JPH04102023A - 流速センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、気体の流速を測定する流速センサに係わり、
特にダイアフラム構造の流速センサに関するものである
。

［従来の技術］ 一般に気体の流速測定には、各種の構造の流速センサが
提案されており、その１つとして例えば特開昭６０−１
４２２６８号公報には、半導体製造技術を用いて製作さ
れた熱式流速センサが提案されている。この熱式流速セ
ンサは、第４図に要部拡大平面図で示すように半導体基
板１の表面にこの半導体基板１と熱的に絶縁する空隙部
２を介して薄膜状のブリッジ部３が形成されており、こ
のブリッジ部３上の表面中央部にはヒータエレメント４
およびこのヒータエレメント４の両側に熱感知用の測温
抵抗エレメント５．６が形成されて構成されている。な
お、７は空隙部２に連通された開口である。

このように構成される流速センサは、ヒータエレメント
４に電流を流して加熱し、気体の流れの中に置いたとき
に矢印方向８から気体が移動すると、上流側の測温抵抗
エレメント５は気体の流れよって冷却されて降温し、°
一方、下流側の測温抵抗エレメント６は温度が上昇する
。この結果、上流側の測温抵抗エレメント５と下流側の
測温抵抗エレメント６との間に温度差が生じ、抵抗値が
変化する。このため、上流側の測温抵抗エレメント５と
下流側の測温抵抗エレメント６とをホイートストンブリ
ッジ回路に組み込み、その抵抗値の変化を電圧に変換す
ることにより、気体の流速に応じた電圧出力が得られ、
その結果、気体の流速を検出することができる。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、従来の流速センサにおいて、ブリッジ部
３上の表面にはヒータエレメント４と測温抵抗エレメン
ト５，６とが近接して配置されるとともに薄膜部を介し
て熱的に結合されているので、気体の流れに対して上流
側の測温抵抗エレメント５と下流側の測温抵抗エレメン
ト６との温度変化を大きくとることができず、気体の流
れの検出感度が低くなるという問題があった。この検出
感度の低下は、特に秒速１００ｃｍ程度以下の低流速域
で顕著であった。

［課題を解決するための手段］ このような課題を解決するために本発明による流速セン
サは、発熱体と両側の測温抵抗体との閏を一定の距離難
関して形成される平面領域部を設けたものである。本発
明による他の流速センサは、発熱体と両側の測温抵抗体
との間に少なくとも１本のダミー抵抗体を設けたもので
ある。

［作用］ 本発明による流速センサにおいては、発熱体と上流側測
温抵抗体および下流側測温抵抗体との間の熱的結合が例
えば秒速１〜１００ｃｍ程度の低流速計測用として最適
化される。

