JP3763225B2

JP3763225B2 - イオンドリフト式流量計

Info

Publication number: JP3763225B2
Application number: JP01239699A
Authority: JP
Inventors: 智紀片野
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1999-01-20
Filing date: 1999-01-20
Publication date: 2006-04-05
Anticipated expiration: 2019-01-20
Also published as: JP2000213970A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工業分野や医療分野等において流体の流速あるいは流量を測定するための流量計、特にイオンドリフト式流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のイオンドリフト式流量計の一例を図４を参照しながら説明する。図中、参照符号１は、円管１１内を流れる空気流量を測定するイオンドリフト式流量計を示している。
【０００３】
図４に示すように、イオンドリフト式流量計１は円盤形状のコロナ電極１２と所定の抵抗を有するコレクタ電極１３とから構成される。円管１１内を流れる空気流量を測定する際、上記コロナ電極１２は円管１１の中心軸上に置かれ、一方コレクタ電極１３は円筒１１の外周面を覆うようにして設けられ、かつ該コレクタ電極１３の上流側部位１３１および下流側部位１３２から接地されている。
【０００４】
ところで、コロナ電極１２とコレクタ電極１３との間には電界が生じるが、コロナ電極１２周端部では電界が局部的に集中し不平等な電界状態となるので、印加電圧を適切に採ればコロナ電極１２の周端部のみで放電するコロナ放電状態となる。同部分では流体分子あるいは流体中の粒子がイオン化され、コレクタ電極に向かって速度Ｖ_d でドリフトし電流が流れる。このとき円管１１内の流体に流れがあると、ドリフトするイオンは流速あるいは流量に応じて到達中心がＤだけ変移する。コレクタ電極１３は適当な抵抗分を持つので、上流側１３１に流れる電流をＩ₁ 、下流側１３２に流れる電流をＩ₂ とすれば、Ｄ＝Ｃ・（Ｉ₂ −Ｉ₁ ）／（Ｉ₂ ＋Ｉ₁ ）として算出できるので（Ｃは定数）、これより流速あるいは流量を検出することが出来る。このようなイオンドリフト式流量計は、発生するイオンの電極間移動時間で応答性が決まるため、非常に高い応答性が得られる。また可動部を持たないため機械的信頼性が高いなどの利点を持つ。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のイオンドリフト式流量計１は以下のような解決すべき課題を有する。
【０００６】
すなわち、従来のイオンドリフト式流量計は、機械加工と組み立てとを前提とした製作方法に依るため、小型化には限界がありサイズ的な面で測定対象の制約を受ける。またイオンの到達位置を正確に測定するためには高い加工精度、組み立て精度が必要となり、そのため高いコストが要求される。さらにこの種の流量計は一般に空気の絶縁耐圧を破るだけの電界が必要であるため、高電圧源が必要となり、これもコストアップの要因となる。
【０００７】
したがって、本発明の目的は上記課題を解決し、低コストかつ高性能で、さらに小型化が可能なイオンドリフト式流量計を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
以上説明した問題点を解決するために、本発明では、請求項１に記載の発明は、イオンドリフト式流量計において、基板上に、短冊状に形成されて一端が先鋭状になり、他端がパッドを介して外部電源に接続されたコロナ電極と、互いに対向し、かつそれぞれが各パッドと接続されて、各パッドから電流検出手段を介してそれぞれ接地された第１のコレクタ電極および第２のコレクタ電極とを備え、コロナ電極、第１のコレクタ電極および第２のコレクタ電極は、フォトリソグラフィーを用いて形成された金属の導電性薄膜あるいは不純物拡散を行なったシリコンであり、およびコロナ電極のパッド、第１のコレクタ電極および第２のコレクタ電極の各パッドは、ボンディングが可能な金属薄膜であって、かつフォトリソグラフィーにより形成されていることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、イオンドリフト流量計において、基板上に、基板の一端部側に積層されたスペーサ部材と、スペーサ部材上に一端部側が置かれ、かつ他端部側がスペーサ部材から先細りとなって突出したビーム部材と、スペーサ部材とビーム部材との間にビーム部材の突出した部分に沿って設けられたコロナ電極と、スペーサ部材が積層された一端部側とは反対側の部分に矩形状をなす第１のコレクタ電極および第２のコレクタ電極とを備え、コロナ電極、第１のコレクタ電極および第２のコレクタ電極は、フォトリソグラフィーを用いて形成された金属の導電性薄膜あるいは不純物拡散を行なったシリコンであり、および第１のコレクタ電極および第２のコレクタ電極は、フォトリソグラフィーにより形成され、かつ互いの一端部がコロナ電極の自由端の延長線方向に沿って平行に離間して配置されていることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
＜第１の実施形態例＞
本発明にもとづくイオンドリフト式流量計の一例を、図１を参照しながら説明する。図１の（ａ）はイオンドリフト式流量計の模式的平面図、（ｂ）は（ａ）のI-I'線に沿う模式的断面図であり、図中の参照符号２はイオンドリフト式流量計を示す。また、図中、破線と黒点とでイオンの流れを示す。
【００１９】
イオンドリフト式流量計２は、基板２０上に短冊状に形成され、一端が先鋭状となった一端（以下、単に先端ともいう）とパッド２３を介して外部電源（不図示）に接続する他端とを有するコロナ電極２１と、互いに対向し、かつそれぞれがパッド２４ａ，２４ｂに接続され電流検出手段を介して接地される２つのコレクタ電極２２ａ，２２ｂとから構成される。
【００２０】
つぎに、上記構成からなるイオンドリフト式流量計の動作について説明する。このイオンドリフト式流量計を、図１（ａ）に示すように矢印Ａ方向から流れる空気流の中に置く。コロナ電極２１に適当な電圧を印加するとコレクタ電極２２ａ，２２ｂとの間に不平等電界が形成され、コロナ電極２１の先端でコロナ放電が発生し、イオンドリフト式流量計上を通過する流体あるいは流体中の粒子がイオン化される。イオン化された流体分子はコレクタ電極２２ａ，２２ｂにドリフトする。このとき流体の流れに応じて、イオンは上流側のコレクタ電極２２ａに比し下流側２２ｂにより多く到達し、電流Ｉ_a に比し電流Ｉ_b が増加するので、この比を取ることで流速あるいは流量を検出することができる。
