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JP2019138780A - Heat type flow sensor - Google Patents

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JP2019138780A
JP2019138780A JP2018022614A JP2018022614A JP2019138780A JP 2019138780 A JP2019138780 A JP 2019138780A JP 2018022614 A JP2018022614 A JP 2018022614A JP 2018022614 A JP2018022614 A JP 2018022614A JP 2019138780 A JP2019138780 A JP 2019138780A
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JP
Japan
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thin film
temperature
fluid
measured
heater
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Pending
Application number
JP2018022614A
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Japanese (ja)
Inventor
木村 光照
Mitsuteru Kimura
光照 木村
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Individual
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Abstract

【課題】被測定流体の流れの計測で、ヒータ25がある薄膜10に、高感度で高精度となる小型で単純構造の2つの温度センサを配した熱型フローセンサチップとこれを搭載する小型で安価な熱型フローセンサの提供と、被測定流体の流れ方向と種類も特定できるようにする。
【解決手段】基板1から空洞40により熱分離される半導体薄膜を架橋構造にし、薄膜10の中央部にヒータを配し、ヒータを挟んで流れの方向の両側に、熱抵抗部45を介して、対称な位置に薄膜領域Aと薄膜領域Bと、これらにそれぞれ第1の熱電対20Aと第2の熱電対20Bと、それぞれの温接点81Aと温接点81Bを形成し、ヒータで加熱される構造とし、直列接続をして温度差信号を外部に二端子として取り出す。出力電圧の正負から流れ方向を特定。温度可変手段250を備えてヒータの温度を変化させ、各種熱伝導率の流体に関する予め用意してあるデータと比較して流体の種類を特定する。
【選択図】図1
A thermal flow sensor chip in which two temperature sensors having a small and simple structure with high sensitivity and high accuracy are arranged on a thin film 10 with a heater 25 for measuring the flow of a fluid to be measured, and a small size on which the thermal flow sensor chip is mounted. And an inexpensive thermal flow sensor, and the flow direction and type of the fluid to be measured can be specified.
A semiconductor thin film thermally separated from a substrate by a cavity is made into a bridge structure, a heater is arranged at the center of the thin film, and a heat resistance part is interposed on both sides in the flow direction across the heater. The thin film region A and the thin film region B are formed at symmetrical positions, and the first thermocouple 20A and the second thermocouple 20B are formed on the thin film region A and the thin film region B, respectively. The structure is connected in series, and the temperature difference signal is taken out as two terminals to the outside. The flow direction is specified from the positive and negative output voltages. A temperature variable means 250 is provided to change the temperature of the heater, and the type of fluid is specified by comparison with data prepared in advance regarding fluids having various thermal conductivities.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、気体や液体である流体の流量、流速などの流れを計測する熱型のフローセンサに関するものである。基板から熱分離した薄膜の中央部にヒータを配し、このヒータを挟んで両側に流れの方向に薄膜熱電対の温度センサを備えてある熱型フローセンサチップと、これを搭載して流れの方向や流体の種類も判別できる小型で単純構造かつ高感度で安価な熱型フローセンサを提供する。 The present invention relates to a thermal type flow sensor that measures a flow such as a flow rate and a flow rate of a fluid that is a gas or a liquid. A thermal flow sensor chip that has a thin film thermocouple temperature sensor in the direction of flow on both sides of the heater, and a heater on the center of the thin film thermally separated from the substrate. Provided is a thermal flow sensor that is small, has a simple structure, is highly sensitive, and is inexpensive, and that can determine the direction and type of fluid.

従来、基板に形成した空洞を橋架する架橋構造で、この基板から熱分離した宙に浮いた薄膜の橋を3個溝に沿って対称に形成し、それぞれには白金薄膜が形成してあり、中央の薄膜橋をヒータとして利用し、両側の薄膜橋を温度センサとして利用する熱伝導型センサとしてのガスフローセンサがあった(特許文献1、2)。これは、流路に沿ったガスの流れがないときには、中央のヒータを中心に対称にある両側の薄膜橋の温度は等しいが、ガスの流れがあると、上流側の薄膜橋では、環境温度の冷たいガスが流れるので冷え、下流側では、中央のヒータ薄膜橋からの熱を受けて温度上昇する。このようにガスの流れにより、ヒータの両側の薄膜橋に温度差が生じるので、これを利用してガス流を計測する方法である。しかしながら、白金薄膜などの抵抗温度センサでは、絶対温度センサであるために抵抗そのものが、絶対温度に対応する。従って、温度差を計測するには絶対温度センサを2個用意し、これらの出力の差を求める必要があり、抵抗温度センサの微妙な形状の違いで特性がばらつくなどのことから、微細な温度差計測には、誤差が大きく不向きであった。 Conventionally, it is a bridge structure that bridges the cavity formed in the substrate, and three thin film bridges suspended in the air thermally separated from this substrate are formed symmetrically along the groove, each of which is formed with a platinum thin film, There has been a gas flow sensor as a heat conduction type sensor using a thin film bridge in the center as a heater and thin film bridges on both sides as a temperature sensor (Patent Documents 1 and 2). This is because when there is no gas flow along the flow path, the temperatures of the thin film bridges on both sides that are symmetrical about the central heater are equal, but when there is a gas flow, As the cold gas flows, it cools, and on the downstream side, the temperature rises by receiving heat from the central heater thin film bridge. In this way, the gas flow causes a temperature difference between the thin film bridges on both sides of the heater, and this is a method for measuring the gas flow using this. However, since a resistance temperature sensor such as a platinum thin film is an absolute temperature sensor, the resistance itself corresponds to the absolute temperature. Therefore, in order to measure the temperature difference, it is necessary to prepare two absolute temperature sensors, and to obtain the difference between these outputs, and because the characteristics vary due to subtle differences in the shape of the resistance temperature sensor, the minute temperature The difference measurement was unsuitable for the large error.

また、従来の熱型フローセンサでは、多くの場合、白金薄膜をヒータ兼絶対温度センサとして使用していた。従って、ヒータとしても細い薄膜の抵抗温度係数が正である白金膜を用いているので、温度が抵抗の高い個所に集中して断線しやすく、経時変化が大きく、更に絶対温度センサであるため周囲温度の影響がそのまま反映するので、周囲温度補正が困難であり、それを達成するために、多くのセンサとそれによる温度制御系を必要とし、高価なフローセンサにならざるを得なかった。 Further, in the conventional thermal type flow sensor, in many cases, a platinum thin film is used as a heater and an absolute temperature sensor. Therefore, since a platinum film with a positive resistance temperature coefficient of a thin thin film is used as a heater, the temperature tends to concentrate at a location where the resistance is high, the wire is easily disconnected, and the change over time is large. Since the influence of the temperature is reflected as it is, it is difficult to correct the ambient temperature. In order to achieve this, many sensors and a temperature control system based on the sensors are required, and the flow sensor must be an expensive flow sensor.

一般に、基板から熱分離のために宙に浮いた薄膜を使用すると、加熱された薄膜は、加熱を止めるとニュートンの冷却の法則により、周囲環境温度Trである基板の温度(加熱される前の周囲温度)と加熱された薄膜の温度Tとの温度差(T-Tr)に比例して放熱して冷却され、最終的には基板の温度に等しくなる。このように、加熱された物体の温度が周囲媒体へ熱伝導して、周囲媒体の熱伝達率に関係して温度上昇したり、温度降下したりする。温度センサの温度変化を計測して周囲媒体の物理的状態、例えば、流速、流量、真空度、気圧などを計測するために用いる熱伝導型センサでは、周囲温度Trと考えてよい基板の温度と加熱された薄膜の温度Tとの温度差が、その絶対温度よりも重要である。このように、温度差を計測するには、白金抵抗体やサーミスタなどの絶対温度センサよりも、温度差のみを出力する小型の温度差センサである熱電対やサーモパイルが、周囲温度の変化の影響をほとんど受けずに計測できるために、好適である。 In general, when a thin film suspended in the air for thermal separation from the substrate is used, the heated thin film is subjected to Newton's cooling law when the heating is stopped. It is cooled by releasing heat in proportion to the temperature difference (T-Tr) between the ambient temperature and the temperature T of the heated thin film, and finally becomes equal to the temperature of the substrate. In this way, the temperature of the heated object conducts heat to the surrounding medium, and the temperature rises or falls in relation to the heat transfer coefficient of the surrounding medium. In a heat conduction sensor used to measure a temperature change of a temperature sensor and measure a physical state of the surrounding medium, for example, a flow rate, a flow rate, a vacuum degree, an atmospheric pressure, etc., the substrate temperature that can be considered as the ambient temperature Tr The temperature difference from the temperature T of the heated thin film is more important than the absolute temperature. In this way, the temperature difference is measured by a thermocouple or thermopile, which is a small temperature difference sensor that outputs only the temperature difference, rather than the absolute temperature sensor such as a platinum resistor or thermistor. It is preferable because it can be measured with almost no exposure.

本発明者は、先に、温度差センサである熱電対を用いたガスフローセンサと不純物濃度センサを発明した(特許文献3)。また、先に、やはり、熱電対を温度差のみを計測することができる温度センサとしてセンシングユニットとこれを搭載した熱型フローセンサを発明した(特許文献4)。これらの熱型フローセンサでは、ヒータを流体の流れ方向に対して、空洞が延びているが、その空洞の流れ方向に沿う基板の側面を支持部としてカンチレバ状に飛び出したSOI薄膜に温度センサやヒータを形成していた。そして、中央にはヒータのカンチレバ状薄膜、その両側には、近接して流れの上流側と下流側に同等に形成されたカンチレバ状の薄膜に熱電対を形成して配置してあるが、ヒータのカンチレバ状薄膜と温度センサを形成した薄膜とは、支持部を除いて連結していないので、カンチレバ状のヒータ(そこでは、熱電対をヒータとしても利用できるようにしている)からの熱は、被測定流体である気体などの周囲流体を通してのみ熱伝導されて、ヒータの両側で上流側と下流側に配置した温度センサをもつ薄膜が熱せられるようにしていた。このために、流体の流れにより上流側の温度センサのあるカンチレバ状薄膜は、冷却され、下流側の温度センサのあるカンチレバ状薄膜は、ヒータからの熱を受けて温度上昇することで、流体の温度のみにより高感度に流体の流れを計測することができた。しかしながら、周囲流体の温度が変わったときに、流体の熱伝達率が変わり、折角、温度センサとして温度差センサである熱電対を設けても、流体の熱伝達率の温度依存性のために、ヒータを同一の電力で加熱した場合や同一の基板からの温度差になるように制御しながら加熱した場合でも、その流体自体の温度変動により温度差出力が異なり、温度補正が複雑になるという問題があった。もちろん、流体の種類を変更するとその熱伝達率が異なるので、その流体の種類による影響も大きいという問題があった。 The inventor previously invented a gas flow sensor and an impurity concentration sensor using a thermocouple which is a temperature difference sensor (Patent Document 3). In addition, a sensing unit and a thermal flow sensor equipped with the sensing unit were invented as a temperature sensor that can measure only the temperature difference of the thermocouple (Patent Document 4). In these thermal type flow sensors, the heater has a cavity extending in the fluid flow direction, but the temperature sensor and the SOI thin film that protrudes like a cantilever using the side surface of the substrate along the flow direction of the cavity as a support portion. A heater was formed. And the cantilever-like thin film of the heater is arranged in the center, and the thermocouple is formed on both sides of the cantilever-like thin film that is formed on the upstream side and the downstream side of the flow. Since the cantilever-like thin film and the thin film on which the temperature sensor is formed are not connected except for the support portion, the heat from the cantilever-like heater (where a thermocouple can also be used as a heater) The thin film having temperature sensors arranged on the upstream side and the downstream side on both sides of the heater is heated only through an ambient fluid such as a gas to be measured. For this reason, the cantilevered thin film with the temperature sensor on the upstream side is cooled by the flow of the fluid, and the cantilevered thin film with the temperature sensor on the downstream side rises in temperature by receiving heat from the heater. It was possible to measure the flow of fluid with high sensitivity only by temperature. However, when the temperature of the surrounding fluid changes, the heat transfer coefficient of the fluid changes, and even if a thermocouple that is a temperature difference sensor is provided as a temperature sensor, due to the temperature dependence of the heat transfer coefficient of the fluid, Even if the heater is heated with the same power or heated to control the temperature difference from the same substrate, the temperature difference output varies depending on the temperature fluctuation of the fluid itself, and the temperature correction becomes complicated. was there. Of course, when the type of fluid is changed, the heat transfer coefficient differs, so that there is a problem that the influence of the type of fluid is large.