［実施例］ 以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明する。

第１図は本発明による流速センサの一実施例による構成
を示す平面図であり、前述の図と同一または相当部分に
は同一符号を付しその説明は省略する９同図において、
半導体基板１の表面中央部分には、この半導体基板１に
対して空隙部２を介して熱的に絶縁された薄膜状のダイ
アプラム部３ａが形成されており、このダイアフラム部
３ａの中央部分には、ヒータエレメント４が形成され、
さらにこのヒータエレメント４の両側にはそれぞれ独立
した測温抵抗エレメント５．６が形成されている。また
、この半導体基板１上の表面には、この半導体基板１の
エツチングのための多数のスリット１１が開設され、ヒ
ータエレメント４および測温抵抗エレメント５，６の周
辺部を、その半導体基板１の表面に開設された多数の細
かいスリット１１を介して例えば異方性エツチングする
ことにより、内側に逆台形状の空気スペースを有する空
隙部２が形成されている。これによってこの空隙部２の
上部には、半導体基板１からダイアフラム状に空間的に
隔離され、この半導体基板１からヒータエレメント４お
よび両側の測温抵抗エレメント５，６が熱的に絶縁され
て支持されたダイアフラム部３ａが形成される構造とな
っている。なお、１１１，１１２，１１３，１１４はダ
イアフラム部３ａにおいて、風上側から風下側に向かっ
て各測温抵抗エレメント５．ヒータエレメント４．測温
抵抗エレメント６の配列前後に空隙部２と連通して連続
的に開設されたスリット部である。また、第２図に要部
拡大平面図で示すようにこのダイアフラム部３ａに設け
られた上流側の測温抵抗エレメント５は、気体の流れる
矢印方向８と交差する長手方向の抵抗体パターン長が風
上側から風下方向に向かって順次長くなるように形成さ
れ、さらに上記同様に下流側の測温抵抗エレメント６は
、その長手方向の抵抗体パターン長が風上側から風下方
向に向かって順次短くなるように形成されている。つま
り上流側の測温抵抗エレメント５および下流側の測温抵
抗エレメント６の外形形状がヒータエレメント４を中心
として半円ないしは台形状を有して形成されている。さ
らにこれらの測温抵抗エレメント５および測温抵抗エレ
メント６は、その抵抗体パターンのヒータエレメント４
と近接する側の中央部には抵抗体バターンが形成されて
おらず、さらに抵抗体パターンがヒータエレメント４か
ら一定の距離離間されて形成されている。つまり上流側
の測温抵抗エレメント５は風上側に寄せて形成配置され
、下流側の測温抵抗エレメント６は風下側に寄せて形成
配置されてヒータエレメント４の両側に比較的広い矩形
状の平面領域１２が形成されている。この場合、この平
面領域１２は、ヒータエレメント４を周囲温度Ｔｏから
Ｔｈ’Ｃ高く温度上昇させたとき、測温抵抗エレメント
５．６の温度がＴｏ　＋　（Ｔｈ　／２）以下となるよ
うにヒータエレメント４と測温抵抗エレメント５，６と
の間の距離を離間させて形成されている。なお、ここで
の温度とは、それぞれのエレメントの抵抗値から求めた
温度（そのエレメントの抵抗体パターン全体の平均的な
温度）のことである、この場合、測温抵抗エレメント５
．６は、例えば半導体基板１の寸法を１４００μｍ角、
ダイアフラム部３ａの四方角を５００μｍとしたとき、
ヒータエレメント４のエツジからの長さで８０〜３００
μｍの範囲に形成されることが望ましい。

このように構成された流速センサは、ヒータエレメント
４と測温抵抗エレメント５，６との間に矩形状の平面領
域１２を設けたことにより、ヒータエレメント４の発熱
が測温抵抗エレメント５゜６へ過剰に伝導しなくなるの
で、気体の流れに対する温度変化を大きくとることがで
き、特に例えば秒速１００ｃｍ程度以下の低流量域での
検出感度を大幅に向上させることができる。また、測温
抵抗エレメント５，６の初期温度を低下させることがで
きるので、測温抵抗エレメント５，６の初期温度に比例
して大きくなるダストの付着による出力誤差が小さくな
るとともに上流側測温抵抗エレメント５と下流側測温抵
抗エレメント６との間のＴＣＲミスマツチドリフトによ
る出力誤差が小さくなる。

第３図は本発明による流速センサの他の実施例による構
成を示す要部平面図であり、前述の図と同一または相当
部分には同一符号を付しその説明は省略する。同図にお
いて、第１図と異なる点は、ヒータエレメント４と両側
の測温抵抗エレメント５６との間、つまりヒータエレメ
ント４の両側には、それぞれヒータエレメント４の抵抗
体パターンの長さ方向に沿って電気的に接続されない棒
状の抵抗体パターン１３が形成されて配置されている。

なお、これらの抵抗体パターン１３はヒータエレメント
４の形成工程と同一工程で同一部材で形成される。

このような構成によると、ヒータエレメント４と両側の
測温抵抗エレメント５，６との間にその抵抗体パターン
の長さ方向に沿って電気的に接続されない棒状の抵抗体
パターン１３を設けたことにより、冷却フィンとしての
放熱機能が得られるので、ヒータエレメント４とその両
側の測温抵抗エレメント５．６との間の温度分布が気体
の流れにより積極的に変化するようになり、上流側の測
温抵抗エレメント５と下流側の測温抵抗エレメント６と
の間の温度変化がさらに大きくなるので、検出感度を大
幅に向上させることができる。さらにヒータエレメント
４と両側の測温抵抗エレメント５．６との間にその抵抗
体パターンの長さ方向に沿って棒状の抵抗体パターン１
３を設けたことにより、ダイアフラム部３ａを構成する
薄膜部に生じる内部応力を緩和させ、例えば反りなどの
発生を防ぐなどの補強効果を向上させることができる。

