JP2529895B2 - Flow sensor - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、極めて微小な気体の流速を検出するフロー
センサに関するものである。Description: [Industrial application] The present invention relates to a flow sensor for detecting an extremely minute flow velocity of gas.
[従来の技術] 第2図はフローセンサとして例えばマイクロブリッジ
フローセンサの構成を示す斜視図である。同図におい
て、基台として例えば半導体基板1の中央部には、異方
性エッチングにより左右の開口2,3を連通する貫通孔4
が形成されており、この貫通孔4の上部には半導体基板
1からブリッジ状に空間的に隔離され、結果的に半導体
基板1から熱的に絶縁された橋絡部5が形成されてい
る。この橋絡部5の表面には、薄膜のヒータエレメント
6とそれを両側から挟む測温抵抗エレメント7,8とが配
列して形成されている。また、半導体基板1上の角部に
は薄膜の周囲測温抵抗エレメント9が形成されている。
なお、10は熱伝導率の低い材料からなる表面保護膜であ
る。[Prior Art] FIG. 2 is a perspective view showing a configuration of, for example, a microbridge flow sensor as a flow sensor. In the figure, as a base, for example, in the central portion of the semiconductor substrate 1, a through hole 4 for communicating the left and right openings 2 and 3 is formed by anisotropic etching.
Is formed, and a bridge portion 5 that is spatially separated from the semiconductor substrate 1 in a bridge shape and is thermally insulated from the semiconductor substrate 1 is formed above the through hole 4. A thin film heater element 6 and temperature measuring resistance elements 7 and 8 sandwiching the thin film heater element 6 are arranged on the surface of the bridging portion 5. Further, thin film ambient temperature measuring resistance elements 9 are formed at the corners of the semiconductor substrate 1.
Incidentally, 10 is a surface protective film made of a material having a low thermal conductivity.
第3図(a),(b)は第2図に示したマイクロブリ
ッジフローセンサの動作を示す説明図である。ここで、
同図(a)は各エレメントの温度分布を示し、同図
(b)は第2図のB−B′線の断面図を示している。FIGS. 3A and 3B are explanatory views showing the operation of the microbridge flow sensor shown in FIG. here,
The figure (a) shows the temperature distribution of each element, and the figure (b) has shown sectional drawing of the BB 'line of FIG.
このような構成において、ヒータエレメント6を周囲
温度よりもある一定の高い温度th1(例えば63℃:周囲
温度基準)で制御すると、測温抵抗エレメント7,8の温
度t1,t2(例えば35℃:周囲温度基準)は第3図に示す
ようにヒータエレメント6の温度th1を中心として略対
称となる。このとき、例えば第2図に示す矢印11の方向
から気体が流れると、上流測に測温抵抗エレメント7は
冷却されΔT1だけ降温する。一方、下流側の測温抵抗エ
レメント8は気体の流れを媒体としてヒータエレメント
6からの熱伝導が促進され、温度がΔT2だけ昇温するた
めに温度差が生じる。そこで、測温抵抗エレメント7,8
をホイートストンブリッジ回路に組み込むことにより、
温度差を電圧に変換でき、流速に応じた電圧出力が得ら
れる。In such a configuration, if the heater element 6 is controlled at a certain temperature th 1 (for example, 63 ° C .: ambient temperature reference) higher than the ambient temperature, the temperatures t 1 , t 2 of the temperature measuring resistance elements 7, 8 (for example, As shown in FIG. 3, 35 ° C .: ambient temperature standard) is substantially symmetrical about the temperature th 1 of the heater element 6. At this time, for example, when gas flows in the direction of arrow 11 shown in FIG. 2, the temperature measuring resistance element 7 is cooled upstream and the temperature is lowered by ΔT 1 . On the other hand, in the temperature-measuring resistance element 8 on the downstream side, heat conduction from the heater element 6 is promoted by using the flow of gas as a medium, and the temperature rises by ΔT 2, resulting in a temperature difference. Therefore, the resistance temperature element 7,8
By incorporating in the Wheatstone bridge circuit,
The temperature difference can be converted into a voltage, and a voltage output according to the flow velocity can be obtained.
このように従来のマイクロブリッジフローセンサは、
薄膜技術および異方性エッチング技術による形成された
極めて熱容量の小さい薄膜橋絡構造を有するもので、応
答速度が極めて速く、高感度,低消費電力であり、しか
も量産性が良いなどの優れた特徴を有している。Thus, the conventional microbridge flow sensor
It has a thin film bridge structure with an extremely small heat capacity formed by thin film technology and anisotropic etching technology, and has excellent characteristics such as extremely fast response speed, high sensitivity, low power consumption, and good mass productivity. have.