【００２１】
なお、上記基板２０は、例えばガラス基板あるいはシリコン基板上に絶縁層を形成したものとすることができる。電極２１，２２ａ，２２ｂはフォトリソグラフィを用いて形成した金属などの導電性薄膜、あるいは不純物拡散を行ったシリコンなどである。またコロナ放電により電極表面が酸化されるような場合、Ｐｔなど耐酸化性の金属材料を用いることが有効である。さらに電極パッド２３，２４ａ，２４ｂはボンディングが可能な金属薄膜が適当であり、フォトリソグラフィにより形成することができる。
【００２２】
また必要に応じて、磁石あるいは誘導により発生させた磁束Ｂを、図１（ｂ）のようにコロナ電極２１とコレクタ電極２２ａ，２２ｂの間にイオンの流れ（図中、破線で示す）と交差するよう通せば、電界が曲がりイオンの流れを基板からより浮き上がらせ、流体の流れを捉え易くなる。また同時にコレクタ電極２２ａ，２２ｂ側でのエッジへの電界集中度を緩和させることができるので、より電界の不平等性が高まりコロナ放電の安定化に繋がる。
【００２３】
以上のように基板上にフォトリソグラフィを用いてイオンドリフト式流量計を形成すれば、微小サイズのイオンドリフト式流量計を得ることができるので、測定対象における空間的な制約を受けずに流量の計測を行うことが出来る。また電極間のギャップも短くできるので、電界を高め従来に比し印加電圧を低減させ、電源部分のコストを抑えることができる。製作にはフォトリソグラフィによるバッチプロセスを用いるので、量産効果により製作コストを低減させることができる。さらに、組み立て不要で高精度の加工が可能となるので、電極の寸法、位置精度を高め、比較的容易に流量検知精度を高めることができる。
【００２４】
＜第２の実施形態例＞
本発明にもとづくイオンドリフト式流量計の第２の実施形態例を、図２を参照しながら説明する。図２の（ａ）はイオンドリフト式流量計の模式的平面図、（ｂ）は（ａ）のII-II'線に沿う模式的断面図であり、図中の参照符号３はイオンドリフト式流量計を示す。図中、破線と黒点とでイオンの流れを示す。また、矢印Ａは、流体の流れる方向を示す。
【００２５】
イオンドリフト式流量計３は、基板３０の中央に立設し、かつ円錐状に形成されたコロナ電極３１と、上記コロナ電極３１の周面と所定の間隔で離間するように弧状に切欠された一端が互いに対向するようにして、基板３０上に絶縁層３３を介して配された２枚のコレクタ電極３２ａ，３２ｂとから構成される。円錐形状のコロナ電極３１は、例えばシリコンのエッチング加工、金属の蒸着加工などにより形成することができる。コロナ電極３１に電圧を印加し、コレクタ電極３２ａ，３２ｂを接地すれば、コロナ電極３１とコレクタ電極３２ａ，３２ｂの間にイオン流が形成され、第一実施例と同様の原理、効果の下に流速あるいは流量を測定することができる。
【００２６】
＜第３の実施形態例＞
本発明にもとづくイオンドリフト式流量計の第３の実施形態例を、図３を参照しながら説明する。図３の（ａ）はイオンドリフト式流量計の模式的平面図、（ｂ）は（ａ）のII-II'線に沿う模式的断面図であり、図中の参照符号４はイオンドリフト式流量計を示す。図中、破線と黒点とでイオンの流れを示す。また、矢印Ａは、流体の流れる方向を示す。
【００２７】
イオンドリフト式流量計４は、基板４０と、該基板の一端部側に積層されたスペーサ部材４１と、該スペーサ部材４１上に一端部側が置かれ、かつ他端部側がスペーサ部材４１から先細りとなって突出したビーム部材４２と、スペーサ部材４１とビーム部材４２との間に設けられ、上記ビーム部材４２の突出した部分に沿って設けられたコロナ電極４３とから構成される。
【００２８】
基板４０、スペーサ部材４１、およびビーム部材４２は、例えばガラス、シリコン等の基板からなるものとし、適当な接合方法により積層することができる。基板４０には、上記スペーサ部材４１が積層された一端部側とは反対側の部分に、２枚のコレクタ電極４５ａ，４５ｂが配されている。これらのコレクタ電極４５ａ，４５ｂは矩形状をなし、また互いの一端部が２段階に先細りとなったコロナ電極４３の自由端の延長線方向に沿って平行に離間して配されている。コロナ電極４３に電圧を印加しコレクタ電極４５ａ，４５ｂを接地すれば、イオン流がコロナ電極４３とコレクタ電極４５ａ，４５ｂの間にイオン流が形成され、第１実施例と同様の原理、効果の下に流体の流速あるいは流量を測定することができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明にもとづくイオンドリフト式流量計は、従来のものに比べて、微小サイズのイオンドリフト式流量計を得ることが可能となり、測定対象における空間的な制約を受けずに流量の計測を行うことができ、また電極間のギャップも短くできるので、電界を高め従来に比し印加電圧を低減させ、電源部分のコストを抑えることができ、さらに製作にはフォトリソグラフィによるバッチプロセスを用いることが可能となるため、量産効果により製作コストを低減させることができ、組み立て不要で高精度の加工が可能となることから、電極の寸法および位置精度を高め、比較的容易に流量検知精度を高めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にもとづくイオンドリフト式流量計の第１の実施形態例を説明するための図で、（ａ）はイオンドリフト式流量計の模式的平面図、（ｂ）は（ａ）のI-I'線に沿う模式的断面図である。
【図２】本発明にもとづくイオンドリフト式流量計の第２の実施形態例を説明するための図で、（ａ）はイオンドリフト式流量計の模式的平面図、（ｂ）は（ａ）のII-II'線に沿う模式的断面図である。
【図３】本発明にもとづくイオンドリフト式流量計の第３の実施形態例を説明するための図で、（ａ）はイオンドリフト式流量計の模式的平面図、（ｂ）は（ａ）のIII-III'線に沿う模式的断面図である。
【図４】従来のイオンドリフト式流量計を説明するための模式図である。
【符号の説明】
２イオンドリフト式流量計
３イオンドリフト式流量計
４イオンドリフト式流量計
２０基板
２１コロナ電極
２２ａ，２２ｂコレクタ電極
２３，２４ａ，２４ｂ電極パッド
３０基板
３１コロナ電極
３２ａ，３２ｂコレクタ電極
３３絶縁層
４０基板
４１スペーサ部材
４２ビーム部材
４３コロナ電極
４５ａ，４５ｂコレクタ電極