従来、流体の流れによるヒータの前後の温度差を計測するのに、その温度差のみを計測するために、同一の空洞に形成してある同一の薄膜にサーモパイルを、ヒータを上流側と下流側に対称に形成配置して、流体の熱伝達率の温度依存性を結果的に小さくしたフローセンサがあった(特許文献5)。しかし、これらの例では、温度差出力を増幅するためにサーモパイルを使用していたために、センサ部分の領域が大きくならざるを得なかったこと、多くの冷接点を形成するために、ダイアフラム構造にして、基板との接合面積を大きくせざるを得なかったので、折角のヒータからの熱が基板側に流れてしまい温度低下を招くと共に、温度センサ領域に温度分布を有してしまうという問題があった。 Conventionally, in order to measure the temperature difference before and after the heater due to the flow of fluid, in order to measure only the temperature difference, the thermopile is applied to the same thin film formed in the same cavity, and the heater is connected to the upstream side and the downstream side. There is a flow sensor in which the temperature dependence of the heat transfer coefficient of the fluid is reduced as a result (Patent Document 5). However, in these examples, since the thermopile was used to amplify the temperature difference output, the area of the sensor part had to be large, and in order to form many cold junctions, a diaphragm structure was used. As a result, it has been necessary to increase the bonding area with the substrate, so that the heat from the broken heater flows to the substrate side, resulting in a temperature drop and a temperature distribution in the temperature sensor region. there were.

従来、熱型フローセンサにおいて、被測定流体の流速や流量などを計測する場合に、被測定流体の種類を事前に知っておく必要があった。その場合、特定の標準の被測定流体(標準ガス)、例えば、気体の場合は、窒素ガスの20℃、1気圧での熱伝達率などの基本データを利用して表示される熱型フローセンサの流速や流量などの出力値を、被測定流体の種類が標準ガスと異なり変更になった場合は、その被測定流体の温度や気圧における熱伝達率などの既知の基本データを利用して、熱型フローセンサの流速や流量などの出力値を校正していた。熱伝達率の大きいヘリウムガスや水素ガスなどの流量(例えば、質量流量)の計測では、標準ガスとしての窒素ガスから大きく表示がずれてしまい、どうしても、校正をする必要があった。この状況は、熱伝導型センサとしての熱型気圧センサにおいても同様で、計測に被測定流体の熱伝達率が関与している以上、被測定流体のガスの種類を事前に知り、出力値を校正する必要があった。このように、被測定流体のガスの種類を事前に知らなくとも自動校正できる熱伝導型センサが望まれていた。 Conventionally, in a thermal flow sensor, it is necessary to know in advance the type of fluid to be measured when measuring the flow velocity or flow rate of the fluid to be measured. In that case, a thermal flow sensor displayed using basic data such as a specific standard fluid to be measured (standard gas), for example, heat transfer coefficient of nitrogen gas at 20 ° C. and 1 atm in the case of gas. If the type of fluid to be measured is changed from the standard gas, the output values such as the flow velocity and flow rate of the sensor are changed using the known basic data such as the heat transfer coefficient at the temperature and pressure of the fluid to be measured. The output values such as flow velocity and flow rate of the thermal flow sensor were calibrated. In the measurement of the flow rate (for example, mass flow rate) of helium gas or hydrogen gas having a high heat transfer coefficient, the display is greatly deviated from the nitrogen gas as the standard gas, and it is necessary to calibrate it. This situation is the same for the thermal pressure sensor as a heat conduction sensor.Because the heat transfer coefficient of the fluid to be measured is involved in the measurement, know the type of gas of the fluid to be measured in advance and determine the output value. There was a need to calibrate. Thus, a heat conduction type sensor that can automatically calibrate without knowing in advance the type of gas of the fluid to be measured has been desired.

US004478077公報US004478077 特表2004−514153公報Special Table 2004-514153 特開2009−128254公報JP 2009-128254 A 特開2010−230601公報JP 2010-230601 A 特開2001−165731公報JP 2001-165731 A

本発明は、上述の問題点を解決するためになされたもので、気体や液体の被測定流体の流れ(主に流速や流量)を計測するに当り、ヒータ(25)が配置されている薄膜(10)に、高感度で高精度となる小型で単純構造の2つの温度センサを配した熱型フローセンサチップとこれを搭載して、高感度で、小型、単純構造かつ安価な熱型フローセンサを提供すること、更に、被測定流体の流れの方向と種類も特定できるように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 is a thin film in which a heater (25) is arranged in measuring the flow (mainly the flow velocity or flow rate) of a fluid to be measured such as a gas or a liquid. (10) is equipped with a thermal flow sensor chip that has two small and simple temperature sensors with high sensitivity and high accuracy, and a thermal flow sensor chip with high sensitivity, small size, simple structure, and low cost. An object of the present invention is to provide a sensor and to specify the flow direction and type of a fluid to be measured.

上記の目的を達成するために、本発明の請求項1に係わる熱型フローセンサチップは、基板1から空洞40により熱分離されている半導体薄膜を主材料とした薄膜10は、架橋構造であること、該薄膜10の中央部にはヒータ25があること、該ヒータ25を挟んで被測定流体の流れの方向の両側に、前記ヒータ25から熱抵抗部45を介して、同一の薄膜10の中で対称な位置に薄膜領域Aと薄膜領域Bが形成されていること、これらの薄膜領域Aと薄膜領域Bに、前記薄膜10を共通の熱電材料とした第1の熱電対20Aと第2の熱電対20Bのそれぞれの温接点81Aと温接点81Bがそれぞれ配置され、前記ヒータ25から熱を受け取り加熱される構造であること、前記第1の熱電対20Aと第2の熱電対20Bとを、これらの温度差が検出できるように直列接続して、外部に二端子として取り出すようにしたこと、を特徴とするものである。 In order to achieve the above object, in the thermal type flow sensor chip according to claim 1 of the present invention, the thin film 10 mainly composed of a semiconductor thin film thermally separated from the substrate 1 by the cavity 40 has a crosslinked structure. In addition, there is a heater 25 at the center of the thin film 10, and the same thin film 10 is passed from the heater 25 via the thermal resistance portion 45 on both sides of the flow of the fluid to be measured across the heater 25. The thin film region A and the thin film region B are formed at symmetrical positions, and the first thermocouple 20A and the second thermocouple 20A that use the thin film 10 as a common thermoelectric material in the thin film region A and the thin film region B. Each of the hot junctions 81A and the hot junctions 81B of the thermocouple 20B has a structure in which heat is received from the heater 25 and heated, and the first thermocouple 20A and the second thermocouple 20B are These temperatures There are connected in series so as to be able to detect, that they were taken out as external to the two-terminal, and is characterized in.

本発明の熱型フローセンサチップでは、基板1からの熱分離されている薄膜10として架橋構造を用いている。これは、薄膜10をダイアフラムで構成すれば、基板1へのヒータ25からの熱伝導が大きく、薄膜10の温度が上がり難いという理由であり、また、カンチレバ型にすると、被測定流体が液体でなく、気体であっても流速が大であると破壊されやすいという理由による。これに対して、架橋構造の薄膜10は、その狭い支持部から主に基板1に熱が少しだけ逃げるが、ヒータの温度が上がり易いので、消費電力が小さく済み、両端支持であるので、機械的強度もカンチレバに比べて大であることによる。 In the thermal type flow sensor chip of the present invention, a crosslinked structure is used as the thin film 10 that is thermally separated from the substrate 1. This is because if the thin film 10 is formed of a diaphragm, the heat conduction from the heater 25 to the substrate 1 is large, and the temperature of the thin film 10 is difficult to rise. If the cantilever type is used, the fluid to be measured is liquid. This is because even if it is a gas, if the flow rate is high, it is easily destroyed. On the other hand, the thin film 10 having a bridge structure allows heat to escape from the narrow support part mainly to the substrate 1 only slightly, but the heater temperature tends to rise, so that power consumption is small and both ends are supported. This is because the mechanical strength is also larger than that of cantilever.

ヒータ25を挟んで、被測定流体の流れに沿って空間的に対称な位置に薄膜領域Aと薄膜領域Bを同一の薄膜10の中に熱抵抗部45を介して形成してあり、これらの薄膜領域Aには、第1の熱電対20Aの温接点81Aが、薄膜領域Bには、同様に第2の熱電対20Bの温接点81Bが形成されている。そして、例えば、ジュール加熱のヒータ25が50℃程度に加熱されて、被測定流体の流れが無い状態では、薄膜10を介して両側の温接点81Aと温接点81Bを同等に加熱するので、温接点81Aと温接点81Bとは、本来同一の温度に到達する。したがって、このような場合には、例えば、基板1のベース部分(基板1のうち架橋構造部を除いた領域)に形成してある第1の熱電対20Aと第2の熱電対20Bの共通の冷接点82に対しての第1の熱電対20Aと第2の熱電対20Bの差動出力は、ゼロになるはずである。もし、被測定流体の流れが無い状態でも、温接点81Aと温接点81Bの位置に、構造上のずれなどがある場合には、第1の熱電対20Aと第2の熱電対20Bの差動出力は、ゼロにならないので、電子回路的に補正するとよい。 A thin film region A and a thin film region B are formed in the same thin film 10 via a thermal resistance portion 45 at spatially symmetrical positions along the flow of the fluid to be measured with the heater 25 interposed therebetween. In the thin film region A, the hot junction 81A of the first thermocouple 20A is formed, and in the thin film region B, the hot contact 81B of the second thermocouple 20B is formed similarly. For example, when the Joule heater 25 is heated to about 50 ° C. and there is no flow of the fluid to be measured, the hot junction 81A and the hot junction 81B on both sides are heated equally through the thin film 10, so The contact 81A and the warm contact 81B originally reach the same temperature. Therefore, in such a case, for example, the first thermocouple 20A and the second thermocouple 20B formed in the base portion of the substrate 1 (the region excluding the cross-linking structure portion of the substrate 1) are common. The differential output of the first thermocouple 20A and the second thermocouple 20B to the cold junction 82 should be zero. Even if there is no flow of the fluid to be measured, if there is a structural shift in the position of the hot junction 81A and the hot junction 81B, the differential between the first thermocouple 20A and the second thermocouple 20B Since the output does not become zero, it is preferable to correct the output electronically.

基板1として、例えば、SOI(Silicon on Insulator)基板を用いると、単結晶シリコン(Si)薄膜であるSOI層から成る基板1から熱分離した薄膜10を、公知のMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術により、容易に形成することができる。SOI層は、Siの単結晶半導体であるので、この層を薄膜10の主たる構成膜として利用すると良い。 For example, when an SOI (Silicon on Insulator) substrate is used as the substrate 1, a thin film 10 thermally separated from the substrate 1 made of an SOI layer, which is a single crystal silicon (Si) thin film, is converted into a known MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology. Therefore, it can be formed easily. Since the SOI layer is a single crystal semiconductor of Si, this layer is preferably used as a main constituent film of the thin film 10.

Siの単結晶半導体は、その導電タイプ(n型またはp型)やその抵抗率にも依存するが、熱電材料としてのゼーベック係数αが大きく、例えば、n型、抵抗率:0.1Ω・cmでは、約1mV/K程度の極めて大きなゼーベック係数αを有する。したがって、熱電材料として2つの金属から成る熱電対を組合せてサーモパイルを形成するよりは、Siの単結晶半導体薄膜を一方の熱電材料として利用した1個の熱電対で、小型で感度も大きくさせる。したがって、極めて小型の高感度感温部を形成することができる。 The single crystal semiconductor of Si depends on its conductivity type (n-type or p-type) and its resistivity, but has a large Seebeck coefficient α as a thermoelectric material, for example, n-type, resistivity: 0.1 Ω · cm Then, it has a very large Seebeck coefficient α of about 1 mV / K. Therefore, rather than combining a thermocouple made of two metals as a thermoelectric material to form a thermopile, a single thermocouple using a single crystal semiconductor thin film of Si as one thermoelectric material is small and has high sensitivity. Therefore, an extremely small high-sensitivity temperature sensitive part can be formed.

第1の熱電対20Aと第2の熱電対20Bは、例えば、上述のSOI層を主たる材料とした同一の薄膜10の中に、共通のSOI層をそれぞれの一方の熱電材料として形成することができる。上述の薄膜領域Aと薄膜領域Bにそれぞれ形成している第1の熱電対20Aと第2の熱電対20Bのそれぞれの温接点81Aと温接点81Bからそれぞれの他方の熱電材料としての同一の金属、例えば、ニクロム(Ni−Cr)薄膜をSOI層にオーム性接触させてで引き出し、上述の基板1のベース領域に形成している2個のそれぞれの電極パッドまで配線して、外部に二端子として取り出すことができる。このようにすれば、二端子としての2個のそれぞれの電極パッド間の出力電圧は、第1の熱電対20Aと第2の熱電対20Bとの温度差に対応することになる。 In the first thermocouple 20A and the second thermocouple 20B, for example, a common SOI layer may be formed as one thermoelectric material in the same thin film 10 using the above-described SOI layer as a main material. it can. The same metal as the other thermoelectric material from the hot junction 81A and the hot junction 81B of the first thermocouple 20A and the second thermocouple 20B formed in the thin film region A and the thin film region B, respectively. For example, a nichrome (Ni—Cr) thin film is drawn out in ohmic contact with the SOI layer, and wired to the two electrode pads formed in the base region of the substrate 1 described above, and two terminals are externally provided. Can be taken out as. If it does in this way, the output voltage between each two electrode pads as two terminals will correspond to the temperature difference of the 1st thermocouple 20A and the 2nd thermocouple 20B.