[発明が解決しようとする課題] しかしながら、従来のマイクロブリッジフローセンサ
は、気体の流れる上流側から下流に向かって測温抵抗エ
レメント7,ヒータエレメント6,測温抵抗エレメント8が
順次配列される構成となっているので、所定の機能が得
られる反面、長期間にわたる使用によってヒータエレメ
ント6の一部分が劣化した場合には、その検出ができな
いという問題があった。また、このように構成されるマ
イクロブリッジフローセンサは、流速を計測するのにヒ
ータエレメント6には比較的高い、例えば2.2V程度の電
圧を印加して行っているので、爆発の危険性の高い混合
気体での流速計測が不可能であった。[Problems to be Solved by the Invention] However, in the conventional microbridge flow sensor, the temperature measuring resistance element 7, the heater element 6, and the temperature measuring resistance element 8 are sequentially arranged from the upstream side through which the gas flows toward the downstream side. Therefore, although a predetermined function can be obtained, when a part of the heater element 6 deteriorates due to long-term use, there is a problem in that it cannot be detected. Further, in the microbridge flow sensor configured as described above, since a relatively high voltage, for example, about 2.2V is applied to the heater element 6 to measure the flow velocity, there is a high risk of explosion. It was impossible to measure the flow velocity with mixed gas.
[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は、ヒータエ
レメントを、互いに電気的に独立した第1のヒータエレ
メントと第2のヒータエレメントとで構成し、第1の測
温抵抗体と第1の発熱体との間に第1の発熱体の長さ方
向に沿って第1のスリットを設け、第2の発熱体と第2
の測温抵抗体との間に第2の発熱体の長さ方向に沿って
第2のスリットを設けたものである。[Means for Solving the Problems] In order to solve such problems, the present invention is configured such that a heater element includes a first heater element and a second heater element that are electrically independent of each other. A first slit is provided along the length direction of the first heating element between the resistance temperature detector and the first heating element, and the second heating element and the second heating element
The second slit is provided along the lengthwise direction of the second heating element between the resistance temperature detector and the second resistance element.
[作用] 本発明によるフローセンサにおいては、ヒータエレメ
ントを第1のヒータエレメントと第2のヒータエレメン
トとで構成することにより、ヒータバランスのチェック
ができ、また、ヒータの駆動電圧を約1/2以下に設定で
きるとともに各ヒータエレメントによる各測温抵抗エレ
メントへの影響がほぼ同等となる。[Operation] In the flow sensor according to the present invention, the heater element is composed of the first heater element and the second heater element, so that the heater balance can be checked and the driving voltage of the heater can be reduced to about 1/2. It can be set as follows, and the influence of each heater element on each temperature measuring resistance element becomes almost equal.
[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。Embodiments Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.
第1図は本発明によるフローセンサの一実施例による
構成を示す図で同図(a)は上から見た要部平面図,同
図(b)はそのB−B′線の断面図であり、前述の図と
同一または相当部分には同一符号を付してある。同図に
おいて、半導体基板1に形成された貫通孔4上には、メ
ンブレン部5′が中央部に貫通孔4に連通するスリット
状の開口121〜124を有して上流側から下流側に向かって
第1のメンブレン部51,第2のメンブレン部52および第
3のメンブレン部53が形成されており、上流側の第1の
メンブレン部51の表面には第1の測温抵抗体としての測
温抵抗エレメント7が形成されている。また第2のメン
ブレン部52の表面には第1の発熱体としての第1のヒー
タエレメント61および第2の発熱体としての第2のヒー
タエレメント62が形成されている。なお、第1のヒータ
エレメント61と第2のヒータエレメント62とはほぼ同等
の抵抗値を有して形成されている。さらに下流側の第3
のメンブレン部53の表面には第2の測温抵抗体としての
測温抵抗エレメント8が形成されている。なお、54,55
は貫通孔4に連通する複数種のスリット状の開口125,12
6を有して形成されたそれぞれ気体の流入口としての第
4のメンブレン部,気体の流出口としての第5のメンブ
レン部である。FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an embodiment of a flow sensor according to the present invention. FIG. 1 (a) is a plan view of a main part seen from above, and FIG. 1 (b) is a sectional view taken along the line BB '. Therefore, the same or corresponding parts as those in the above-mentioned drawings are designated by the same reference numerals. In the figure, on the through-hole 4 formed in the semiconductor substrate 1, the membrane portion 5 ′ has slit-shaped openings 12 1 to 12 4 communicating with the through-hole 4 in the central portion, and from the upstream side to the downstream side. the first membrane portion 5 1 towards, the second membrane unit 5, second and third and the membrane portion 5 3 is formed, the first membrane portion 5 1 of the surface of the upstream side measuring of the first A temperature measuring resistance element 7 as a temperature resistance body is formed. Also in the second membrane portion 5 2 of the surface it is a second heater element 6 2 formed as a first heater element 61 and the second heating element as a first heating element. The first heater element 6 1 and the second heater element 6 2 are formed to have substantially the same resistance value. Third downstream further
The membrane portion 5 3 of the surface temperature measuring resistance element 8 is formed as a second RTD. In addition, 5 4 , 5 5
Is a plurality of slit-shaped openings 12 5 and 12 communicating with the through hole 4.
