JP2018141664A - Flow sensor - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、流量を測定するフローセンサに関する。 The present invention relates to a flow sensor for measuring a flow rate.
従来から、測定対象(気体等)の流量を測定するセンサとして、サーモパイルを用いたMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)フローセンサ(以下、フローセンサと称す)が知られている(例えば特許文献1参照)。このフローセンサでは、MEMS加工により半導体基板にキャビティーを形成し、その上方にヒータとサーモパイルが有する複数の温接点とを平行に配置している。 2. Description of the Related Art Conventionally, a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) flow sensor (hereinafter referred to as a flow sensor) using a thermopile is known as a sensor for measuring a flow rate of a measurement target (gas or the like) (see, for example, Patent Document 1). . In this flow sensor, a cavity is formed in a semiconductor substrate by MEMS processing, and a heater and a plurality of hot junctions of the thermopile are arranged in parallel above the cavity.
従来のフローセンサでは、複数の温接点がヒータに対して平行に配置されている。しかしながら、この場合、測定対象の流量が大きいとフローセンサの出力が飽和してしまうため、フローセンサが感度を持つ流量レンジが限られるという課題がある。すなわち、図8に示すように、測定対象の流量が増えるにつれ、出力が飽和し、傾きが小さくなって直線性が崩れる。 In a conventional flow sensor, a plurality of hot junctions are arranged in parallel to the heater. However, in this case, since the output of the flow sensor is saturated when the flow rate to be measured is large, there is a problem that the flow range in which the flow sensor has sensitivity is limited. That is, as shown in FIG. 8, as the flow rate of the measurement object increases, the output saturates, the slope becomes smaller, and the linearity is lost.
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、流量が大きくても感度を持つフローセンサを提供することを目的としている。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a flow sensor having sensitivity even when the flow rate is large.
この発明に係るフローセンサは、一方向に配線されたヒータと、複数の温接点を有し、ヒータを挟んで両側に配線されたサーモパイルとを備え、複数の温接点は、ヒータの配線方向に対して垂直な方向において、当該ヒータからの距離が異なる複数点に配置されたことを特徴とする。 The flow sensor according to the present invention includes a heater wired in one direction and a plurality of hot contacts, and a thermopile wired on both sides across the heater, and the plurality of hot contacts are arranged in the wiring direction of the heater. It is characterized in that it is arranged at a plurality of points at different distances from the heater in a direction perpendicular to the heater.
この発明によれば、上記のように構成したので、流量が大きくても感度を持つことができる。 According to this invention, since it comprised as mentioned above, it can have a sensitivity even if the flow volume is large.
以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1に係るフローセンサの構成例を示す図である。
フローセンサは、測定対象(気体等)の流量を測定するセンサである。このフローセンサでは、図1に示すように、半導体基板1上に、MEMS加工によりキャビティー2が形成されている。また、半導体基板1上には、薄膜状の絶縁層3が設けられている。これにより、絶縁層3のキャビティー2に対向する領域(ブリッジ部4)は、キャビティー2により半導体基板1から断熱される。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a flow sensor according to Embodiment 1 of the present invention.
The flow sensor is a sensor that measures the flow rate of a measurement target (gas or the like). In this flow sensor, as shown in FIG. 1, a