本発明の請求項2に係わる熱型フローセンサチップは、基板1に絶対温度センサを形成した場合である。 The thermal type flow sensor chip according to claim 2 of the present invention is a case where an absolute temperature sensor is formed on the substrate 1.

第1の熱電対20Aと第2の熱電対20Bのそれらの共通の冷接点82を、例えば、基板1のベース領域に形成していると、第1の熱電対20Aと第2の熱電対20Bのそれぞれの出力は、ベース領域の温度を基準としたそれぞれの温接点81Aと温接点81Bにおけるそれぞれの温度差のみに対応する出力となる。このために、ヒータ加熱した時のヒータ温度、温接点81Aと温接点81Bなどの絶対温度が計測できない。このように、一般に、熱電対を使用する場合は、温接点の絶対温度を知るためには、例えば、冷接点の絶対温度を計測しておく必要がある。このために、本発明では、基板1(例えば、ベース部分)に絶対温度センサを形成しておくものである。このようにして、第1の熱電対20Aと第2の熱電対20Bのそれぞれの温接点81Aと温接点81Bの絶対温度を計測することができる。もちろん、薄膜10のうち、ヒータ25の形成個所にも熱電対の温接点81Hを形成しておけば、同様にして、ヒータ25の位置の絶対温度を計測することができる。絶対温度センサとして、pn接合ダイオード、サーミスタや白金測温抵抗体などを形成すると良い。この絶対温度センサの出力を利用して、周囲温度補正をすることもできる。 For example, when the common cold junction 82 of the first thermocouple 20A and the second thermocouple 20B is formed in the base region of the substrate 1, the first thermocouple 20A and the second thermocouple 20B are formed. These outputs are outputs corresponding to only the temperature differences between the hot junction 81A and the hot junction 81B based on the temperature of the base region. For this reason, the heater temperature when the heater is heated and the absolute temperature of the hot junction 81A and the hot junction 81B cannot be measured. Thus, generally, when using a thermocouple, in order to know the absolute temperature of a hot junction, it is necessary to measure the absolute temperature of a cold junction, for example. Therefore, in the present invention, an absolute temperature sensor is formed on the substrate 1 (for example, the base portion). In this way, the absolute temperatures of the hot junction 81A and the hot junction 81B of the first thermocouple 20A and the second thermocouple 20B can be measured. Of course, if the thermocouple hot junction 81H is formed in the thin film 10 where the heater 25 is formed, the absolute temperature at the position of the heater 25 can be measured in the same manner. As an absolute temperature sensor, a pn junction diode, a thermistor, a platinum resistance temperature detector, or the like may be formed. The ambient temperature can be corrected by using the output of the absolute temperature sensor.

本発明の請求項3に係わる熱型フローセンサは、前記請求項1もしくは2記載の熱型フローセンサチップを搭載し、前記ヒータ25の加熱に基づき、前記被測定流体の流れにより生じる前記第1の熱電対20Aと第2の熱電対20Bとの温度差を計測し、予め用意してある校正データを利用して、前記被測定流体の流れを計測するようにしたこと、を特徴とするものである。 A thermal type flow sensor according to a third aspect of the present invention includes the thermal type flow sensor chip according to the first or second aspect, and the first flow generated by the flow of the fluid to be measured based on the heating of the heater 25. The temperature difference between the thermocouple 20A and the second thermocouple 20B is measured, and the flow of the fluid to be measured is measured using calibration data prepared in advance. It is.

ヒータ加熱した宙に浮いた薄膜10(基板1から同一の空洞40により熱分離している)の温度は、被測定流体の温度とその流体の種類により熱伝達率が変化し、その被測定流体の熱的性質が予め分かっていないと、被測定流体の物理的状態である流速や流量に大きな誤差が生じてしまう。そのため、第1の熱電対20Aと第2の熱電対20Bとの温度差を予め被測定流体を用いて実験して、被測定流体の熱的性質、特にその温度と圧力での熱伝達率を基にして校正できるような校正データを予め用意しておき、正しい測定値が得られるようにする必要がある。これが、予め用意してある校正データである。本発明の同一の構造の熱型フローセンサを用いて校正データを取得することにより、理論的に予測しがたい細かい各種の影響もこの校正データに含まれるので、校正データを利用することが重要である。そこで、被測定流体の熱伝達率の温度依存性などを含む流速などの情報を含む校正データをメモリに内蔵し、測定データを利用して、演算して表示させる校正手段200を内蔵させると良い。なお、被測定流体の流量は、流速に関して計測しておくと、その流路の断面積などから流量を算出することができる。 The temperature of the thin film 10 floating in the air heated by the heater (thermally separated from the substrate 1 by the same cavity 40) varies in heat transfer coefficient depending on the temperature of the fluid to be measured and the type of the fluid. If the thermal properties of the fluid are not known in advance, a large error will occur in the flow velocity and flow rate, which are physical states of the fluid to be measured. Therefore, the temperature difference between the first thermocouple 20A and the second thermocouple 20B is previously tested using the fluid to be measured, and the thermal properties of the fluid to be measured, particularly the heat transfer coefficient at the temperature and pressure, are determined. It is necessary to prepare calibration data that can be calibrated on the basis of the data so that a correct measurement value can be obtained. This is calibration data prepared in advance. By obtaining calibration data using the thermal flow sensor of the same structure of the present invention, various effects that are theoretically difficult to predict are included in this calibration data, so it is important to use calibration data It is. Accordingly, it is preferable to incorporate calibration data including information such as a flow rate including the temperature dependence of the heat transfer coefficient of the fluid to be measured in the memory, and to incorporate calibration means 200 that calculates and displays using the measurement data. . If the flow rate of the fluid to be measured is measured with respect to the flow velocity, the flow rate can be calculated from the cross-sectional area of the flow path.

本発明の請求項4に係わる熱型フローセンサは、前記請求項1に記載の二端子からの出力電圧において、前記被測定流体の流れが無い状態での出力電圧をゼロとして、正と負の出力電圧の符号から前記被測定流体の流れの向きを判定し、それらの出力電圧の大きさから流れの速度を計測できるようにした場合である。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a thermal type flow sensor, wherein, in the output voltage from the two terminals according to the first aspect, the output voltage in the state where the fluid to be measured does not flow is zero, and positive and negative. This is a case where the flow direction of the fluid to be measured is determined from the sign of the output voltage, and the flow velocity can be measured from the magnitude of the output voltage.

第1の熱電対20Aと第2の熱電対20Bは、上記したように、ヒータ25を挟んで被測定流体の流れの方向の両側に、ヒータ25から熱抵抗部45を介して、同一の薄膜10の中で対称な位置に薄膜領域Aと薄膜領域Bが形成されている。薄膜領域Aには、温接点81A、薄膜領域Bには、温接点81Bが、ヒータ25から対称な位置に形成されているはずであるが、製作時のパターンのずれや厚みの不均一などで、被測定流体の流れが無くとも多少の温度差が生じてしまうことがあり、出力電圧がゼロにならない場合がある。このような場合には、被測定流体の流れが無い状態で、出力電圧がゼロになるように設定する補正回路を設けて、強制的に出力電圧をゼロになるようにすると良い。 As described above, the first thermocouple 20A and the second thermocouple 20B are formed on the same thin film on both sides of the direction of the fluid to be measured with the heater 25 interposed between the heater 25 and the thermal resistance unit 45. 10, a thin film region A and a thin film region B are formed at symmetrical positions. The thin film region A should have a warm contact point 81A and the thin film region B should have a warm contact point 81B at a symmetric position from the heater 25. Even if there is no flow of the fluid to be measured, a slight temperature difference may occur, and the output voltage may not become zero. In such a case, it is preferable to provide a correction circuit that sets the output voltage to zero in a state where there is no flow of the fluid to be measured so that the output voltage is forcibly set to zero.

ヒータ25を挟んで被測定流体の流れの方向の両側の対称位置に温接点81Aと温接点81Bがあるので、ヒータ25に対して、上流側の温接点が冷やされ、下流側の温接点が温められる。このようにして、例えば、上流側に温接点81Aを配し、下流側に温接点81Bを配してある場合には、温接点81Aが冷やされ、温接点81Bが温められるので、共通の薄膜10のSOI層を一方の熱電材料とした第1の熱電対20Aと第2の熱電対20Bとの二端子としての出力電圧の差(第1の熱電対20Aの出力電圧から第2の熱電対20Bの出力電圧を差し引く)は、薄膜10をn型SOI層とした場合には、負となり、また、逆に、流れの向きを変えると上述の構成では、二端子としての出力電圧の差は、正になる。このようにして、二端子としての出力電圧の差の正負の符号により、被測定流体の流れの方向(向き)を調べることができる。 Since there are the hot junction 81A and the hot junction 81B at symmetrical positions on both sides of the flow direction of the fluid to be measured across the heater 25, the upstream hot junction is cooled with respect to the heater 25, and the downstream hot junction is Be warmed up. Thus, for example, when the hot junction 81A is arranged on the upstream side and the hot junction 81B is arranged on the downstream side, the hot junction 81A is cooled and the hot junction 81B is heated, so that the common thin film The difference in output voltage as two terminals of the first thermocouple 20A and the second thermocouple 20B using 10 SOI layers as one thermocouple material (from the output voltage of the first thermocouple 20A to the second thermocouple The output voltage of 20B is subtracted when the thin film 10 is an n-type SOI layer. Conversely, when the flow direction is changed, the difference in output voltage between the two terminals in the above configuration is as follows. , Become positive. In this way, the direction (orientation) of the flow of the fluid to be measured can be checked based on the sign of the difference between the output voltages at the two terminals.

本発明の請求項5に係わる熱型フローセンサは、前記請求項1に記載の二端子からの出力電圧を演算増幅器の非反転入力端子に接続し、前記演算増幅器の反転入力端子に可変抵抗を接続し、該可変抵抗を所定の抵抗値に切り替えることで、前記被測定流体の流れの速度の計測範囲の拡大ができるように構成した場合である。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a thermal type flow sensor, wherein the output voltage from the two terminals according to the first aspect is connected to a non-inverting input terminal of an operational amplifier, and a variable resistor is connected to the inverting input terminal of the operational amplifier. This is a case in which the measurement range of the flow velocity of the fluid to be measured can be expanded by connecting and switching the variable resistor to a predetermined resistance value.

1個の熱型フローセンサを用いた被測定流体の流れとしての流速の計測範囲を拡大したい。その一つとして、信号の増幅回路での増幅率の切り替えがある。極めて小さな流速を計測するのに、高感度と高S/N比の増幅が必要で、熱型フローセンサの内部抵抗に依らない所定の増幅率が得られるようにした方が良い。本発明では、高入力インピーダンスの演算増幅器を用い、増幅器回路のアースEと演算増幅器の非反転入力端子との間に、前記二端子からの出力電圧を挿入すると、演算増幅器は、その入力端子間は等価的に等電位になるので、二端子からの出力電圧は、直接演算増幅器の反転入力端子に接続する可変抵抗rに印加されることになり、可変抵抗rに流れる電流は、この可変抵抗rと二端子からの出力電圧によってのみ定まる。したがって、演算増幅器の同一の帰還抵抗Rfの下では、前記可変抵抗rの値の変更により、信号の増幅回路の増幅率が変えられることになり、この可変抵抗を、例えば、1桁ずつ切り替えるようにすれば、1桁ずつの増幅率が変わることになる。例えば、帰還抵抗Rfを10kΩの場合、可変抵抗rを100Ωとすれば、増幅回路の増幅率Aは、Rf/r=100となり、二端子からの出力電圧は、100倍に増幅されることになる。 I would like to expand the measurement range of the flow velocity as the flow of the fluid to be measured using one thermal flow sensor. One of them is switching of the amplification factor in the signal amplification circuit. In order to measure an extremely small flow velocity, amplification with high sensitivity and a high S / N ratio is necessary, and it is better to obtain a predetermined amplification factor that does not depend on the internal resistance of the thermal flow sensor. In the present invention, when an operational amplifier having a high input impedance is used and the output voltage from the two terminals is inserted between the ground E of the amplifier circuit and the non-inverting input terminal of the operational amplifier, the operational amplifier is connected between the input terminals. Is equivalently equipotential, the output voltage from the two terminals is directly applied to the variable resistor r connected to the inverting input terminal of the operational amplifier, and the current flowing through the variable resistor r is the variable resistor r. It is determined only by r and the output voltage from the two terminals. Therefore, under the same feedback resistor Rf of the operational amplifier, the gain of the signal amplifier circuit is changed by changing the value of the variable resistor r, and this variable resistor is switched, for example, by one digit. In this case, the amplification factor changes by one digit. For example, when the feedback resistor Rf is 10 kΩ and the variable resistor r is 100Ω, the amplification factor A of the amplifier circuit is Rf / r = 100, and the output voltage from the two terminals is amplified 100 times. Become.

