3 mm，並以複數匝形成第3圖案7c，而將感溫膜3調整為特定之電阻值。調整電阻後，於兩側之第3圖案7c之間，保留寬度T2最寬之第2圖案7b。

又，於實施例2中，將靠近圖6之兩端之側第1圖案7a之寬度T1設為0.15 mm，並以複數匝形成第1圖案7a，而將感溫膜3調整為特定之電阻值。調整電阻後，於兩側之第1圖案7a之間，保留寬度T2最寬之第2圖案7b。 又，於比較例中，將圖案12之寬度T4設為0.15 mm，並以複數匝形成，而將圖案12形成於基體2之表面之大致整面。

圖8(a)係實施例1、2及比較例之溫度分佈之模擬結果(計算值)。橫軸為測定點，相當於圖1、圖6及圖7所示之X1-X2方向。

如圖8(a)所示，可知於整體形成恆定寬度T4之圖案12之比較例中，溫度分佈變大，尤其溫度於感測區域之兩側(X1-X2方向之兩側附近)，急劇降低。另一方面，於實施例1、2中，與比較例相比，可改善感測區域中之溫度分佈。尤其，於將圖案之寬度設為連接區域8側最窄，基體2之中央最寬，於靠近連接區域之第1圖案7a與基體2之中央之第2圖案7b之間，形成具有中間寬度之第3圖案7c之圖1所示之實施例1中，與實施例2相比，可將感測區域中之溫度分佈設為大致恆定。另，可知於形成連接區域8側寬度較窄之第1圖案7a，形成中央寬度較寬之第2圖案7b之實施例2中，與比較例相比，尤其可抑制測定點之中央附近之溫度分佈。

接著，使用實施例1，測定到達X1-X2方向之感溫膜之溫度分佈。於測定溫度分佈時，使用紅外線熱量測定儀CPA-T530sc。於實驗中，對配線構件4、5之間施加24 mW之電力，並以紅外線熱量測定儀，測定感溫膜3之溫度分佈。於圖8(b)顯示該實驗結果。如圖8(b)所示，可知能將感測區域中之溫度分佈設為大致恆定。

由以上可知，以較窄之寬度T1之第1圖案7a形成靠近配線構件4、5之連接區域8之側，以較寬度T1寬的寬度T2之第2圖案7b形成基體2之中央，藉此相較於如比較例般整體形成恆定之寬度T4之圖案12，亦可將感測區域之溫度分佈設為大致恆定。如此，可改善感測區域中之溫度分佈不均，而可於感測區域獲得均勻之感測感度。

藉由以上，於本實施形態之感測元件1中，藉由具備上述之(1)～(3)之構成，可擴大感測區域，且可改善感測區域中之溫度分佈之不均，而可獲得大致恆定之感測感度。尤其，於本實施形態中，不論自繞軸360度(X1-X2方向之周圍360度)之哪個方向吹風，皆可進行風速之檢測，且可獲得大致恆定之感測感度，而可謀求提高繞軸360度之無指向性。

於上述實施形態中，雖使圖案7之寬度變化，但亦可改變圖案7之厚度，將圖案7之剖面積調整為連接區域8側較基體2之中央小。藉此，可增大於各配線構件4、5之連接附近之每單位長度之發熱量。因此，可抑制感測區域中之溫度分佈不均，可謀求感測感度之大致均勻化。

或，亦可改變圖案7之寬度及厚度兩者，或改變一部分圖案7之寬度，且改變其餘之圖案7之厚度，而將圖案7之剖面積設為連接區域8側較基體2之中央小。

但與調整厚度相比，調整寬度更確實且簡單，因此，較佳為將各配線構件4、5之連接區域8附近之圖案7之寬度調整為較基體2之中央之圖案7之寬度小。

又，於本實施形態中，藉由將基體2設為球體，而可實現小型化，且亦具有應答性優異、且不易擾亂氣流之效果。但基體2不限於球體。例如，基體2亦可為橢圓體、或圖9所示之圓柱狀等。於圖9所示之實施形態中，於圓柱狀之基體2之表面整體形成有感溫膜3，於感溫膜3，形成供配線構件4、5連接之連接區域8、與自連接區域螺旋狀延伸至基體2之中央之圖案7。圖案7之寬度係在連接區域8側比基體2之中央窄。於圖9所示之實施形態中，亦與圖1同樣，將圖案7之寬度設為在連接區域8側最窄，在基體2之中央最寬，於靠近連接區域之第1圖案7a與基體2之中央之第2圖案7b之間，形成具有中間之寬度之第3圖案7c。藉此，可擴大感測區域，且可於配線構件4、5之連接部位附近增大發熱，而可抑制感測區域中之溫度分佈不均，可謀求感測感度之大致均勻化。尤其，於本實施形態中，可謀求提高繞軸360度之無指向性。

