JPH08219836A - マスフローセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】検出感度を向上させ、微小流においても高感度
な量産に適したマスフローセンサを提供する。 【構成】ガラスまたはセラッミクの熱伝導率が小さい材
料からなる基板７と、この基板７の両面に形成され, 各
面に対をなす薄膜熱感知体(1a,2a),(1b,2b)と、からな
り、対をなす薄膜熱感知体(1a,2a),(1b,2b) は、検知す
べき流体の流れ方向Ｂに対して、上流側に配置される薄
膜熱感知体(1a,1b) と、下流側に配置される薄膜熱感知
体(2a,2b) と、を備え、薄膜熱感知体(1a,2a),(1b,2b)
は、加熱体であるとともに測温抵抗体であり、上流側同
士の薄膜熱感知体(1a,1b) および下流側同士の薄膜熱感
知体(2a,2b) をホイートストンブリッジの対辺に配備す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、薄膜熱感知体により形
成されたホイートストンブリッジ回路の抵抗値が流体の
通過によって変化することから流体の流量を測定するマ
スフローセンサの構造および回路構成に関する。

【０００２】

【従来の技術】マスフローセンサは、発熱抵抗体により
加熱された測温抵抗体の抵抗値が流体の通過によりその
抵抗値が変化することを利用して流体の流量を検出する
ものである。図６は従来技術のマスフローセンサの構造
図である。図６において、マスフローセンサは、シリコ
ン基板４の上に熱絶縁用の酸化シリコン膜4Aを設け、こ
の酸化シリコン膜4Aの中心に発熱抵抗体3aを形成し、同
じ酸化シリコン膜4Aの上に対をなす第１測温抵抗体1aと
第２測温抵抗体2aを発熱抵抗体3aを中心として左右対称
に配置する。

【０００３】かかる構成で、発熱抵抗体3aに電極６を介
して定電流を流すと、測温抵抗体1a、2aの温度が上昇す
る。この状態で流体を第１測温抵抗体1aの方向から発熱
抵抗体3a、第２測温抵抗体2aに向けて流す。流体は第１
測温抵抗体1aを冷却し、発熱抵抗体3aで加熱されて第２
測温抵抗体2aをさらに加熱する。この様にして第１測温
抵抗体1aは温度が低下し、第２測温抵抗体2aは温度が上
昇する。２つの測温抵抗体1a、2aは、図６の(C) に図示
される様に、ブリッジ回路に直列に接続されており、温
度変化によって生ずる抵抗値の変化から発生する不平衡
電圧と、ブリッジ回路の他の辺のバイアス電圧との差電
圧により流体の流量を検出する。

【０００４】このようなマスフローセンサはシリコン半
導体基板４の表面に熱酸化により酸化シリコン膜4Aを形
成し、スパッタリング法によりNi膜を基板表面(4A)に成
膜し、フォトリソグラフィの方法により第１測温抵抗体
1a、発熱体3a、第２測温抵抗体2aのパターニングを行
う。その後、基板４の裏面からプラズマエッチングによ
り第１測温抵抗体1a、発熱抵抗体3a、第２測温抵抗体2a
の下方に空洞部4Bを設け酸化シリコン膜4Aからなるダイ
アフラムを形成する。

【０００５】空洞部4Bを設けることにより第１測温抵抗
体1aと発熱抵抗体3aと第２測温抵抗体2aの下部が酸化シ
リコン膜4Aのみとなり、第１測温抵抗体1aと第２測温抵
抗体2aの温度変化を鋭敏にすることができる。今、この
空洞部4Bが形成されていないとすると、酸化シリコン膜
4A自身は熱伝導率が小さく熱絶縁性が良いが、酸化シリ
コン膜4Aの膜厚さが薄いため、第１測温抵抗体1aおよび
第２測温抵抗体2aが検出した温度差はこの酸化シリコン
膜4Aを介して比較的熱良導体性であるシリコン半導体基
板４に流れ、検出感度の低下をまねく。このため、上述
のごとく、空洞部4Bを設けることにより、第１測温抵抗
体1aと発熱抵抗体3aと第２測温抵抗体2aの下部は酸化シ
リコン膜4Aのみとなり、第１測温抵抗体1aと第２測温抵
抗体2aの間の比熱の減少とともに熱絶縁性が改善され、
微小な流体変化に対して高感度に、鋭敏に温度変化を検
出することができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
様な従来技術のマスフローセンサでは、測温抵抗体から
なる感熱体はセンサ基板平面上に配置されるため、この
マスフローセンサによる流体の検出は、被測定流体と感
熱体との接触状況に依存し、センサ基板表面上を流れる
表面流の検出を行っている。このため、被測定流体の微
小流を検出するとき、センサの配置の仕方、位置によっ
ては流体と感熱体との接触が十分に行われず、十分な感
度が得られない場合がある。また、被測定流体の検出感
度を上げる方法として、ヒータなどの補助加熱手段を用
いて流体検出特性を改善する方法が行われているが、こ
のような場合、独立したヒータ駆動回路を必要とし、構
成が複雑になっていた。