本発明の請求項6に係わる熱型フローセンサは、前記ヒータ25の加熱温度を変化させる温度可変手段250を備えてあること、前記被測定流体の流れを止めた状態で、前記ヒータ25の加熱温度を種々の所定温度に前記温度可変手段250を用いて変化できるようにしたこと、前記第1の熱電対20Aと第2の熱電対20Bの種々の前記所定温度における出力電圧と、前記所定温度に対応する複数の所定の流体のそれぞれの熱伝導率に関する予め用意してあるデータとを利用し、前記被測定流体の種類をも特定できるようにしたこと、を特徴とするものである。 The thermal type flow sensor according to claim 6 of the present invention is provided with temperature variable means 250 for changing the heating temperature of the heater 25, and the heater 25 is heated while the flow of the fluid to be measured is stopped. The temperature can be changed to various predetermined temperatures using the temperature variable means 250, the output voltages at the various predetermined temperatures of the first thermocouple 20A and the second thermocouple 20B, and the predetermined temperature. The type of the fluid to be measured can be specified by using data prepared in advance regarding the thermal conductivity of each of a plurality of predetermined fluids corresponding to the above.

一般に、流体の熱伝導率kは、温度の関数であり、温度上昇と共に大きくなる。被測定流体の流れがなければ、被測定流体の種類、その温度および圧力(気圧など)の関数として熱伝達率hが定まる。また、温度センサを備えた微小薄膜の温度上昇分は、ヒータ25と温度センサとの距離が固定であれば、ヒータの温度と、薄膜10を介しての熱伝導と、被測定流体のその温度および圧力における熱伝達率で決定される。しかし、熱伝達率は、流体の速度の関数であるが、速度がゼロの場合には、単純化して、流体の固有の性質である熱伝導率に比例することが分かっている。従って、ヒータと温度センサとの距離を固定し、被測定流体のその温度および圧力を既知としておき、ヒータの温度を何らかの方法で計測して既知となれば、前記の温度センサの温度上昇分を流れが無い状態で計測することにより、その時の被測定流体の熱伝導率が決まる。このようにして、予め実験的に用意しているデータと未知の被測定流体の測定データとを比較して、同一の温度依存性を有する既知の流体のデータとの一致の状況から、おおよその気体などの被測定流体の種類が判明(特定)できる。 In general, the thermal conductivity k of a fluid is a function of temperature and increases with increasing temperature. If there is no flow of the fluid to be measured, the heat transfer coefficient h is determined as a function of the type of fluid to be measured, its temperature and pressure (eg, atmospheric pressure). Further, the temperature rise of the micro thin film provided with the temperature sensor is such that if the distance between the heater 25 and the temperature sensor is fixed, the temperature of the heater, the heat conduction through the thin film 10, and the temperature of the fluid to be measured And the heat transfer coefficient at pressure. However, the heat transfer coefficient is a function of the velocity of the fluid, but it has been found that when the velocity is zero, it is simplified and proportional to the thermal conductivity, an inherent property of the fluid. Therefore, if the distance between the heater and the temperature sensor is fixed, the temperature and pressure of the fluid to be measured are known, and if the heater temperature is measured by some method, the temperature rise of the temperature sensor is calculated. By measuring in the absence of flow, the thermal conductivity of the fluid under measurement at that time is determined. In this way, the data prepared experimentally in advance and the measurement data of the unknown fluid to be measured are compared, and from the situation of coincidence with the data of the known fluid having the same temperature dependence, The type of fluid to be measured such as gas can be identified (specified).

同一の周囲温度における同一のヒータ供給電力に対して、被測定流体の熱伝導率のその周囲温度における情報は、容易に得られる。しかし、被測定流体の熱伝導率は、温度依存性があり、周囲環境温度が変われば、その分、熱伝導率も変化する。周囲環境温度を外部ヒータで調整することもできるが、本発明では、外部ヒータを用いなくとも、ヒータ25の温度可変手段により加熱温度を変化させて、そのヒータ25付近の被測定流体の温度をも変化させる。このときのヒータ25により加熱された薄膜10の温度を、そこに形成してある温度センサ20Hにより計測して、被測定流体の熱伝導率の温度依存性を求め、その温度依存性を利用して被測定流体の種類を特定するようにすることができる。 For the same heater supply power at the same ambient temperature, information on the thermal conductivity of the fluid under measurement at that ambient temperature can be easily obtained. However, the thermal conductivity of the fluid to be measured is temperature-dependent, and if the ambient temperature changes, the thermal conductivity changes accordingly. Although the ambient environment temperature can be adjusted with an external heater, in the present invention, the temperature of the fluid to be measured in the vicinity of the heater 25 is changed by changing the heating temperature using the temperature variable means of the heater 25 without using the external heater. Also change. At this time, the temperature of the thin film 10 heated by the heater 25 is measured by the temperature sensor 20H formed therein, the temperature dependency of the thermal conductivity of the fluid to be measured is obtained, and the temperature dependency is utilized. Thus, the type of fluid to be measured can be specified.

本発明の熱型フローセンサチップは、基板1から同一の空洞40により熱分離されている架橋構造である薄膜10であることから、カンチレバ型に対して被測定流体の流れに対して強度が大きく、しかも、温度検出に関して、ダイアフラム型よりは、高感度になるという利点がある。 Since the thermal flow sensor chip of the present invention is the thin film 10 having a bridge structure that is thermally separated from the substrate 1 by the same cavity 40, the strength of the cantilever type with respect to the flow of the fluid to be measured is large. In addition, the temperature detection has an advantage of higher sensitivity than the diaphragm type.

本発明の熱型フローセンサチップは、熱電対を使用するので、温度の感応部は、温接点で済むので、同様の温度差検出のサーモパイル型に対して極めて小型のセンサチップが達成できるので、高精度で安価なセンサが提供できる。 Since the thermal type flow sensor chip of the present invention uses a thermocouple, the temperature sensitive part only needs to be a hot junction, so an extremely small sensor chip can be achieved with respect to the thermopile type of similar temperature difference detection. A highly accurate and inexpensive sensor can be provided.

本発明の熱型フローセンサチップは、薄膜10として、半導体薄膜を主たる構成膜として利用できるので、ゼーベック係数αの値が金属に比べて桁違いに大きく、これを熱電対の一方の共通の熱電材料として使用することができ、小型で高感度かつ高精度で、しかも安価な熱型フローセンサチップが提供できる。 Since the thermal flow sensor chip of the present invention can use a semiconductor thin film as a main constituent film as the thin film 10, the value of the Seebeck coefficient α is an order of magnitude larger than that of a metal, which is one of the thermocouples common to the thermocouple. A thermal type flow sensor chip that can be used as a material, is small, has high sensitivity and high accuracy, and is inexpensive can be provided.

本発明の熱型フローセンサチップは、第1の熱電対20Aと第2の熱電対20Bとを、これらの温度差が検出できるように直列接続してあり、第1の熱電対20Aと第2の熱電対20Bのそれぞれの温接点81Aと温接点81Bの位置における温度差に関する出力電圧差を、外部に二端子として取り出すので、温接点81Aと温接点81Bの温度差に基づく差動出力電圧を直接増幅器に入力できると共に、極めて単純な構成になるという利点がある。 In the thermal type flow sensor chip of the present invention, the first thermocouple 20A and the second thermocouple 20B are connected in series so that the temperature difference between them can be detected. Since the output voltage difference related to the temperature difference at the position of each of the hot junction 81A and the hot junction 81B of the thermocouple 20B is taken out as two terminals to the outside, a differential output voltage based on the temperature difference between the hot junction 81A and the hot junction 81B is obtained. There is an advantage that it can be directly input to the amplifier and has a very simple configuration.

本発明の熱型フローセンサチップは、基板1に絶対温度センサを形成するので、流速などを計測する熱電対である第1の熱電対20Aと第2の熱電対20Bなどと組み合わせて、それぞれの温度の絶対温度を計測できる。また、基板1は、ほぼ周囲環境温度とみなすこともできるので、周囲環境温度の計測もできる。 Since the thermal flow sensor chip of the present invention forms an absolute temperature sensor on the substrate 1, each thermocouple 20A, second thermocouple 20B, etc., which are thermocouples for measuring flow velocity, are combined with each other. The absolute temperature can be measured. Moreover, since the board | substrate 1 can also be regarded as substantially ambient temperature, ambient temperature can also be measured.

本発明の熱型フローセンサは、上述のように、中央部のヒータ25位置に関して、被測定流体の流れの方向の両側に、温接点81Aと温接点81Bを対称に配しているので、これらの位置における温度差に関する出力電圧差としての二端子出力の正負の符号により、被測定流体の流れの方向を検出できるという利点がある。 In the thermal type flow sensor of the present invention, as described above, the hot junction 81A and the hot junction 81B are symmetrically arranged on both sides in the flow direction of the fluid to be measured with respect to the position of the heater 25 at the center. There is an advantage that the direction of the flow of the fluid to be measured can be detected by the positive / negative sign of the two-terminal output as the output voltage difference with respect to the temperature difference at the position.

本発明の熱型フローセンサは、演算増幅器の反転入力端子に可変抵抗を接続し、その大きさを調節することにより、容易に被測定流体の流れの速度の計測範囲の拡大が達成できるという利点がる。 The thermal type flow sensor of the present invention has an advantage that a variable resistance is connected to the inverting input terminal of the operational amplifier and the size thereof is adjusted, so that the measurement range of the flow velocity of the fluid to be measured can be easily expanded. Garage.

本発明の熱型フローセンサは、ヒータ25の加熱温度を変化させる温度可変手段250を備えているので、所定温度に対応する複数の所定の流体のそれぞれの熱伝導率に関する予め用意してあるデータなどを利用し、未知の被測定流体の種類をも特定できるという利点がある。 Since the thermal type flow sensor of the present invention includes the temperature variable means 250 that changes the heating temperature of the heater 25, data prepared in advance regarding the thermal conductivity of each of a plurality of predetermined fluids corresponding to the predetermined temperature. This is advantageous in that it is possible to specify the type of unknown fluid to be measured.

本発明の熱フローセンサチップの一実施例の平面概略図である。(実施例1)It is the plane schematic of one Example of the heat flow sensor chip | tip of this invention. Example 1 図1のX−X線における断面概略図である。(実施例1)It is the cross-sectional schematic in the XX line of FIG. Example 1 本発明の熱フローセンサチップの他の一実施例の平面概略図である。(実施例2)It is the plane schematic of another Example of the heat flow sensor chip | tip of this invention. (Example 2) 本発明の熱フローセンサチップの他の一実施例の平面概略図である。(実施例3)It is the plane schematic of another Example of the heat flow sensor chip | tip of this invention. (Example 3) 本発明の熱型フローセンサの一実施例の構成概要のブロック図である。(実施例1)、(実施例3)、(実施例4)It is a block diagram of a composition outline of one example of a thermal type flow sensor of the present invention. (Example 1), (Example 3), (Example 4) 本発明の熱フローセンサチップから外部に取り出す出力電圧の入力の様子を含む演算増幅回路の一実施例の概略図である。(実施例1)It is the schematic of one Example of the operational amplifier circuit containing the mode of the input of the output voltage taken out from the heat flow sensor chip of this invention outside. Example 1

本発明の熱フローセンサチップは、成熟した半導体集積化技術とMEMS技術を用いて、集積回路(IC)も作成できるシリコン(Si)基板で形成できる。この熱型フローセンサチップをシリコン(Si)基板であるSOI基板を用いて製作し、これを搭載した熱フローセンサについて、図面を参照しながら実施例に基づき、以下に詳細に説明する。   The thermal flow sensor chip of the present invention can be formed on a silicon (Si) substrate that can also create an integrated circuit (IC) using mature semiconductor integration technology and MEMS technology. The thermal flow sensor chip is manufactured using an SOI substrate, which is a silicon (Si) substrate, and a thermal flow sensor on which the thermal flow sensor chip is mounted will be described in detail below based on an embodiment with reference to the drawings.