於圖10所示之另一實施形態中，與圖1不同，第1配線構件4及第2配線構件5各自朝從感溫膜3之X1-X2方向之兩端向外部離開之方向延伸。於圖10所示之實施形態中亦為，感溫膜3形成於基體2之表面整體，且感溫膜3具有圖案7，圖案7之寬度在配線構件4、5之連接區域側比基體2之中央窄。藉此，可擴大感測區域，且可增大於配線構件4、5之連接部位附近之發熱，而可抑制感測區域中之溫度分佈不均，可謀求感測感度之大致均勻化。尤其，可謀求提高繞軸360度(X1-X2方向之周圍360度)之無指向性。又，於圖10所示之實施形態中，與圖1所示之實施形態不同，無需於基體2設置貫通孔9。 於本實施形態中，作為感測元件1，列舉風感測元件為例，但亦可為能進行液體之流速檢測之感測元件。 [產業上之可利用性]

根據本發明，可抑制感測區域中之溫度分佈之不均，可製造無指向性且感測感度優異之感測元件。因此，可較佳地應用於流體之方向非恆定之用途。於本發明中，不論室外及室內均可使用感測元件。若於本發明之感測元件，配置LED(Light Emitting Diode：發光二極體)等發光元件，而構成為於檢測到風之情形時發光，則亦可應用於照明用等。又，亦可將本發明之感測元件應用於實驗用、分析用等。

本申請案基於2021年5月20日申請之日本專利特願2021-085160。其內容全部包含於此處。

1:感測元件 2:基體 3:感溫膜 4:第1配線構件 4a:端部 5:第2配線構件 6:修整線 7:圖案 7a:第1圖案 7b:第2圖案 7c:第3圖案 8:連接區域 9:貫通孔 10:保護膜 11:支架 12:圖案 13:導電膜 14:溫度補償用電阻元件 26,27:電阻器 28:橋接電路 29:第1串聯電路 30:第2串聯電路 31:輸出部 32:輸出部 33:差動放大器 34:反饋電路 T1～T4:寬度 X1-X2:方向

圖1係本實施形態之感測元件之側視圖。 圖2係圖1所示之感測元件之剖視圖。 圖3係本實施形態之感測元件之前視圖。 圖4係於圖1所示之感測元件設置有被覆膜之狀態之感測元件之側視圖。 圖5係本實施形態之感測元件之電路圖(一例)。 圖6係於圖8(a)之模擬實驗中使用之與圖1不同之實施形態(實施例2)之感測元件之側視圖。 圖7係比較例之感測元件之側視圖。 圖8(a)係實施例1、2及比較例之溫度分佈之模擬結果(計算值)，(b)係實施例1之實測值。 圖9係顯示本實施形態之感測元件之變化例之側視圖。 圖10係顯示本實施形態之感測元件之變化例之側視圖。

1:感測元件

3:感溫膜

4:第1配線構件

5:第2配線構件

6:修整線

7:圖案

7a:第1圖案

7b:第2圖案

7c:第3圖案

8:連接區域

13:導電膜

T1~T3:寬度

X1-X2:方向

Claims (3)

1. 一種感測元件，其特徵在於具有： 基體； 感溫膜，其形成於上述基體之表面整體，且電阻值根據溫度變化而變化；及 配線構件，其連接於上述感溫膜之兩端；且 上述感溫膜具備與上述配線構件之連接區域、及自各連接區域向上述基體之中央延伸之圖案， 上述圖案之剖面積在上述連接區域側形成得比上述基體之中央小。
2. 如請求項1之感測元件，其中上述圖案之寬度係上述連接區域側比上述基體之中央小。
3. 如請求項1或2之感測元件，其中上述基體為球體。