また、ブリッジ部4上には、中央部に、一方向に配線されたヒータ5が設けられている。また、ヒータ5を挟んで両側(上流側と下流側)には、それぞれ温度センサ6が設けられている。なお、両側の温度センサ6は、ヒータ5に対して対称であることが望ましい。実施の形態1に係るフローセンサでは、温度センサ6として、サーモパイル6aを用いた場合を示している。
On the
サーモパイル6aは、複数の熱電対61が直列接続されて構成される。熱電対61は、異種材料から成る第1,2の細線611,612が接続されることで構成される。第1,2の細線611,612の材料としては、半導体プロセスで扱うことができ且つ起電力が大きくなる組合わせの材料が望ましく、例えばポリシリコンとアルミニウムの組合わせが挙げられる。複数の熱電対61は、ブリッジ部4の縁を横切るようにして第1,2の細線611,612が交互且つ平行(略平行の意味を含む)に配線されて直列接続される。なお、第1,2の細線611,612の本数は、ブリッジ部4の面積及び半導体プロセスに応じて適宜設計される。
そして、ブリッジ部4内における第1の細線611と第2の細線612との接続点により温接点613が構成され、ブリッジ部4外における第1の細線611と第2の細線612との接続点により冷接点614が構成される。サーモパイル6aが有する複数の温接点613は、ヒータ5の配線方向に対して垂直な方向において、ヒータ5からの距離が異なる複数点に配置される。図1の例では、複数の温接点613は、直線状に配置されている。
The
A
ここで、冷接点614は、半導体基板1上に配置されているため、熱容量が大きく、測定対象が接触しても温度は変化し難い。一方、温接点613は、半導体基板1から断熱されたブリッジ部4上に配置されているため、熱容量が小さく、測定対象が接触すると温度が変化し易い。熱電対61では、この温接点613と冷接点614との温度差を電圧として検出する。なお、サーモパイル6aでは、複数の熱電対61が直列接続されているため、各熱電対61で検出された電圧の積算値が得られる。
Here, since the
ここで、ヒータ5により所定温度高くなるように熱を発生すると、測定対象の流れが無い場合には、ヒータ5の両側の温度分布は対称となり、上流側に配置された温度センサ6と下流側に配置された温度センサ6で検出される温度は等しくなる。一方、測定対象の流れが生じると、ヒータ5の両側の温度分布の対称性が崩れ、上流側に配置された温度センサ6で検出される温度は低下し、下流側に配置された温度センサ6で検出される温度は上昇する。よって、フローセンサでは、この温度差を検出することで、流れに応じた電気出力を得られ、測定対象の流量を測定できる。
Here, when heat is generated by the
次に、実施の形態1に係るフローセンサの効果について、図2を参照しながら説明する。
従来のフローセンサでは、複数の温接点613が、ヒータ5の配線方向に対して平行に配置されている。そのため、図2A、図2Bに示すように、測定対象の流れ方向(ヒータ5の配線方向に対して垂直な方向)における各温度センサ6の測定点はそれぞれ1点である。この場合、図2Bに示すように測定対象の流量が大きくなると、上流側に配置された温度センサ6ではヒータ5により加熱された測定対象の寄与がほとんどなく、逆に下流側に配置された温度センサ6ではヒータ5により加熱された測定対象で均一に覆われてしまう。そのため、高流量では測定ができず、流量レンジに限りがある。
一方、実施の形態1に係るフローセンサでは、複数の温接点613が、ヒータ5の配線方向に対して垂直な方向において、ヒータ5からの距離が異なる複数点に配置されている。そのため、図2C、図2Dに示すように、測定対象の流れ方向における各温度センサ6の測定点はそれぞれ複数点ある。このように、複数の温接点613が測定対象の流れ方向に広がって配置されている場合、当該流れ方向での温度分布の微妙な変化を捉えることができるため、測定対象の流量が大きくても測定可能となる。よって、測定対象の流量の大小に関わらず感度を持たせることができる。
Next, the effect of the flow sensor according to Embodiment 1 will be described with reference to FIG.
In the conventional flow sensor, a plurality of
On the other hand, in the flow sensor according to the first embodiment, the plurality of
なお、温度センサ6をヒータ5に対して対称に配線することで、測定対象の流れが無い場合に、起電力を零とすることができる。
In addition, when the
また図1では、複数の温接点613を直線状に配置した場合を示した。しかしながら、これに限らず、複数の温接点613は、ヒータ5の配線方向に対して垂直な方向において、ヒータ5からの距離が異なる複数点に配置されていればよい。
例えば、図3に示すように、複数の温接点613を、ヒータ5の配線方向に対して斜めに配置してもよい。また、図4に示すように、複数の温接点613を、ジグザグに配置してもよい。図3,4に示す構成でも、図1に示す構成と同様の効果を得られる。
Moreover, in FIG. 1, the case where the some
For example, as shown in FIG. 3, the plurality of
また、図5に示すように、サーモパイル6aを二段設けてもよい。これにより、図1に示す構成に対して起電力を増大できる。
また、図6に示すように、複数の温接点613を、ヒータ5の配線方向に対して垂直な方向において、不等間隔で配置してもよい。この際、複数の温接点613を、測定対象の流量に対する出力の直線性が良好となるような間隔で配置する。これにより、測定対象の流量に対する出力の直線性を保ち、大きな流量であっても精度の高い出力が得られる。
また、図1〜6に示す配置を組合わせてもよい。
Further, as shown in FIG. 5, two
Further, as shown in FIG. 6, a plurality of
Moreover, you may combine the arrangement | positioning shown in FIGS.
以上のように、この実施の形態1によれば、一方向に配線されたヒータ5と、複数の温接点613を有し、ヒータ5を挟んで両側に配線されたサーモパイル6aとを備え、複数の温接点613は、ヒータ5の配線方向に対して垂直な方向において、ヒータ5からの距離が異なる複数点に配置されたので、流量が大きくても感度を持つことができる。
As described above, according to the first embodiment, the
実施の形態2.