【０００７】本発明は上記の点にかんがみてなされたも
のであり、その目的は前記した課題を解決して、マスフ
ローセンサとしての検出感度を向上させ、微小流におい
ても高感度な量産に適したマスフローセンサを提供する
ことにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、第１の発明によれば、ガラスまたはセラッミクの熱
伝導率が小さい材料からなる基板と、この基板の両面に
形成され各面に対をなす薄膜熱感知体と、からなり、対
をなす薄膜熱感知体は検知すべき流体の流れ方向に対し
て上流側に配置される薄膜熱感知体と下流側に配置され
る薄膜熱感知体とを備え、薄膜熱感知体は加熱体である
とともに測温抵抗体であり、上流側同士および下流側同
士の薄膜熱感知体をホイートストンブリッジの対辺に配
備するものとする。

【０００９】また、第２の発明によれば、対をなす薄膜
熱感知体の外側の側端面を基板の側端面の近傍に配置す
るものとする。また、第３の発明によれば、対をなす薄
膜熱感知体の中間位置に第３薄膜熱感知体を形成し、第
３薄膜熱感知体への給電は対をなす薄膜熱感知体が構成
するホイートストンブリッジ回路と同一電源から行うも
のとする。

【００１０】また、対をなす薄膜熱感知体が構成するホ
イートストンブリッジ回路と第３薄膜熱感知体とを直列
に接続するものとする。また、対をなす薄膜熱感知体が
構成するホイートストンブリッジ回路と第３薄膜熱感知
体とを並列に接続するものとする。また、対をなす薄膜
熱感知体が有する個々の抵抗値と、第３薄膜熱感知体の
抵抗値とを異なる値に選択するものとする。

【００１１】

【作用】上記構成により、第１の発明によれば、マスフ
ローセンサの基板の表裏両面に薄膜熱感知体をパターニ
ングするため、従来技術の片面に薄膜熱感知体を構成・
配備したものと較べ、被測定流体と薄膜熱感知体との流
体接触面積を約２倍に増加することができ、対をなす薄
膜熱感知体でホイートストンブリッジ回路を構成したと
きの出力電圧を従来技術の約２倍に大きくすることがで
き、検出感度の増加を図ることができる。

【００１２】また、第２の発明によれば、薄膜熱感知体
の側端面を基板の側端面の近傍に配置することにより、
センサ基板の上流側エッジ部の冷却効果を利用すること
ができ、薄膜熱感知体の温度変化を鋭敏にすることがで
きる。また、第３の発明によれば、上流側薄膜熱感知体
と下流側薄膜熱感知体との間に補助加熱体としての機能
を有する第３薄膜熱感知体を配備することにより、下流
側薄膜熱感知体の加熱効果を高めることができ、さら
に、この第３薄膜熱感知体への給電はホイートストンブ
リッジ回路と同一電源に接続することができ、必要とす
る安定化電源回路の数を削減できる。

【００１３】さらに、対をなす薄膜熱感知体の抵抗値
と、第３薄膜熱感知体の抵抗値とを変えることにより、
流体検出に必要な最適な温度場を形成することができ
る。

【００１４】

【実施例】図１は本発明の一実施例であり第１の発明に
よるマスフローセンサの構成図、図２はこのマスフロー
センサのホイートストンブリッジ回路図、図３は他の実
施例であり第２の発明によるマスフローセンサの構成
図、図４は第３の発明によるマスフローセンサの構成
図、図５はこの第３の発明によるマスフローセンサの回
路構成図であり、図６に対応する同一部材には同じ符号
が付してある。