6 is a fourth membrane portion as a gas inlet and a fifth membrane portion as a gas outlet, each of which has 6 formed.
このように構成されたフローセンサにおいては、第1
のヒータエレメント61の端子間および第2のヒータエレ
メント62の端子間にそれぞれ約1.1Vの同一電圧を印加さ
せ、各センサエレメント7,8の温度は、周囲温度に対し
て一定の温度差を与えるようにコントロールして気体の
流速の測定を行う。In the flow sensor thus configured, the first
The same voltage of about 1.1V is applied between the terminals of the heater element 6 1 and the terminals of the second heater element 6 2 respectively, and the temperature of each sensor element 7, 8 has a constant temperature difference from the ambient temperature. The flow velocity of the gas is measured by controlling so that
ここで、従来のマイクロブリッジフローセンサにおけ
るヒータエレメント6の一方の抵抗値をR1,他方の抵抗
値をR2としたとき、抵抗値R1側の熱量H1,抵抗値R2側の
熱量H2はそれぞれ次に示すようになる。Here, when one resistance value of the heater element 6 in the conventional microbridge flow sensor is R 1 and the other resistance value is R 2 , the heat amount H 1 on the resistance value R 1 side and the heat amount on the resistance value R 2 side H 2 is as follows respectively.
一方、本実施例における第1のヒータエレメント61の
抵抗値R1,熱量H1′とし、第2のヒータエレメント62の
抵抗値R2,熱量H2′ととすると、 そしてヒータエレメントが経時劣化し、その抵抗値が
ずれてR2=αR1となったとき、(1)式は次のようにな
る。 On the other hand, assuming that the resistance value R 1 and heat quantity H 1 ′ of the first heater element 6 1 in this embodiment are the resistance value R 2 and heat quantity H 2 ′ of the second heater element 6 2 , Then, when the heater element deteriorates with time and the resistance value shifts to become R 2 = αR 1 , the equation (1) becomes as follows.
また、(2)式は次のようになる。 Further, the equation (2) is as follows.
また、(3)式は次のようになる。 The equation (3) is as follows.
また、(4)式は次のようになる。 Further, the equation (4) is as follows.
となる。 Becomes
したがって従来のマイクロブリッジフローセンサの熱
量の差は次のようになる。Therefore, the difference in the amount of heat of the conventional microbridge flow sensor is as follows.
また、本実施例におけるマイクロダイアフラムフロー
センサの熱量の差は次のようになる。 Further, the difference in the amount of heat of the micro diaphragm flow sensor in this embodiment is as follows.
したがってその差を比較すると、 よって抵抗値R2のずれは、ヒータエレメントよって抵抗
値R2のずれは、ヒータエレメントの熱量の差として大き
く得られることになる。 Therefore, comparing the differences, Thus the deviation of the resistance value R 2, the deviation of the resistance value R 2 by the heater element will be obtained largely as the difference between the heat of the heater element.
なお、前述した実施例においては、フローセンサとし
てマイクロダイアフラムフローセンサのマイクロダイア
フラム構造に適用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
造に適用しても同様の効果が得られることは言うまでも
ない。In addition, in the above-described embodiment, the case where the micro-diaphragm flow sensor is applied to the micro-diaphragm structure of the flow sensor as the flow sensor has been described. It goes without saying that the effect of can be obtained.