図1は、本発明の熱フローセンサチップの一実施例を示す平面概略図で、図2は、そのX−X断面における断面概略図である。本実施例では、本発明の熱フローセンサチップとして、半導体シリコンの基板1として、n型のSOI基板(厚み:500μm、SOI層12の厚み:10μm程度、BOX層13の厚み:1μm程度)を利用した場合である。このSOI層12を基板1から熱分離した架橋構造14の薄膜10とし、この薄膜10には、架橋構造14の薄膜10の中央にニクロム(Ni−Cr)膜から成るヒータ25を架橋構造14の長さ方向に沿って熱フローセンサチップの端部まで延在させてある。架橋構造14は、例えば、長さ2mm、厚み10μm程度で、狭いところの幅が0.5mm程度である。基板1のベース部分(基板1の母体部分)の端部付近に、ヒータ25加熱用の電極パッド70a、70bがフォトリソグラフィにより形成されている。また、薄膜10の架橋構造14の中央付近で、ヒータ25を挟んで被測定流体の流れの方向の両側に、ヒータ25から熱抵抗部45を介して、同一の薄膜10の中で対称な位置に薄膜領域A48と薄膜領域B49が形成されている。そして、これらの薄膜領域A48と薄膜領域B49に、薄膜10のSOI層を共通の熱電材料とした温度差センサである第1の熱電対20Aと第2の熱電対20Bのそれぞれの温接点81Aと温接点81Bが、対称位置にそれぞれ配置され、これらの温接点81Aと温接点81Bとは、薄膜領域A48と薄膜領域B49と共に、加熱されたヒータ25から熱を受け取り加熱昇温される構造になっている。そして、第1の熱電対20Aと第2の熱電対20Bとは、それぞれ共通の冷接点82と、それぞれ温接点81Aと温接点81Bを介して、一方の熱電材料120aとして、薄膜10のSOI層12を、また、他方の熱電材料120bとしては、ヒータ25の材料であるニクロム(Ni−Cr)膜を用いた構成にしている。第1の熱電対20Aと第2の熱電対20Bの熱電材料120bの他端は、それぞれ電極パッド71aと電極パッド71bとして、共通の冷接点82の電極パッド72cと同一の温度となるように熱フローセンサチップの基板1のベース部分で、互いに近接して配置している。本実施例では、基板1のベース部分に、絶対温度センサ21を形成しており、本実施例では、pn接合型ダイオードを形成した場合である。 FIG. 1 is a schematic plan view showing an embodiment of the thermal flow sensor chip of the present invention, and FIG. 2 is a schematic cross-sectional view taken along the line XX. In this embodiment, an n-type SOI substrate (thickness: 500 μm, SOI layer 12 thickness: about 10 μm, BOX layer 13 thickness: about 1 μm) is used as the semiconductor silicon substrate 1 as the thermal flow sensor chip of the present invention. This is the case. This SOI layer 12 is formed into a thin film 10 having a crosslinked structure 14 thermally separated from the substrate 1, and a heater 25 made of a nichrome (Ni—Cr) film is provided at the center of the thin film 10 of the crosslinked structure 14. It extends to the end of the heat flow sensor chip along the length direction. For example, the cross-linked structure 14 has a length of about 2 mm and a thickness of about 10 μm, and a narrow width of about 0.5 mm. Near the end of the base portion of the substrate 1 (the base portion of the substrate 1), electrode pads 70a and 70b for heating the heater 25 are formed by photolithography. Further, in the vicinity of the center of the bridging structure 14 of the thin film 10, symmetrical positions in the same thin film 10 from the heater 25 through the thermal resistance portion 45 on both sides of the flow of the fluid to be measured with the heater 25 interposed therebetween. A thin film region A48 and a thin film region B49 are formed. And in these thin film area | region A48 and thin film area | region B49, each hot junction 81A of the 1st thermocouple 20A and the 2nd thermocouple 20B which are temperature difference sensors which used the SOI layer of the thin film 10 as a common thermoelectric material, The hot junctions 81B are arranged at symmetrical positions, and the hot junctions 81A and 81B, together with the thin film region A48 and the thin film region B49, receive heat from the heated heater 25 and are heated. ing. The first thermocouple 20A and the second thermocouple 20B are composed of the common cold junction 82, the hot junction 81A, and the hot junction 81B, respectively, as one thermoelectric material 120a, and the SOI layer of the thin film 10. 12 and the other thermoelectric material 120b are configured to use a nichrome (Ni—Cr) film which is a material of the heater 25. The other ends of the thermoelectric materials 120b of the first thermocouple 20A and the second thermocouple 20B are heated so as to have the same temperature as the electrode pad 72c of the common cold junction 82 as the electrode pad 71a and the electrode pad 71b, respectively. The base portions of the substrate 1 of the flow sensor chip are arranged close to each other. In this embodiment, the absolute temperature sensor 21 is formed on the base portion of the substrate 1, and in this embodiment, a pn junction diode is formed.

一般に、二つの熱電対を用いて、差動増幅する場合、それぞれの熱電対を直列に接続し、この直列接続した接続点を差動増幅回路のアースEに接続し、二つの熱電対の他端となる残りのそれぞれの端子を、差動増幅回路の2つの入力端子に接続して、差動増幅するものである。本発明の熱フローセンサチップでは、構造上、共通の薄膜10のSOI層12が二つの熱電対である第1の熱電対20Aと第2の熱電対20Bの一方の共通の熱電材料120aとして直列接続されており、差動増幅するのに、この点を差動増幅回路のアースEに接続する必要はなく、上記の二つの熱電対の熱電材料120bを介しての他端となる残りのそれぞれの端子である電極パッド71aと電極パッド71bのみを外部に二端子として取り出すようにしていることが特徴の一つである。 In general, when differential amplification is performed using two thermocouples, the respective thermocouples are connected in series, and the connection point connected in series is connected to the ground E of the differential amplifier circuit. The remaining terminals at the ends are connected to the two input terminals of the differential amplifier circuit for differential amplification. In the heat flow sensor chip of the present invention, the SOI layer 12 of the common thin film 10 is in series as one common thermoelectric material 120a of the first thermocouple 20A and the second thermocouple 20B, which are two thermocouples. In order to perform differential amplification, it is not necessary to connect this point to the ground E of the differential amplifier circuit, and each of the remaining two other thermocouple materials via the thermoelectric material 120b of the above two thermocouples. One of the features is that only the electrode pad 71a and the electrode pad 71b, which are the terminals, are taken out as two terminals to the outside.

本発明の熱フローセンサチップは、例えば、以下のようにして形成される。基板1としてのSOI基板は、SOI層12には、その下部に埋め込み絶縁層であるBOX層51が存在しているために、例えば、アルカリ性エッチャントであるヒドラジン水溶液では、単結晶シリコンから成るSOI層12や下地基板2は溶解(エッチング)されるが、BOX層51はエッチングされないので、容易に基板1から熱分離している宙に浮いた薄膜10から成る薄膜構造体である架橋構造14が形成できる。この技術を利用して、一方のヒータ25と温度センサ20である第1の熱電対20Aと第2の熱電対20Bが形成されている薄膜10のSOI層12を主たる構成材料としている。また、SOI層12側からの異方性エッチングにより、スリット41が形成され、基板1の裏面からの異方性エッチングにより空洞40が形成される。この時、シリコン酸化膜50とBOX層51に囲まれ保護された領域としての薄膜10が宙に浮いた薄膜として空洞40の対向する両側面での基板1に支持部を持つ架橋構造14の形で形成されている。 The heat flow sensor chip of the present invention is formed as follows, for example. Since the SOI substrate 12 as the substrate 1 has a BOX layer 51 as a buried insulating layer below the SOI layer 12, for example, in an aqueous solution of hydrazine, which is an alkaline etchant, an SOI layer made of single crystal silicon. 12 and the underlying substrate 2 are dissolved (etched), but the BOX layer 51 is not etched, so that a crosslinked structure 14 is formed which is a thin film structure composed of a thin film 10 suspended in the air that is easily thermally separated from the substrate 1. it can. By utilizing this technique, the SOI layer 12 of the thin film 10 on which the first thermocouple 20A and the second thermocouple 20B, which are one heater 25 and the temperature sensor 20, are formed is used as a main constituent material. Further, the slit 41 is formed by anisotropic etching from the SOI layer 12 side, and the cavity 40 is formed by anisotropic etching from the back surface of the substrate 1. At this time, the thin film 10 as a protected region surrounded by the silicon oxide film 50 and the BOX layer 51 is formed as a thin film floating in the air, and the bridge structure 14 having support portions on the substrate 1 on both opposite sides of the cavity 40 is formed. It is formed with.

ヒータ25、熱電材料120bおよび電極パッド70、71,72などを、熱酸化され難く、安定で抵抗率が高いニクロム(Ni−Cr)膜で形成しており、付着強度が大きいスパッタリング法で作成している。更に、ニクロム薄膜は、熱電材料120a、120bおよび電極パッド70、71,72などをアルカリ性エッチャントに耐えるので好都合である。もちろん、アルカリ性エッチャントを用いないで、公知のドライエッチングにより架橋構造14、スリット41や空洞40などを形成することができる。その時は、フォトレジストなどでマスクとしてカバーすれば、熱電材料や電極パッドの材料選択が楽になる。上述の熱フローセンサチップのパターン化に係る製作工程は、公知のフォトリソグラフィによるMEMS技術により行うことができる。 The heater 25, the thermoelectric material 120b, and the electrode pads 70, 71, 72, etc. are made of a nichrome (Ni—Cr) film that is difficult to be thermally oxidized, is stable and has a high resistivity, and is formed by a sputtering method with high adhesion strength. ing. In addition, the nichrome thin film is advantageous because it can withstand the alkaline etchant of the thermoelectric materials 120a, 120b and the electrode pads 70, 71, 72, etc. Of course, without using an alkaline etchant, the cross-linked structure 14, the slit 41, the cavity 40, and the like can be formed by known dry etching. At that time, if it is covered as a mask with a photoresist or the like, the material selection of the thermoelectric material and the electrode pad becomes easy. The manufacturing process related to the patterning of the heat flow sensor chip described above can be performed by a well-known MEMS technology using photolithography.

本実施例では、熱抵抗部45がスリット41により形成されるようにして、薄膜10の中央に配しているヒータ25から対称な位置に二つの薄膜領域A48と薄膜領域B49を形成してあり、ヒータ25からの熱が、これらの二つの薄膜領域A48と薄膜領域B49に同等に伝わり、更に、これらに形成している温接点81Aと温接点81Bの位置もヒータ25から対称な位置に形成しているので、被測定流体の流れが無い状態では、温接点81Aと温接点81Bが等しい温度に熱せられることになる。したがって、このような被測定流体の流れが無い状態では、二つの第1の熱電対20Aと第2の熱電対20Bの熱起電力は等しく、それらの出力電圧差は本質的にゼロになるので、これらの出力電圧差を取り出す電極パッド71aと電極パッド71bである二端子間の出力電圧はゼロになる。 In this embodiment, two thin film regions A48 and B49 are formed at symmetrical positions from the heater 25 disposed in the center of the thin film 10 so that the thermal resistance portion 45 is formed by the slit 41. The heat from the heater 25 is equally transmitted to the two thin film regions A48 and B49, and the positions of the hot junction 81A and the hot junction 81B formed in these are also formed at symmetrical positions from the heater 25. Therefore, when there is no flow of the fluid to be measured, the hot junction 81A and the hot junction 81B are heated to the same temperature. Therefore, in the state where there is no flow of the fluid to be measured, the thermoelectromotive forces of the two first thermocouples 20A and the second thermocouple 20B are equal, and the output voltage difference between them is essentially zero. The output voltage between the two terminals of the electrode pad 71a and the electrode pad 71b for extracting the difference between these output voltages becomes zero.

本発明の熱フローセンサの動作について、熱フローセンサチップの本実施例の図1と図2を参照して説明すると次のようである。薄膜10に備えたヒータ25に電流を流し、被測定流体、例えば、空気などの既知の気体中で、流れが無い状態、室温(例えば、20℃)、大気圧(1気圧)の下で熱型フローセンサチップを晒す。ヒータ25に所定の電力,例えば30[mW]で駆動したときに、ヒータ25の温度が上昇するが、その時の温度上昇分は、実際に動作させる図1に示す第1の熱電対20Aまたは第2の熱電対20Bのどちらかを用いて、大まかに知ることができる。例えば、第1の熱電対20Aの外部出力端子である電極パッド71aと共通の電極パッド72c間の電位差を計測することにより、予め実験的に用意してある薄膜10のSOI層12と同一の熱電材料120aと同一のニクロム(Ni−Cr)膜の熱電材料120bにより構成されている熱電対を用いて、熱起電力と温度との関係の校正データに基づいて、熱型フローセンサチップの基板1と第1の熱電対20Aの温接点81Aとの温度差ΔTa(基板1からの温度上昇分)を求めることができる。また、基板1には、pn接合ダイオードを絶対温度センサ21として用いているので、絶対温度センサ21も予め実験的の取得した所定の順方向電流の下での順方向電圧Vfの温度依存性などの校正データから基板1のベース部の温度Tsを知ることができる。このようにして、温接点81Aの絶対温度Taは、基板1の温度Tsとヒータ加熱による上記の温度差ΔTaとの和で表される。例えば、30[mW]のヒータ25のヒータ加熱により、例えば、温度差ΔTaが約50℃であるので、この場合は、例えば、室温Trを20℃とすれば、室温Trがほぼ温度Tsに等しいとすれば、温接点81Aの絶対温度Taは、約70℃であり、絶対温度で表示すれば、約343Kとなる。 The operation of the heat flow sensor of the present invention will be described as follows with reference to FIGS. 1 and 2 of this embodiment of the heat flow sensor chip. An electric current is passed through the heater 25 provided in the thin film 10 to heat in a measured fluid, for example, a known gas such as air, under no flow, at room temperature (for example, 20 ° C.), and at atmospheric pressure (1 atm). Expose the mold flow sensor chip. When the heater 25 is driven at a predetermined power, for example, 30 [mW], the temperature of the heater 25 rises. The temperature rise at that time is the first thermocouple 20A shown in FIG. Using either one of the two thermocouples 20B, it is possible to know roughly. For example, by measuring the potential difference between the electrode pad 71a which is an external output terminal of the first thermocouple 20A and the common electrode pad 72c, the same thermoelectric as the SOI layer 12 of the thin film 10 which has been experimentally prepared in advance. The substrate 1 of the thermal type flow sensor chip based on the calibration data of the relationship between the thermoelectromotive force and the temperature using the thermocouple composed of the thermoelectric material 120b of the same nichrome (Ni—Cr) film as the material 120a. And the temperature difference ΔTa (the temperature rise from the substrate 1) between the first thermocouple 20A and the hot junction 81A can be obtained. Further, since the substrate 1 uses a pn junction diode as the absolute temperature sensor 21, the absolute temperature sensor 21 also has a temperature dependence of the forward voltage Vf under a predetermined forward current obtained experimentally in advance. The temperature Ts of the base portion of the substrate 1 can be known from the calibration data. In this way, the absolute temperature Ta of the hot junction 81A is represented by the sum of the temperature Ts of the substrate 1 and the above temperature difference ΔTa due to heater heating. For example, since the temperature difference ΔTa is about 50 ° C. due to the heater heating of the 30 [mW] heater 25, for example, if the room temperature Tr is set to 20 ° C., the room temperature Tr is substantially equal to the temperature Ts. If this is the case, the absolute temperature Ta of the hot junction 81A is about 70 ° C., and if expressed in absolute temperature, it is about 343K.