【００１５】実施例１ 図１は、第１の発明に係わる一実施例のマスフローセン
サの構成図であり、図１の(A) は正面図とその A-A断面
からみた断面図を、図１の(B) は側面図を示す。図１に
おいて、マスフローセンサは、ガラスまたはセラッミク
の熱伝導率の小さい材料からなる基板７と、この基板７
の両面に形成され、一方の面上に対をなす薄膜熱感知体
(1a,2a) と、他方の面上に対をなす薄膜熱感知体(1b,2
b) とが電極パターン部６を介して形成される。この対
をなす薄膜熱感知体(1a,2a),(1b,2b) は、検知すべき流
体の流れ方向Ｂに対して上流側に配置される薄膜熱感知
体（以下、上流側薄膜熱感知体を1a,1b とする）と、下
流側に配置される薄膜熱感知体(2a,2b) と、を備える。
また、薄膜熱感知体(1a,2a),(1b,2b) は、加熱体である
とともに測温抵抗体であり、上流側同士の薄膜熱感知体
(1a,1b) および下流側同士の薄膜熱感知体(2a,2b) を図
２に図示するホイートストンブリッジ回路の対辺に接続
する。

【００１６】かかる構成で、加熱体であるとともに測温
抵抗体である薄膜熱感知体(1a,2a),(1b,2b) に電極パタ
ーン部６を介して電流を流すと、薄膜熱感知体(1a,2a),
(1b,2b) の周辺温度が上昇する。この状態で流体を矢視
Ｂの方向に流す。流体通路にある高温の流体の分布が移
動することにより、流体は、上流側の薄膜熱感知体(1a,
1b) を冷却し、下流側の薄膜熱感知体(2a,2b) を加熱す
る。この様にして、薄膜熱感知体(1a,1b) は温度が低下
し、薄膜熱感知体(2a,2b) は温度が上昇する。上流側お
よび下流側の薄膜熱感知体(1a,1b),(2a,2b) がブリッジ
回路の対辺に配置されているので、上述の温度差でブリ
ッジに不平衡が発生し、ブリッジ不平衡電圧より流体の
流量を検出することができる。

【００１７】本マスフローセンサと図６による従来技術
のマスフローセンサと異なる主な点は、センサ基板の両
面に薄膜熱感知体をパターニングして構成される点であ
る。この様な構成にすることにより，従来の片面型に比
べ感熱体の面積を２倍にでき、図２の様にホイートスト
ンブリッジを組むことにより出力電圧を約２倍にするこ
とができ、検出感度の増加を図ることができる。

【００１８】実施例２ 図３は、第２の発明に係わる他の実施例のマスフローセ
ンサの構成図であり、図３の(A) は正面図とその A-A断
面からみた断面図を、図３の(B) は側面図を示す。図３
において、図１と異なる点は、図１の基板７を流体が流
れる方向と直交する基板７の側面の一部を台形状7Aに除
去し、対をなす薄膜熱感知体(1a,2a),(1b,2b) の外側の
側端面が基板７の側端面の近傍に配置される様に構成す
る。

【００１９】かかる構成で、マスフローセンサを被検出
流体の流路の中心に配置する。被検出流体は基板７の両
面の表面を通過する。この様な構成にすることにより、
薄膜熱感知体(1a,2a),(1b,2b) と被検出流体との接触
が、図１に図示される基板７の側端面と薄膜熱感知体(1
a,2a),(1b,2b) の外側の側端面との間に距離を有する構
成と較べて、結合が密になり、基板７のエッジ部の冷却
効果により上流側の薄膜熱感知体(1a,1b) の温度変化が
鋭敏になり、マスフローセンサの検出感度の向上を図る
ことができる。

【００２０】尚、本発明の実施例で電極パターン部６の
構成・配置を配慮することにより、基板７の側面の一部
を台形状7Aに除去する必要は必ずしもなく、図１に図示
される様な矩形状であり、対をなす薄膜熱感知体(1a,2
a),(1b,2b) の外側の側端面が基板７の側端面の近傍に
配置される様に構成してもよい。 実施例３ 図４は、第３の発明に係わる他の実施例のマスフローセ
ンサの構成図であり、図４の(A) は正面図とその A-A断
面からみた断面図を、図４の(B) は側面図を示す。図４
において、図１および図３と異なる点は、対をなす薄膜
熱感知体(1a,2a),(1b,2b) の中間位置に配置される第３
薄膜熱感知体(3a,3b) を形成し、第３薄膜熱感知体(3a,
3b) への給電は、この対をなす薄膜熱感知体(1a,2a),(1
b,2b) が構成するホイートストンブリッジ回路と同一電
源から行う様に構成するところにある。図４に図示した
実施例では図３の実施例に上記第３薄膜熱感知体(3a,3
b)を形成した場合を示す。尚、電極パターン部６は、図
５に図示する接続例の端子位置を明示するため、61a 〜
64a, 61b〜64b と細分化した。