実施の形態1では、温度センサ6としてサーモパイル6aを用いた場合を示した。それに対し、実施の形態2では、温度センサ6として抵抗センサ6bを用いた場合を示す。
図7はこの発明の実施の形態2に係るフローセンサの構成例を示す図である。この図7に示す実施の形態2に係るフローセンサでは、図1に示す実施の形態1に係るフローセンサのサーモパイル6aを抵抗センサ6bに変更している。その他の構成は同様であり、同一の符号を付して異なる部分についてのみ説明を行う。
In Embodiment 1, the case where the
FIG. 7 is a diagram showing a configuration example of a flow sensor according to
抵抗センサ6bは、ヒータ5を挟んで両側にそれぞれ設けられている。なお、両側の抵抗センサ6bは、ヒータ5に対して対称であることが望ましい。この抵抗センサ6bは、ブリッジ部4内において、ゲージ長方向がヒータ5の配線方向に対して垂直な方向に伸びて配線されている。この抵抗センサ6bの材質としては、例えば白金が挙げられる。
なお、抵抗センサ6bは温度により抵抗値が変化する。よって、温度センサ6として抵抗センサ6bを用いた場合には、上流側に配置された抵抗センサ6bと下流側に配置された抵抗センサ6bの抵抗値の比から、測定対象の流量を測定可能である。
The
The resistance value of the
このように、温度センサ6として抵抗センサ6bを用いる場合であっても、抵抗センサ6bのゲージ長方向を、気体の流れ方向に広く取ることで、実施の形態1と同様の効果が得られる。
Thus, even when the
なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。 In the present invention, within the scope of the invention, any combination of the embodiments, or any modification of any component in each embodiment, or omission of any component in each embodiment is possible. .
1 半導体基板
2 キャビティー
3 絶縁層
4 ブリッジ部
5 ヒータ
6 温度センサ
6a サーモパイル
6b 抵抗センサ
61 熱電対
611 第1の細線
612 第2の細線
613 温接点
614 冷接点
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (8)
複数の温接点を有し、前記ヒータを挟んで両側に配線されたサーモパイルとを備え、
前記複数の温接点は、前記ヒータの配線方向に対して垂直な方向において、当該ヒータからの距離が異なる複数点に配置された
ことを特徴とするフローセンサ。 A heater wired in one direction;
A thermopile having a plurality of hot junctions and wired on both sides across the heater,
The plurality of hot junctions are arranged at a plurality of points at different distances from the heater in a direction perpendicular to the wiring direction of the heater.
ことを特徴とする請求項1記載のフローセンサ。 The flow sensor according to claim 1, wherein the plurality of hot junctions are arranged linearly.
ことを特徴とする請求項1記載のフローセンサ。 The flow sensor according to claim 1, wherein the plurality of hot junctions are arranged obliquely with respect to a wiring direction of the heater.
ことを特徴とする請求項1記載のフローセンサ。 The flow sensor according to claim 1, wherein the plurality of hot junctions are arranged in a zigzag manner.
ことを特徴とする請求項1から請求項4のうちのいずれか1項記載のフローセンサ。 The flow sensor according to any one of claims 1 to 4, wherein the thermopile is provided in two stages.
ことを特徴とする請求項1から請求項5のうちのいずれか1項記載のフローセンサ。 The flow sensor according to any one of claims 1 to 5, wherein the plurality of hot junctions are arranged at unequal intervals in a direction perpendicular to a wiring direction of the heater. .
ことを特徴とする請求項1から請求項6のうちのいずれか1項記載のフローセンサ。 The flow sensor according to any one of claims 1 to 6, wherein the thermopile is wired symmetrically with respect to the heater.
前記ヒータを挟んで両側に配線された抵抗センサとを備え、
前記抵抗センサのゲージ長方向は、前記ヒータの配線方向に対して垂直な方向に伸びて配線された
ことを特徴とするフローセンサ。 A heater wired in one direction;
A resistance sensor wired on both sides of the heater,
The flow sensor is characterized in that the gauge length direction of the resistance sensor is wired extending in a direction perpendicular to the wiring direction of the heater.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2019078087A1 (en) * | 2017-10-20 | 2019-04-25 | オムロン株式会社 | Flow sensor |
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| JP2000304584A (en) * | 1999-04-19 | 2000-11-02 | Yazaki Corp | Micro flow sensor |
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| JP2015017903A (en) * | 2013-07-11 | 2015-01-29 | 日立オートモティブシステムズ株式会社 | Thermal flowmeter |
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2017
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