図1に示すように、熱型フローセンサチップ100のヒータ25に対して第1の熱電対20A側が、被測定流体の上流側である場合、この上流側にあるヒータ加熱されている薄膜領域A48は冷やされ、下流側にあるヒータ加熱されている薄膜領域A49は多少、被測定流体の流れにより冷やされるが、ヒータ25により温められた被測定流体に晒されるので、上流側の薄膜領域A48に比べ、昇温される。この現象は、被測定流体の流れによって引き起こされるものなので、被測定流体の流速Vがゼロの時には、薄膜領域A48と薄膜領域A49に形成されている温接点81Aと温接点81Bとの間の温度差ΔTabは、被測定流体の流速Vと共に、ゼロからほぼ直線的に上昇する。しかし、流速Vが大きくなって行くと飽和するようになる。このことは、流れのある流体中での加熱された物体からの奪われる熱量Qfは、流体の速度Vの2分の1乗に比例するというキングの法則からも頷ける。したがって、本発明の熱型フローセンサにおいては、熱型フローセンサチップ100を図1に示すように、被測定流体の流速Vに薄膜領域A48が上流側になるようにして直接晒し、二端子としての電極パッド71aと電極パッド71bとを、演算増幅器(OPアンプ)のような差動増幅回路の非反転入力端子とアースEとの間に接続して、所望の増幅率で増幅して、その出力電圧を取り出して、例えば、これを予め実験的に用意してある校正データを利用し演算して、流速や流量として表示すればよい。ヒータ加熱は、30mWなどの所定の一定消費電力で、常時駆動しても良いが、例えば、被測定流体の流速Vに係らず、上流側の薄膜領域A48の温度を所定の温度、例えば、50℃のような一定値を維持する、もしくは、基板1と薄膜領域A48のとの温度差ΔTaを、例えば、30℃一定値を維持するなど、制御回路でヒータ25の駆動をするようにすることもできる。この場合は、第1の熱電対20Aの出力電圧(電極パッド71aと電極パッド72c間の出力電圧)を取り出して増幅する。 As shown in FIG. 1, when the first thermocouple 20A side is the upstream side of the fluid to be measured with respect to the heater 25 of the thermal type flow sensor chip 100, the heater-heated thin film region A48 on the upstream side. The thin film region A49 heated by the heater on the downstream side is somewhat cooled by the flow of the fluid to be measured, but is exposed to the fluid to be measured warmed by the heater 25, so that it is exposed to the thin film region A48 on the upstream side. In comparison, the temperature is increased. Since this phenomenon is caused by the flow of the fluid to be measured, when the flow velocity V of the fluid to be measured is zero, the temperature between the hot junction 81A and the hot junction 81B formed in the thin film region A48 and the thin film region A49. The difference ΔTab increases almost linearly from zero with the flow velocity V of the fluid to be measured. However, it becomes saturated as the flow velocity V increases. This can also be derived from King's law that the amount of heat Q f taken away from a heated object in a flowing fluid is proportional to the fluid's velocity V to the half power. Therefore, in the thermal type flow sensor of the present invention, as shown in FIG. 1, the thermal type flow sensor chip 100 is directly exposed to the flow velocity V of the fluid to be measured so that the thin film region A48 is on the upstream side. The electrode pad 71a and the electrode pad 71b are connected between a non-inverting input terminal of a differential amplifier circuit such as an operational amplifier (OP amplifier) and the ground E, and amplified with a desired amplification factor. The output voltage may be taken out, for example, calculated using calibration data prepared experimentally in advance and displayed as a flow velocity or a flow rate. The heater heating may be always driven with a predetermined constant power consumption such as 30 mW. For example, regardless of the flow velocity V of the fluid to be measured, the temperature of the upstream thin film region A48 is set to a predetermined temperature, for example, 50 The heater 25 is driven by the control circuit such as maintaining a constant value such as ° C, or maintaining the temperature difference ΔTa between the substrate 1 and the thin film region A48, for example, a constant value of 30 ° C. You can also. In this case, the output voltage of the first thermocouple 20A (the output voltage between the electrode pad 71a and the electrode pad 72c) is extracted and amplified.

図5には、本発明の熱型フローセンサの構成概要のブロック図を示す。ブロック図に示すように、例えば、室温Trが20℃で、図5に示す制御回路は、ヒータ25の所定の温度上昇分の制御、所定電力供給制御、ヒータの加熱温度制御が行えるようにするものであるが、ここでは、例えば、消費電力30mW一定でヒータ25を駆動する場合を示す。被測定流体としての空気が、その流速Vがゼロの時に、薄膜領域A48と薄膜領域A49とが、基板1の温度からΔTa=50℃だけ昇温した場合、流速V=5(sccm)で温接点81Aの温度が0.5℃程度下がり、温接点81Bが0.5℃程度上昇する。したがって、温接点81Aと温接点81Bとの間の温度差ΔTabは、1℃程度であり、これに基づく第1の熱電対20Aと第2の熱電対20Bとの差出力電圧が、熱型フローセンサチップ100の出力の二端子である電極パッド71aと電極パッド71bから外部に出力電圧として出力される。この出力電圧を図5の増幅回路に入力させて、予め用意してある上述のような校正用データを取り入れて、演算回路にて、被測定流体の種類の影響、温度の影響を補正(校正)し、気体の流速や流量の真の値を、表示部に送り表示するものである。増幅回路の増幅率は、可変抵抗回路により所望の大きさの出力電圧が得られるように、調整すればよい。図6に、可変抵抗回路150と、熱型フローセンサチップ100の出力の二端子である電極パッド71aと電極パッド71bから外部に出力電圧の入力の様子とを示した図5に示す増幅回路の例としての演算増幅回路の概略図を示す。熱型フローセンサチップ100の出力の二端子からの出力は、この演算増幅回路の非反転入力端子に入力されており、可変抵抗回路150は、反転入力端子に接続している。なお、可変抵抗回路150の複数の可変抵抗r1、r2、・・rkは、切替スイッチ310により切り替えて、例えば、r1が選択された場合は、演算増幅回路の増幅率A=(帰還抵抗Rf) / (可変抵抗r1)で表されるので、帰還抵抗Rf=100kΩで、r1=100Ωの場合は、増幅率A=1000となり、上記の熱型フローセンサチップ100の出力の二端子から温度差信号電圧は、1000倍に増幅される。もちろん、この演算増幅回路の他に、後段の増幅回路を設けて、液晶ディスプレイなどの駆動に必要な信号電圧まで増幅させることも良い。 In FIG. 5, the block diagram of the structure outline | summary of the thermal type flow sensor of this invention is shown. As shown in the block diagram, for example, the room temperature Tr is 20 ° C., and the control circuit shown in FIG. 5 enables control of a predetermined temperature rise of the heater 25, predetermined power supply control, and heating temperature control of the heater. However, here, for example, a case where the heater 25 is driven at a constant power consumption of 30 mW is shown. When the flow rate V of the air as the fluid to be measured is zero, the thin film region A48 and the thin film region A49 are heated at a flow rate V = 5 (sccm) when the temperature of the thin film region A48 and the thin film region A49 is increased by ΔTa = 50 ° C. The temperature of the contact 81A is lowered by about 0.5 ° C., and the hot contact 81B is raised by about 0.5 ° C. Therefore, the temperature difference ΔTab between the hot junction 81A and the hot junction 81B is about 1 ° C., and the difference output voltage between the first thermocouple 20A and the second thermocouple 20B based on this is the thermal flow. An output voltage is output to the outside from the electrode pad 71a and the electrode pad 71b which are two terminals of the output of the sensor chip 100. This output voltage is input to the amplifier circuit shown in FIG. 5, and the calibration data prepared in advance as described above is taken in, and the arithmetic circuit corrects the influence of the type of fluid to be measured and the influence of the temperature (calibration). ), And the true values of the gas flow velocity and flow rate are sent to the display unit for display. What is necessary is just to adjust the amplification factor of an amplifier circuit so that the output voltage of a desired magnitude | size can be obtained with a variable resistance circuit. 6 shows the variable resistance circuit 150, the electrode pad 71a that is the two terminals of the output of the thermal type flow sensor chip 100, and the state of input of the output voltage from the electrode pad 71b to the outside. A schematic diagram of an operational amplifier circuit as an example is shown. The output from the two terminals of the output of the thermal type flow sensor chip 100 is input to the non-inverting input terminal of the operational amplifier circuit, and the variable resistance circuit 150 is connected to the inverting input terminal. The plurality of variable resistors r1, r2,... Rk of the variable resistor circuit 150 are switched by the changeover switch 310. For example, when r1 is selected, the amplification factor A = (feedback resistor Rf) of the operational amplifier circuit / (Variable resistance r1), so that when the feedback resistance Rf = 100 kΩ and r1 = 100Ω, the amplification factor A = 1000, and the temperature difference signal is output from the two terminals of the output of the thermal type flow sensor chip 100 described above. The voltage is amplified 1000 times. Of course, in addition to the operational amplifier circuit, an amplifier circuit at the subsequent stage may be provided to amplify the signal voltage necessary for driving a liquid crystal display or the like.

図3は、本発明の熱フローセンサチップの他の一実施例を示す平面概略図であり、上記実施例1の図1と作用・効果もほぼ同一である。実施例の図1と本実施例の図3との大きな違いは、実施例の図1における薄膜領域A48と薄膜領域A49とは、薄膜10の架橋構造14の中央付近で、スリット41による熱抵抗部45を介してカンチレバ状に外側に飛び出したような構造にした場合であり、そのために、熱型フローセンサチップ100の温接点81Aと温接点81Bから出力の二端子である電極パッド71aと電極パッド71bまで延びている2本の熱電材料120bが、薄膜10の架橋構造14の幅が狭い領域を通って形成されている。これに対して、本実施例2の図3に示す熱フローセンサチップでは、薄膜領域A48と薄膜領域A49も架橋構造14になるようにしてあり、この新たな薄膜領域A48と薄膜領域A49からの架橋構造14の部分を通して、温接点81Aと温接点81Bから電極パッド71aと電極パッド71bまで延びる2本の熱電材料120bを形成している。実施例の図1における薄膜領域A48と薄膜領域A49は、カンチレバ状になっているので、カンチレバ形状が多少反るように曲がっていると、被測定流体の流速Vが大きくなるとその抵抗が大きくなり薄膜領域A48と薄膜領域A49が破壊されやすいが、本実施例2のように、薄膜領域A48と薄膜領域A49も架橋構造14にすることにより、薄膜領域A48と薄膜領域A49が更に支持部が増えると共に、反りが難くなるので、破壊され難くなるという理由による。しかし、その分、熱が基板1へ逃げやすくなるので、ヒータ25からの熱が逃げやすく、薄膜領域A48と薄膜領域A49が昇温し難く、消費電力も増すという点もあり、被測定流体の種類や流速Vの計測範囲などで、実施例1の図1に示す形状か、本実施例2の図3に示す形状か、を決定すると良い。 FIG. 3 is a schematic plan view showing another embodiment of the thermal flow sensor chip of the present invention, and the operation and effect are substantially the same as those of FIG. The major difference between FIG. 1 of the embodiment and FIG. 3 of the present embodiment is that the thin film region A48 and the thin film region A49 in FIG. 1 of the embodiment are near the center of the bridging structure 14 of the thin film 10 and the thermal resistance by the slit 41. This is the case where the structure protrudes outward in the shape of a cantilever through the portion 45. For this purpose, the electrode pad 71a and the electrode which are two terminals of the output from the hot junction 81A and the hot junction 81B of the thermal type flow sensor chip 100 are used. Two thermoelectric materials 120b extending to the pad 71b are formed through a region where the bridge structure 14 of the thin film 10 is narrow. On the other hand, in the thermal flow sensor chip shown in FIG. 3 of the second embodiment, the thin film region A48 and the thin film region A49 are also formed into the bridge structure 14, and the new thin film region A48 and the thin film region A49 Two thermoelectric materials 120b extending from the hot junction 81A and the hot junction 81B to the electrode pad 71a and the electrode pad 71b are formed through the bridging structure 14 portion. Since the thin film region A48 and the thin film region A49 in FIG. 1 of the embodiment are in a cantilever shape, if the cantilever shape is bent so as to be slightly bent, the resistance increases as the flow velocity V of the fluid to be measured increases. Although the thin film region A48 and the thin film region A49 are easily broken, the thin film region A48 and the thin film region A49 are further provided with support portions by forming the thin film region A48 and the thin film region A49 in the crosslinked structure 14 as in the second embodiment. At the same time, warping becomes difficult, so it is difficult to be destroyed. However, since the heat easily escapes to the substrate 1 accordingly, the heat from the heater 25 easily escapes, the thin film region A48 and the thin film region A49 are difficult to increase in temperature, and the power consumption increases. Depending on the type and the measurement range of the flow velocity V, the shape shown in FIG. 1 of the first embodiment or the shape shown in FIG. 3 of the second embodiment may be determined.