【００２１】かかる構成で、ホイートストンブリッジ回
路を構成する対をなす薄膜熱感知体(1a,2a),(1b,2b) お
よび第３薄膜熱感知体(3a,3b) に給電することにより、
薄膜熱感知体(1a,2a),(1b,2b) および第３薄膜熱感知体
(3a,3b) の温度が上昇する。この状態で流体を矢視Ｂ方
向に向けて流す。流体は薄膜熱感知体(1a,1b) を冷却
し、第３薄膜熱感知体(3a,3b) で加熱されて、薄膜熱感
知体(2a,2b) をさらに加熱する。この様にして薄膜熱感
知体(1a,1b) は温度が低下し、薄膜熱感知体(2a,2b) は
温度が上昇する。第３薄膜熱感知体(3a,3b) で加熱され
た被測定流体は微小流においても、下流側の薄膜熱感知
体(2a,2b) の加熱効果を増すことができ、下流側の薄膜
熱感知体(2a,2b) の感熱特性を向上することができる。
図４の図示例では、実施例２で既に説明した様に、対を
なす薄膜熱感知体(1a,2a),(1b,2b)の外側の側端面が基
板７の側端面の近傍に配置されているので、基板７のエ
ッジ部の冷却効果による上流側の薄膜熱感知体(1a,1b)
の感熱特性の向上を図るとともに、第３薄膜熱感知体(3
a,3b) による下流側の薄膜熱感知体(2a,2b) の感熱特性
の向上と併せて相乗効果を発揮することができ、マスフ
ローセンサの検出感度の向上を図ることができる。

【００２２】図５は、第３薄膜熱感知体(3a,3b) を補助
加熱体としてホイートストンブリッジ回路と同一電源か
ら給電する接続例を図示したものであり、図５の(A) は
ホイートストンブリッジ回路と第３薄膜熱感知体(3a,3
b) とを直列に接続したものであり、図５の(B),(C) は
並列に接続したものである。図５の(A) において、ホイ
ートストンブリッジ回路は図４に図示される端子(61a,6
2b) 間および(61b,62a)間を接続する。安定化電源８へ
の接続は端子64a,64b をそれぞれ電源端子に接続するこ
とにより、直列接続を行うことができる。この接続方法
では、第３薄膜熱感知体(3a,3b) に流れる電流は２倍で
あるので、薄膜熱感知体(1a,2a),(1b,2b)の抵抗値と第
３薄膜熱感知体(3a,3b) の抵抗値が等しいとき、第３薄
膜熱感知体(3a,3b) の温度上昇は薄膜熱感知体(1a,2a),
(1b,2b) の温度上昇のほぼ４倍となる。第３薄膜熱感知
体(3a,3b) の抵抗値を小さくすることにより、この温度
上昇率を下げることができる。即ち、薄膜熱感知体(1a,
2a),(1b,2b) と第３薄膜熱感知体(3a,3b) の抵抗値の比
率を適切に選ぶことにより、基板７上に流体検出に最適
な温度分布をつくることができる。

【００２３】また、図５の(B),(C) はホイートストンブ
リッジ回路と第３薄膜熱感知体(3a,3b) を並列に接続し
たものである。図５の(B),(C) において、ホイートスト
ンブリッジ回路は端子(61a,62b) 間および(61b,62a) 間
を接続する。安定化電源８への接続は端子63a,63b をそ
れぞれ電源端子に接続し、残りの端子64a,64b の接続場
所により、図５の(B) あるいは図５の(C) の並列接続を
行うことができる。図５の(B) の接続方法では、ホイー
トストンブリッジの各辺に流れる電流と第３薄膜熱感知
体(3a,3b) に流れる電流とは等しいので、各薄膜熱感知
体1a,2a,1b,2b,3a,3b の抵抗値が等しいとき、各薄膜熱
感知体1a,2a,1b,2b,3a,3b の温度上昇はほぼ等しくな
る。また、図５の(C) の接続方法では、第３薄膜熱感知
体(3a,3b)の温度上昇は薄膜熱感知体(1a,2a),(1b,2b)
の温度上昇のほぼ４倍となる。第３薄膜熱感知体(3a,3
b) の抵抗値を大きくすることにより、この温度上昇率
を下げることができる。即ち、薄膜熱感知体(1a,2a),(1
b,2b) と第３薄膜熱感知体(3a,3b) の抵抗値の比率を適
切に選ぶことにより、基板７上に流体検出に最適な温度
分布をつくることができる。