Claims

基板上に、短冊状に形成されて一端が先鋭状になり、他端がパッドを介して外部電源に接続されたコロナ電極と、互いに対向し、かつそれぞれが各パッドと接続されて、前記各パッドから電流検出手段を介してそれぞれ接地された第１のコレクタ電極および第２のコレクタ電極とを備え、
前記コロナ電極、前記第１のコレクタ電極および前記第２のコレクタ電極は、フォトリソグラフィーを用いて形成された金属の導電性薄膜あるいは不純物拡散を行なったシリコンであり、および前記コロナ電極のパッド、前記第１のコレクタ電極および前記第２のコレクタ電極の各パッドは、ボンディングが可能な金属薄膜であって、かつフォトリソグラフィーにより形成されていることを特徴とするイオンドリフト式流量計。
基板上に、該基板の一端部側に積層されたスペーサ部材と、該スペーサ部材上に一端部側が置かれ、かつ他端部側が前記スペーサ部材から先細りとなって突出したビーム部材と、前記スペーサ部材と前記ビーム部材との間に前記ビーム部材の突出した部分に沿って設けられたコロナ電極と、前記スペーサ部材が積層された一端部側とは反対側の部分に矩形状をなす第１のコレクタ電極および第２のコレクタ電極とを備え、
前記コロナ電極、前記第１のコレクタ電極および前記第２のコレクタ電極は、フォトリソグラフィーを用いて形成された金属の導電性薄膜あるいは不純物拡散を行なったシリコンであり、および前記第１のコレクタ電極および前記第２のコレクタ電極は、フォトリソグラフィーにより形成され、かつ互いの一端部がコロナ電極の自由端の延長線方向に沿って平行に離間して配置されていることを特徴とするイオンドリフト式流量計。