本発明の熱フローセンサとして、図3に示すような本発明の熱フローセンサチップを用いて、実施するのは、上記実施例1に示してあることとほぼ同様なので、ここではその詳細な説明を省略する。 As the heat flow sensor of the present invention, the heat flow sensor chip of the present invention as shown in FIG. 3 is used in the same manner as described in the first embodiment. Is omitted.

図4は、本発明の熱フローセンサチップの他の一実施例を示す平面概略図であり、上記実施例2の図3と同様であるが、上記実施例2の図3との大きな違いは、実施例2の図3では、薄膜10の架橋構造14の中央付近の温度計測用の熱電対が配置されていなかったので、架橋構造14の中央付近のヒータ25近傍の温度計測が直接できず、架橋構造14の中央付近から熱抵抗部45を介して形成されている薄膜領域A48と薄膜領域A49にそれぞれ形成されている温接点81Aと温接点81Bを利用して温度計億とヒータ25の温度制御を行うようにしていた。これに対して、本実施例3に示す図4の実施例では、架橋構造14の中央付近のヒータ25近傍にもヒータ部の熱電対20Hを設けてあることで、ヒータ25近傍で、しかも最も高温になる架橋構造14の中央付近の温度を直接計測できるようにしている点が、実施例2の図3との最も大きな違いである。架橋構造14の中央付近のヒータ25近傍の温度の計測は、上記の第1の熱電対20Aと第2の熱電対20Bによる薄膜領域A48と薄膜領域A49の温度計測と全く同様であり、ヒータ部の熱電対20Hの出力電圧の取り出し用の電極パッド71hと基板1に形成してある共通の冷接点82の電極パッド72cとの間の出力電圧から、薄膜領域A48と薄膜領域A49の温度計測と同様に、予め用意してある熱電対用の校正データを利用して、ヒータ部の熱電対20Hの温接点81Hの箇所の温度を計測することができる。そして、このヒータ部の熱電対20Hを利用して、上記図5に示す制御回路と温度可変手段との組み合わせなどで、例えば、消費電力30mW一定でヒータ25を駆動したり、ヒータ25近傍の温接点81Hにおける温度を所望の一定値、例えば、55℃に維持するようにヒータ25を駆動することもできる。 FIG. 4 is a schematic plan view showing another embodiment of the thermal flow sensor chip according to the present invention, which is the same as FIG. 3 in the second embodiment, but is different from the second embodiment in FIG. In FIG. 3 of Example 2, since the thermocouple for measuring the temperature near the center of the bridge structure 14 of the thin film 10 is not arranged, the temperature measurement near the heater 25 near the center of the bridge structure 14 cannot be directly measured. The thermometer 100 and the heater 25 are formed using the hot junction 81A and the hot junction 81B respectively formed in the thin film region A48 and the thin film region A49 formed from the vicinity of the center of the bridging structure 14 via the thermal resistance portion 45. The temperature was controlled. On the other hand, in the embodiment of FIG. 4 shown in the third embodiment, the thermocouple 20H of the heater portion is also provided in the vicinity of the heater 25 near the center of the bridging structure 14, so that The biggest difference from FIG. 3 of the second embodiment is that the temperature in the vicinity of the center of the bridge structure 14 that becomes high can be directly measured. The temperature measurement in the vicinity of the heater 25 near the center of the bridge structure 14 is exactly the same as the temperature measurement in the thin film region A48 and the thin film region A49 by the first thermocouple 20A and the second thermocouple 20B. Temperature measurement of the thin film region A48 and the thin film region A49 from the output voltage between the electrode pad 71h for extracting the output voltage of the thermocouple 20H and the electrode pad 72c of the common cold junction 82 formed on the substrate 1. Similarly, the temperature at the location of the hot junction 81H of the thermocouple 20H of the heater portion can be measured using calibration data for thermocouple prepared in advance. Then, using the thermocouple 20H of the heater unit, for example, the heater 25 is driven at a constant power consumption of 30 mW or the temperature in the vicinity of the heater 25 is combined with the control circuit shown in FIG. It is also possible to drive the heater 25 so that the temperature at the contact 81H is maintained at a desired constant value, for example, 55 ° C.

上記実施例2の図3と本実施例3の図4とのもう一つの違いは、図4では、実施例2の図3では描いていなかった校正回路手段200を本発明の熱フローセンサチップに搭載している場合である。この校正回路手段200を熱型フローセンサチップに搭載する必要は必ずしもなく、これを外部に取り付けて熱型フローセンサを構成しても良い。ただ、ここでは、基板1がSOI層12を有しているので、コンパクト化のためにIC製作技術を取り入れて、同一の熱型フローセンサチップに搭載した場合を示している。もちろん、この校正回路手段200は、上記の実施例の図1や図3にも搭載することも可能である。この校正回路手段200には、増幅回路210と演算回路220および制御回路230が含まれ、上記の図5に示した増幅回路と演算回路および制御回路を本実施例3の図4に示す熱型フローセンサチップに搭載していると考えることができる。この校正回路手段200では、増幅回路210と演算回路220に、温接点81Aと温接点81Bから出力の二端子である電極パッド71aと電極パッド71bからの被測定流体の流速や流量に係る出力電圧信号、ヒータ部の熱電対20Hの温接点81Hの箇所の温度に関する出力信号、基板1の温度に関する絶対温度センサ21からの出力信号などを送りだし、処理して、被測定流体の種類の影響、温度の影響を補正(校正)する。制御回路230では、ヒータ25の所定の温度上昇分の制御、所定電力供給制御やヒータの加熱温度制御が行えるようにしている。熱型フローセンサの動作に関しては、上記実施例と同様なので、その詳細な説明は省略する。 Another difference between FIG. 3 of the second embodiment and FIG. 4 of the third embodiment is that in FIG. 4, the calibration circuit means 200 not depicted in FIG. 3 of the second embodiment is replaced with the thermal flow sensor chip of the present invention. It is a case where it is mounted on. It is not always necessary to mount the calibration circuit means 200 on the thermal type flow sensor chip, and the thermal type flow sensor may be configured by attaching it to the outside. However, here, since the substrate 1 has the SOI layer 12, an IC manufacturing technique is incorporated for compactness and mounted on the same thermal type flow sensor chip. Of course, this calibration circuit means 200 can also be mounted in FIGS. 1 and 3 of the above embodiment. The calibration circuit means 200 includes an amplifier circuit 210, an arithmetic circuit 220, and a control circuit 230. The amplifier circuit, arithmetic circuit, and control circuit shown in FIG. 5 are the thermal type shown in FIG. It can be considered that it is mounted on the flow sensor chip. In the calibration circuit means 200, the output voltage related to the flow rate and flow rate of the fluid to be measured from the electrode pad 71a and the electrode pad 71b, which are two terminals of the output from the hot junction 81A and the hot junction 81B, is supplied to the amplifier circuit 210 and the arithmetic circuit 220. A signal, an output signal relating to the temperature of the hot junction 81H of the thermocouple 20H of the heater part, an output signal from the absolute temperature sensor 21 relating to the temperature of the substrate 1, etc. are sent out and processed, and the influence of the type of fluid to be measured, temperature Correct (calibrate) the effects of. In the control circuit 230, control for a predetermined temperature rise of the heater 25, predetermined power supply control, and heater heating temperature control can be performed. Since the operation of the thermal type flow sensor is the same as that of the above embodiment, its detailed description is omitted.

本発明の熱フローセンサでは、空気、窒素ガス、水素ガス、酸素ガス、アルゴンガスなどの単純な組成ではあることが分かっているが、どのガスが流れているかが分からない場合でも、被測定流体として気体である場合、その絶対温度計測、被測定流体の流れがない状態での上記実施例1から3における熱型フローセンサチップを利用して、その被測定流体の種類を特定することができる。例えば、標準ガスとして、窒素ガスを使用する。上記の被測定流体の気体は、標準ガスの窒素ガスとは、熱伝導率λの大きさが異なること、更にその被測定流体である被検出気体の熱伝導率λの温度依存性も異なる。単位面積、単位温度、単位時間当たりの伝熱量を熱伝達係数hと呼び、表面温度Twの物体から流体の温度Taへの熱移動量Q[W]は、表面温度Twと流体の温度Taとの温度差と熱伝達係数hに比例するニュートンの冷却の法則により表される。熱伝達係数hは、気体の流れがない場合には、単純になり、被測定流体の気体の熱伝導率λに比例する。したがって、被検出気体の温度は、熱型フローセンサチップに搭載している絶対温度センサ21で計測し、被検出気体の温度は、上記実施例1で示した熱型フローセンサの構成概要の図5のブロック図に記載してある温度可変手段250と制御回路230とを組合わせて、ヒータ25の加熱により、例えば、ヒータ25近傍の温度を室温Trから100℃程度までの所定の複数の各温度、例えば、室温Trの20℃から5℃間隔で100℃程度までの温度における第1の熱電対20Aの薄膜領域A48のその時の温度の計測のデータと、予め実験的に取得して用意してある標準ガスも含む空気、窒素ガス、水素ガス、酸素ガス、アルゴンガスなどの同一の複数の温度に関する取得データと比較して、同一の温度依存性のパターンを示す気体を探すことで、その未知の被検出気体を特定することができる。そして、特定された被検出気体の流速Vや流量の値は、被測定流体の標準ガスの窒素ガスを用いた予め用意してある校正用データとの比較で、校正することができる。 The heat flow sensor of the present invention has been found to have a simple composition such as air, nitrogen gas, hydrogen gas, oxygen gas, argon gas, etc., but even if it does not know which gas is flowing, the fluid to be measured As the gas, the absolute temperature measurement, the type of the fluid to be measured can be specified using the thermal type flow sensor chip in the first to third embodiments in the state where there is no flow of the fluid to be measured. . For example, nitrogen gas is used as the standard gas. The gas of the fluid to be measured is different from the standard nitrogen gas in that the thermal conductivity λ is different, and the temperature dependence of the thermal conductivity λ of the gas to be detected, which is the fluid to be measured, is also different. The amount of heat transfer per unit area, unit temperature, and unit time is called the heat transfer coefficient h, and the heat transfer amount Q [W] from the object with the surface temperature Tw to the fluid temperature Ta is the surface temperature Tw and the fluid temperature Ta. Is expressed by Newton's law of cooling, which is proportional to the temperature difference between and the heat transfer coefficient h. The heat transfer coefficient h becomes simple when there is no gas flow, and is proportional to the thermal conductivity λ of the gas of the fluid to be measured. Therefore, the temperature of the gas to be detected is measured by the absolute temperature sensor 21 mounted on the thermal type flow sensor chip, and the temperature of the gas to be detected is a schematic diagram of the configuration of the thermal type flow sensor shown in the first embodiment. 5 is combined with the temperature variable means 250 and the control circuit 230, and by heating the heater 25, for example, the temperature in the vicinity of the heater 25 is changed from a room temperature Tr to about 100 ° C. The temperature, for example, the temperature measurement data of the thin film region A48 of the first thermocouple 20A at a temperature from 20 ° C. at room temperature Tr to about 100 ° C. at intervals of 5 ° C. Compared with acquired data on the same multiple temperatures, such as air, nitrogen gas, hydrogen gas, oxygen gas, argon gas, etc., including standard gases, gases that show the same temperature dependence pattern In Succoth, it is possible to identify the unknown of the detected gas. Then, the flow velocity V and the flow rate value of the specified gas to be detected can be calibrated by comparison with calibration data prepared in advance using the standard gas nitrogen gas of the fluid to be measured.