【００２４】

【発明の効果】以上述べたように第１の発明によれば、
薄膜熱感知体を基板の両面に形成するため、従来技術の
片面に薄膜熱感知体を構成・配備したものと較べ、流体
と薄膜熱感知体との流体接触面積を約２倍に増加するこ
とができ、対をなす薄膜熱感知体でホイートストンブリ
ッジ回路を構成したときの出力電圧を従来技術の約２倍
に大きくすることができ、検出感度の増加を図ることが
できる。

【００２５】また、第２の発明によれば、薄膜熱感知体
の側端面を基板の側端面の近傍に配置することにより、
流体と薄膜熱感知体との接触が従来構成に比べて密する
ことができ、センサ基板エッジ部の冷却効果により上流
側感熱体の温度変化が鋭敏に検出することができる。ま
た、第３の発明によれば、上流側薄膜熱感知体と下流側
薄膜熱感知体との間に補助加熱体としての機能を有する
第３薄膜熱感知体を配備することにより、下流側薄膜熱
感知体の加熱効果を高めることができる。さらに、この
第３薄膜熱感知体への給電はホイートストンブリッジ回
路と同一電源に接続することができ、補助加熱体を駆動
する特別な回路が不要となる。

【００２６】さらに、対をなす薄膜熱感知体の抵抗値と
第３薄膜熱感知体の抵抗値との比率を適切に選ぶことに
より、センサ基板上に流体検出に最適な温度分布を形成
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例であり第１の発明によるマス
フローセンサの構成図

【図２】第１または第２の実施例におけるホイートスト
ンブリッジ回路図

【図３】第２の実施例におけるマスフローセンサの構成
図

【図４】第３の実施例におけるマスフローセンサの構成
図

【図５】第３の実施例におけるマスフローセンサの回路
構成図

【図６】従来技術によるマスフローセンサの構成図

【符号の説明】

1a,2a,1b,2b 薄膜熱感知体 3a,3b 第３薄膜熱感知体 ４ シリコン半導体基板 4A 酸化シリコン膜 4B 空洞部 ６,61a〜64a,61b 〜64b 電極パターン部 ７ ガラスまたはセラッミク基板 ８ 安定化電源 Ｂ 流体の流れ方向

フロントページの続き (72)発明者 相馬 伸一 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ガラスまたはセラッミクの熱伝導率が小さ
   い材料からなる基板と、 この基板の両面に形成され、各面に対をなす薄膜熱感知
   体と、からなり、 対をなす薄膜熱感知体は、検知すべき流体の流れ方向に
   対して、上流側に配置される薄膜熱感知体と、下流側に
   配置される薄膜熱感知体と、を備え、 薄膜熱感知体は、加熱体であるとともに測温抵抗体であ
   り、上流側同士および下流側同士の薄膜熱感知体をホイ
   ートストンブリッジの対辺に配備する、 ことを特徴とするマスフローセンサ。
2. 【請求項２】請求項１に記載のマスフローセンサにおい
   て、対をなす薄膜熱感知体の外側の側端面を基板の側端
   面の近傍に配置する、ことを特徴とするマスフローセン
   サ。
3. 【請求項３】請求項１または請求項２に記載のマスフロ
   ーセンサにおいて、対をなす薄膜熱感知体の中間位置に
   第３薄膜熱感知体を形成し、第３薄膜熱感知体への給電
   は、前記対をなす薄膜熱感知体が構成するホイートスト
   ンブリッジ回路と同一電源から行う、ことを特徴とする
   マスフローセンサ。
4. 【請求項４】請求項３に記載のマスフローセンサにおい
   て、対をなす薄膜熱感知体が構成するホイートストンブ
   リッジ回路と第３薄膜熱感知体とを直列に接続する、こ
   とを特徴とするマスフローセンサ。
5. 【請求項５】請求項３に記載のマスフローセンサにおい
   て、対をなす薄膜熱感知体が構成するホイートストンブ
   リッジ回路と第３薄膜熱感知体とを並列に接続する、こ
   とを特徴とするマスフローセンサ。
6. 【請求項６】請求項３ないし請求項５のいずれかの項に
   記載のマスフローセンサにおいて、対をなす薄膜熱感知
   体が有する個々の抵抗値と、第３薄膜熱感知体の抵抗値
   とを異なる値に選択する、ことを特徴とするマスフロー
   センサ。