[発明の効果] 以上、説明したように本発明によれば、発熱体を、第
1の発熱体と第2の発熱体とで構成し、第1の測温抵抗
体と第1の発熱体との間に第1の発熱体の長さ方向に沿
って第1のスリットを設け、第2の発熱体と第2の測温
抵抗体との間に第2の発熱体の長さ方向に沿って第2の
スリットを設けたので、2つの発熱体のバランスをチエ
ックすることで発熱体および測温抵抗体の劣化を確認す
ることができる。また、発熱体の駆動電圧を1/2に設定
できるので、爆発の危険性のある混合気体での流速検出
が可能となる。さらに各発熱体による各測温抵抗体への
影響が同等となっていることを製造時にチェックできる
などの極めて優れた効果が得られる。[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, the heating element includes the first heating element and the second heating element, and the first resistance temperature detector and the first heating element. A first slit is provided between the second heating element and the second resistance temperature detector along the length direction of the first heating element between the second heating element and the second heating element. Since the second slit is provided along the line, deterioration of the heating element and the resistance temperature detector can be confirmed by checking the balance between the two heating elements. In addition, since the driving voltage of the heating element can be set to 1/2, it is possible to detect the flow velocity in a gas mixture that has a risk of explosion. Furthermore, it is possible to obtain an extremely excellent effect such that it can be checked at the time of manufacture that the influence of each heating element on each resistance bulb is equal.
第1図は本発明によるフローセンサの一実施例による構
成を説明する図、第2図は従来のマイクロブリッジフロ
ーセンサの構成を説明する斜視図、第3図は第2図の動
作を説明する図である。 1……半導体基板、2,3……開口、4……貫通孔、5′,
51,52,53,54,55……メンブレン部、61,62……ヒータエ
レメント、7,8……測温抵抗エレメント、9……周囲測
温抵抗エレメント、10……保護膜、121〜126……開口。FIG. 1 is a diagram for explaining the configuration of an embodiment of a flow sensor according to the present invention, FIG. 2 is a perspective view for explaining the configuration of a conventional microbridge flow sensor, and FIG. 3 is for explaining the operation of FIG. It is a figure. 1 ... semiconductor substrate, 2,3 ... opening, 4 ... through hole, 5 ',
5 1 , 5 2 , 5 3 , 5 4 , 5 5 ...... Membrane part, 6 1 , 6 2 ...... Heater element, 7,8 ...... Temperature resistance element, 9 ...... Ambient temperature resistance element, 10 ... … Protective film, 12 1 to 12 6 … Opening.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 郡司 貴司 神奈川県藤沢市川名1丁目12番2号 山 武ハネウエル株式会社藤沢工場内 (72)発明者 久保寺 節男 神奈川県藤沢市川名1丁目12番2号 山 武ハネウエル株式会社藤沢工場内 (72)発明者 青島 滋 神奈川県藤沢市川名1丁目12番2号 山 武ハネウエル株式会社藤沢工場内 (56)参考文献 特開 平2−64417(JP,A) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Takashi Gunji 1-12-2 Kawana, Fujisawa-shi, Kanagawa Yamatake Honeywell Co., Ltd. Fujisawa factory (72) Inventor Setsuo Kuboji 1-2-2 Kawana, Fujisawa-shi, Kanagawa No. Yamatake Honeywell Co., Ltd. Fujisawa Plant (72) Inventor Shigeru Aoshima 1-12-2 Kawana, Fujisawa City, Kanagawa Yamatake Honeywell Co., Ltd. Fujisawa Plant (56) Reference JP-A-2-64417 (JP, A) )
Claims (1)
薄膜メンブレン構造を設け、前記薄膜メンブレン構造の
上流から下流に向って第1の測温抵抗体,発熱体,第2
の測温抵抗体を前記気体の流れる方向にその抵抗体パタ
ーンを交差させて順次配列して設けるとともに前記発熱
体は互いに電気的に独立した第1の発熱体と第2の発熱
体とで構成し、前記第1の測温抵抗体と第1の発熱体と
の間に前記第1の発熱体の長さ方向に沿って第1のスリ
ットを設け、前記第2の発熱体と前記第2の測温抵抗体
との間に前記第2の発熱体の長さ方向に沿って第2のス
リットを設けたことを特徴とするフローセンサ。1. A thin film membrane structure which is held in the air and through which a gas flows is provided on an upper surface of a base, and a first resistance temperature detector, a heating element, and a second temperature measuring device are arranged from upstream to downstream of the thin film membrane structure.
The temperature-measuring resistive elements are sequentially arranged in the gas flow direction so that the resistive element patterns intersect with each other, and the heating elements are composed of a first heating element and a second heating element that are electrically independent of each other. Then, a first slit is provided between the first resistance temperature detector and the first heating element along the length direction of the first heating element, and the second heating element and the second heating element are provided. A flow sensor, wherein a second slit is provided between the resistance temperature detector and the second resistance element along the length direction of the second heating element.
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