JP2018141664A

JP2018141664A - フローセンサ

Info

Publication number: JP2018141664A
Application number: JP2017034868A
Authority: JP
Inventors: 康弘小木曽; Yasuhiro Ogiso
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2017-02-27
Filing date: 2017-02-27
Publication date: 2018-09-13

Abstract

【課題】流量が大きくても感度を持つ。
【解決手段】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。
【選択図】図１

Description

この発明は、流量を測定するフローセンサに関する。

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（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）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。

米国特許出願公開第２０１０／００８９１１８号明細書

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。

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。

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。

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。

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。図２Ａ〜図２Ｄは、この発明の実施の形態１に係るフローセンサの効果を説明する図であって、図２Ａ、図２Ｂは従来のフローセンサの場合を示す図であり、図２Ｃ、図２Ｄは実施の形態１に係るフローセンサの場合を示す図である。この発明の実施の形態１に係るフローセンサの別の構成例を示す図である。この発明の実施の形態１に係るフローセンサの別の構成例を示す図である。この発明の実施の形態１に係るフローセンサの別の構成例を示す図である。この発明の実施の形態１に係るフローセンサの別の構成例を示す図である。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。従来のフローセンサの特性を示す図である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims

一方向に配線されたヒータと、
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。
前記複数の温接点は、直線状に配置された
ことを特徴とする請求項１記載のフローセンサ。
前記複数の温接点は、前記ヒータの配線方向に対して斜めに配置された
ことを特徴とする請求項１記載のフローセンサ。
前記複数の温接点は、ジグザグに配置された
ことを特徴とする請求項１記載のフローセンサ。
前記サーモパイルは、二段設けられた
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。
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、不等間隔で配置された
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。
前記サーモパイルは、前記ヒータに対して対称に配線された
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。
一方向に配線されたヒータと、
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。