また、ヒータエレメント４と測温抵抗エレメント５．６
との間に棒状の抵抗体パターン１３に加えて抵抗体パタ
ーン１３の長さ方向に沿って一定の間隔を有してスリッ
ト部１１２，１１３を配列して設けたことにより、ヒー
タエレメント４から測温抵抗エレメント５，６へのダイ
アフラム部３ａを通しての熱伝導が極小となるので、上
流側測温抵抗エレメント５および下流側測温抵抗エレメ
ント６の初期温度が低くなり、測温抵抗エレメント５．
６の温度に比例して大きくなるダストの付着による出力
誤差が小さくなるとともに上流側測温抵抗エレメント５
と下流側測温抵抗エレメント６との間のＴＣＲミスマツ
チのドリフトによる出力誤差が小さくなる。特に熱伝導
率の小さい気体の場合、測温抵抗エレメント５，６の温
度をより低く設定することができる。また、上流側測温
抵抗エレメント５と下流側測温抵抗エレメント６との間
の温度差が小さくなるように動作させるヒータエレメン
ト４からの余分な熱供給がなくなるので、低流量域での
感度も向上できる。さらにヒータエレメント４は、通電
時に若干変形するが、その応力による影響が測温抵抗エ
レメント５．６に伝導されず、誤差の要因を大幅に減ら
すことができる。

なお、前述した実施例においては、半導体基板の一部に
空隙部を設けて形成した薄膜部構造を、ダイアフラム構
造とした場合について説明したが、本発明はこれに限定
されるものではなく、マイクロブリッジ構造に適用して
も前述とほぼ同等の効果が得られることは言うまでもな
い。

［発明の効果コ 以上、説明したように本発明による流速センサによれば
、発熱体と測温抵抗体との間を一定の距離離間して平面
領域部を設けたことにより、発熱体から測温抵抗体への
熱伝導が軽減され、発熱体からの必要以上の熱の供給が
抑えられるので、両側の測温抵抗体間の温度変化が大き
くなり、高感度の流量検出が可能となるとともに低流量
域における検出感度を著しく向上させることができる。

また、発熱体と両側の測温抵抗体との間に少なくとも１
本のダミー抵抗体を設けたことにより、冷却フィンとし
ての放熱効果が得られ、気体の流れによる両側の測温抵
抗体間の温度変化をさらに大きくすることができ、より
高感度の流量検出が可能となる。さらにはダミー抵抗体
を設けたことにより、薄膜部材に生じる内部応力を緩和
させ、機械的な強度を向上させることができるなどの極
めて優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による流速センサの一実施例による構成
を示す平面図、第２図は第１図の要部拡大平面図、第３
図は本発明による流速センサ他の実施例による構成を示
す平面図、第４図は従来の流速センサの構成を示す平面
図である。 １・・・・半導体基板、２−・・・空隙部、３ａ・・・
・ダイアフラム部、４・・・・ヒータエレメント、５・
・・・上流側測温抵抗エレメント、６・・・・下流側測
温抵抗エレメント、８矢印方向、１１・・・・スリット
、１１１．１１２．１１３．１１４　・・・・スリット
部、１２・・・・平面領域、１３・・・・抵抗体パター
ン。 特　許　出　願　人　　山武ハネウェル株式会社代　理
　人　山川政樹

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）基台と、前記基台の一部に空間を設けて薄肉状に
   形成されたダイアフラム部と、前記ダイアフラム部に形
   成された発熱体と、前記発熱体の両側に形成された測温
   抵抗体と、前記発熱体と前記両側の測温抵抗体との間を
   一定の距離離間して形成された平面領域部とを設けたこ
   とを特徴とする流速センサ。
2. （２）基台と、前記基台の一部に空間を設けて薄肉状に
   形成されたダイアフラム部と、前記ダイアフラム部に形
   成された発熱体と、前記発熱体の両側に形成された測温
   抵抗体と、前記発熱体と前記両側の測温抵抗体との間に
   形成された少なくとも１本のダミー抵抗体とを設けたこ
   とを特徴とする流速センサ。