上述では、ヒータ25近傍の温度を室温Trから100℃程度までの所定の複数の各温度における第1の熱電対20Aの薄膜領域A48のその時の温度の計測のデータとしたが、ヒータ25を加熱して温度飽和を生じたと見做されるときの温度計測でも良いし、ヒータ25加熱を止めて、未知の被検出気体の中で、第1の熱電対20Aが配されている薄膜領域A48が冷却して行くときの冷却過程での時間経過の温度特性のパターン形状の比較で、未知の被検出気体(既知の気体で、熱的特性が分かっている気体)の特定をすることもできる。水素ガスのように熱伝導率λの大きい気体では、熱時定数τが小さく速やかに冷却されるが、アルゴンガスのように熱伝導率λの小さい気体では、熱時定数τが大きく同様に指数関数的ではあるがゆっくりと冷却される。上記では、第1の熱電対20Aでの温度計測を例にとったが、第2の熱電対20Bでも良く、場合によっては、ヒータ部の熱電対20Hによるヒータ25の近傍の温度計測でも良い。また、上述では、被測定流体として気体に限定して説明したが、液体においても標準液体の設定、既知の液体の熱伝導率λの温度依存性などのデータを利用し、未知の被検出液体の特定も、気体の場合と同様に扱うことができる。 In the above description, the temperature in the vicinity of the heater 25 is the data for measuring the temperature of the thin film region A48 of the first thermocouple 20A at each of a plurality of predetermined temperatures from room temperature Tr to about 100 ° C. Then, the temperature may be measured when it is considered that temperature saturation has occurred, or the heating of the heater 25 is stopped, and the thin film region A48 where the first thermocouple 20A is arranged in the unknown gas to be detected is provided. It is also possible to identify an unknown gas to be detected (a known gas, a gas whose thermal characteristics are known) by comparing the pattern shape of the temperature characteristics over time in the cooling process when cooling. A gas having a large thermal conductivity λ such as hydrogen gas has a small thermal time constant τ and is quickly cooled. However, a gas having a small thermal conductivity λ such as argon gas has a large thermal time constant τ and has a similar exponent. It is functional but cools slowly. In the above description, the temperature measurement with the first thermocouple 20A is taken as an example, but the second thermocouple 20B may be used, and depending on the case, the temperature measurement in the vicinity of the heater 25 may be performed with the thermocouple 20H of the heater unit. Further, in the above description, the fluid to be measured is limited to gas, but the liquid to be detected is also unknown by using data such as the standard liquid setting and the temperature dependence of the thermal conductivity λ of the known liquid. This can be handled in the same manner as in the case of gas.

本発明の熱型フローセンサチップと熱型フローセンサとは、本実施例に限定されることはなく、本発明の主旨、作用および効果が同一でありながら、当然、種々の変形がありうる。 The thermal type flow sensor chip and the thermal type flow sensor of the present invention are not limited to this embodiment, and naturally, various modifications can be made while the gist, operation and effect of the present invention are the same.

本発明の熱型フローセンサチップは、フォトリソグラフィによるMEMS技術で形成できるので、半導体熱電対を用いた超小型のセンシング部を有し、画一的な形状で大量生産性がある。温度センサに熱電材料のゼーベック係数αだけにより熱熱起電力が決定される熱電対を使用しており、また、半導体熱電対を用いているので、金属の熱電対に対して
1桁以上の高感度化が望めることからサーモパイルにする必要がなく、更に温度センシング部は、温接点だけである熱電対を用いることができるので、極めてコンパクトで、高感度かつ高精度の温度センサとなる。被測定流体の速度Vの存在により温度差が生じる温接点81Aと温接点81Bからの二端子で出力できるので、単純な回路構成になり、更に、その出力電圧の正負の符号により流れの方向まで検出できるので、往復の流れがある流路などの被測定流体の速度Vや流量を計測する熱型フローセンサとしても好適である。また、被測定流体の速度Vや流量が大きい場合には、流路にバイパスを設けて、そのバイパス領域に本発明の熱型フローセンサチップを形成しておくことにより、被測定流体の速度Vや流量の計測範囲の拡大が望める。本発明の熱型フローセンサは、気体ばかりでなく液体の被測定流体にも適用できるものである。
Since the thermal type flow sensor chip of the present invention can be formed by the MEMS technology by photolithography, it has an ultra-small sensing unit using a semiconductor thermocouple, and has a uniform shape and high productivity. A thermocouple whose thermoelectromotive force is determined only by the Seebeck coefficient α of the thermoelectric material is used for the temperature sensor, and a semiconductor thermocouple is used. Since it is possible to increase sensitivity, it is not necessary to use a thermopile, and the temperature sensing unit can use a thermocouple that is only a hot junction, so that the temperature sensor is extremely compact, highly sensitive, and highly accurate. Since the temperature can be output from the two terminals from the hot junction 81A and the hot junction 81B where a temperature difference occurs due to the presence of the velocity V of the fluid to be measured, a simple circuit configuration is obtained, and further, the direction of the flow is determined by the sign of the output voltage. Since it can be detected, it is also suitable as a thermal flow sensor for measuring the velocity V and flow rate of a fluid to be measured such as a flow path having a reciprocating flow. When the velocity V or flow rate of the fluid to be measured is large, a bypass is provided in the flow path, and the thermal flow sensor chip of the present invention is formed in the bypass region, so that the velocity V of the fluid to be measured is obtained. And the measurement range of flow rate can be expanded. The thermal type flow sensor of the present invention can be applied not only to a gas but also to a liquid to be measured.

1 基板
2 下地基板
10 薄膜
12 SOI層
13 BOX層
14 架橋構造
20 温度センサ
20A 第1の熱電対
20B 第2の熱電対
20H ヒータ部の熱電対
21 絶対温度センサ
25 ヒータ
40 空洞
41 スリット
45 熱抵抗部
48 薄膜領域A
49 薄膜領域B
50 シリコン酸化膜
70a、70b 電極パッド
71a、71b、71h 電極パッド
72c 電極パッド
81A、81B、81H 温接点
82 冷接点
100 熱フローセンサチップ
120、120a、120b 熱電材料
150 可変抵抗回路
200 校正回路手段
210 増幅器
220 演算回路
230 制御回路
250 温度可変手段
310 切替スイッチ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 Base substrate 10 Thin film 12 SOI layer 13 BOX layer 14 Crosslinking structure 20 Temperature sensor 20A First thermocouple 20B Second thermocouple 20H Heater thermocouple 21 Absolute temperature sensor 25 Heater 40 Cavity 41 Slit 45 Thermal resistance Part 48 Thin film region A
49 Thin film region B
50 Silicon oxide films 70a, 70b Electrode pads 71a, 71b, 71h Electrode pads 72c Electrode pads 81A, 81B, 81H Hot junction 82 Cold junction 100 Thermal flow sensor chips 120, 120a, 120b Thermoelectric material 150 Variable resistance circuit 200 Calibration circuit means 210 Amplifier 220 Arithmetic circuit 230 Control circuit 250 Temperature varying means 310 Changeover switch

Claims (6)

基板(1)から空洞(40)により熱分離されている半導体薄膜を主材料とした薄膜(10)は、架橋構造であること、該薄膜(10)の被測定流体の流れの方向の中央部にはヒータ(25)があること、該ヒータ(25)を挟んで前記被測定流体の流れの方向の両側に、前記ヒータ(25)から熱抵抗部(45)を介して、同一の薄膜(10)の中で対称な位置に薄膜領域Aと薄膜領域Bが形成されていること、これらの薄膜領域Aと薄膜領域Bに、前記薄膜(10)を共通の熱電材料とした第1の熱電対(20A)と第2の熱電対(20B)のそれぞれの温接点(81A)と温接点(81B)がそれぞれ配置され、前記ヒータ(25)から熱を受け取り加熱される構造であること、前記第1の熱電対(20A)と第2の熱電対(20B)とを、これらの温度差が検出できるように直列接続して、外部に二端子として取り出すようにしたこと、を特徴とする熱型フローセンサチップ。 The thin film (10) mainly composed of a semiconductor thin film thermally separated from the substrate (1) by the cavity (40) has a crosslinked structure, and the central portion of the thin film (10) in the direction of the flow of the fluid to be measured. Has a heater (25), and the same thin film (from the heater (25) through the thermal resistance portion (45) on both sides of the flow of the fluid to be measured across the heater (25). 10) that the thin film region A and the thin film region B are formed at symmetrical positions, and the thin film region A and the thin film region B have the first thermoelectric material using the thin film (10) as a common thermoelectric material. Each of the hot junction (81A) and the hot junction (81B) of the pair (20A) and the second thermocouple (20B) is disposed, and is configured to receive heat from the heater (25) and be heated, First thermocouple (20A) and second thermocouple (20B) Was converted, these connected in series so that the temperature difference can be detected, a thermal flow sensor chip that they were taken out as external to the two-terminal, characterized by. 基板(1)に絶対温度センサを形成した請求項1記載の熱型フローセンサチップ。 The thermal type flow sensor chip according to claim 1, wherein an absolute temperature sensor is formed on the substrate (1). 前記請求項1もしくは2記載の熱型フローセンサチップを搭載し、前記ヒータ(25)の加熱に基づき、前記被測定流体の流れにより生じる前記第1の熱電対(20A)と第2の熱電対(20B)との温度差を計測し、予め用意してある校正データを利用して、前記被測定流体の流れを計測するようにしたこと、を特徴とする熱型フローセンサ。 The thermal type flow sensor chip according to claim 1 or 2 is mounted, and the first thermocouple (20A) and the second thermocouple generated by the flow of the fluid to be measured based on the heating of the heater (25). A thermal type flow sensor characterized in that a temperature difference from (20B) is measured and the flow of the fluid to be measured is measured using calibration data prepared in advance. 前記請求項1に記載の二端子からの出力電圧において、前記被測定流体の流れが無い状態での出力電圧をゼロとして、正と負の出力電圧の符号から前記被測定流体の流れの向きを判定し、それらの出力電圧の大きさから流れの速度を計測できるようにした請求3記載の熱型フローセンサ。 The output voltage from the two terminals according to claim 1, wherein the output voltage in a state where there is no flow of the fluid to be measured is zero, and the flow direction of the fluid to be measured is determined from the signs of the positive and negative output voltages. The thermal type flow sensor according to claim 3, wherein the thermal flow sensor is capable of determining and measuring the flow speed from the magnitude of the output voltage. 前記請求項1に記載の二端子からの出力電圧を演算増幅器の非反転入力端子に接続し、前記演算増幅器の反転入力端子に可変抵抗を接続し、該可変抵抗を所定の抵抗値に切り替えることで、前記被測定流体の流れの速度の計測範囲の拡大ができるように構成した請求項3もしくは4のいずれかに記載の熱型フローセンサ。 The output voltage from the two terminals according to claim 1 is connected to a non-inverting input terminal of an operational amplifier, a variable resistor is connected to the inverting input terminal of the operational amplifier, and the variable resistor is switched to a predetermined resistance value. The thermal flow sensor according to claim 3, wherein the measurement range of the flow velocity of the fluid to be measured can be expanded. 前記ヒータ(25)の加熱温度を変化させる温度可変手段(250)を備えてあること、前記被測定流体の流れを止めた状態で、前記ヒータ(25)の加熱温度を種々の所定温度に前記温度可変手段(250)を用いて変化できるようにしたこと、前記第1の熱電対(20A)と第2の熱電対(20B)の種々の前記所定温度における出力電圧と、前記所定温度に対応する複数の所定の流体のそれぞれの熱伝導率に関する予め用意してあるデータとを利用し、前記被測定流体の種類をも特定できるようにしたこと、を特徴とする請求項3から5のいずれかに記載の熱型フローセンサ。 A temperature variable means (250) for changing the heating temperature of the heater (25) is provided, and the heating temperature of the heater (25) is set to various predetermined temperatures while the flow of the fluid to be measured is stopped. The temperature can be changed using the temperature variable means (250), the output voltages of the first thermocouple (20A) and the second thermocouple (20B) at various predetermined temperatures, and the predetermined temperature. 6. The method according to claim 3, wherein the type of the fluid to be measured can be specified by using data prepared in advance regarding the thermal conductivity of each of the plurality of predetermined fluids. Thermal type flow sensor according to crab.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2021132097A (en) * 2020-02-19 2021-09-09 東京エレクトロン株式会社 Substrate processing method, substrate for evaluating gas flow and substrate processing device
CN113532561A (en) * 2020-04-16 2021-10-22 纬湃汽车电子(长春)有限公司 Gas flow sensor

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