JP3381831B2

JP3381831B2 - 流速センサ及び流速計測方法

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Publication number: JP3381831B2
Application number: JP22862097A
Authority: JP
Inventors: 彰一植松
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 1997-08-25
Filing date: 1997-08-25
Publication date: 2003-03-04
Anticipated expiration: 2017-08-25
Also published as: JPH1164061A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流速センサに係
り、特にヒータにより発生させた熱の伝播時間並びに上
流側及び下流側に配置した温度センサの出力に基づく温
度差を計測することにより流体の流速を求める流速セン
サに関する。

【０００２】

【従来の技術】第１従来例図１２（ａ）に第１従来例の熱伝播時間計測型の流速セ
ンサの斜視図を、図１２（ｂ）に図１２（ａ）の流速セ
ンサのＩ−Ｉ’断面図を示す。

【０００３】流速センサ１０１は、シリコン基板１１０
と、測定対象流体の流れ方向（図中矢印で示す。）上流
側に設けられた測温抵抗である温度センサ１１１と、シ
リコン基板１１０上であって測定対象流体の流れ方向下
流側に設けられた測温抵抗である温度センサ１１２と、
温度センサ１１１と温度センサ１１２との間の中間位置
に設けられたヒータ１１３と、温度センサ１１１、温度
センサ１１２及びヒータ１１３と、を備えて構成されて
いる。

【０００４】また、流速センサ１０１は、エッチング用
開口１１４、１１５、１１６を介してエッチングするこ
とにより空隙部１１７を設けることにより、橋絡部１１
８を備えて構成されている。この橋絡部１１８により温
度センサ１１１、温度センサ１１２及びヒータ１１３は
熱的に絶縁されている。

【０００５】さらに流速センサ１０１は、シリコン基板
１１０上の流れ方向最上流側に設けられた測温抵抗であ
る周囲温度測定用の周囲温度センサ１１９を備えて構成
されている。図１３にこの流速センサ１０１の出力信号
に基づいて流量を検出するための流量計の回路ブロック
図を示す。

【０００６】流量計１２０は、流速センサ１０１の温度
センサ１１１及び温度センサ１１２並びに抵抗１２３及
び抵抗１２４により構成されたブリッジ回路１２２と、
温度センサ１１１と抵抗１２３との中間接続点が反転入
力端子に接続され、温度センサ１１２と抵抗１２４との
中間接続点が非反転入力端子に接続され、温度センサ１
１１が検出した温度に相当する検出電圧Ｖd と温度セン
サ１１２が検出した温度に相当する検出電圧Ｖu との差
電圧を増幅して増幅差電圧Ｖdef を出力する増幅器１２
５と、検出電圧Ｖd 、検出電圧Ｖu 及び増幅差電圧Ｖde
f が入力され、選択制御信号ＳSEL に基づいて検出電圧
Ｖd 、検出電圧Ｖu 及び増幅差電圧Ｖdef のうちいずれ
か一の電圧を選択電圧ＶSEL として出力するマルチプレ
クサ１２６と、選択電圧ＶSEL をアナログ／ディジタル
変換して選択電圧データＤＶSELとして出力するＡ／Ｄ
変換器１２７と、選択制御信号ＳSEL により順次検出電
圧Ｖd 、検出電圧Ｖu あるいは増幅差電圧Ｖdef に対応
する選択電圧データＤＶSEL が入力され、増幅差電圧Ｖ
def に基づいて原流量（温度補正前の流量）を算出し、
検出電圧Ｖd 及び検出電圧Ｖu に基づいて温度センサ１
１１、１１２のベース温度上昇を算出して温度補正係数
を求め、原流量及び温度補正係数に基づいて補正流量デ
ータＤcfl を算出する演算装置１２８と、を備えて構成
されている。

【０００７】次に動作を説明する。まず、ヒータ１１３
が所定温度を保つように制御し、ヒータ１１３が所定温
度を保つようになったならば、図１２（ａ）に示す矢印
方向から測定対象の流体を流す。

【０００８】測定対象の流体が流れることにより、上流
側に配置された温度センサ１１１は冷却されて降温し、
下流側に配置された温度センサ１１２は、流体の流れに
伴ってヒータ１１３の熱伝導が促進され昇温する。これ
により温度センサ１１１と温度センサ１１２との間で温
度差が生じ、温度センサ１１１及び温度センサ１１２の
抵抗値が変化する。

【０００９】この抵抗値の変化に基づきブリッジ回路１
２２は、温度センサ１１１と温度センサ１１２との間の
温度差に相当する検出電圧Ｖd 及び検出電圧Ｖu を発生
し、増幅器１２５及びマルチプレクサ１２６に出力す
る。増幅器１２５は、検出電圧Ｖd と検出電圧Ｖu との
差電圧を増幅して増幅差電圧Ｖdef をマルチプレクサ１
２６に出力する。

【００１０】マルチプレクサ１２６は、選択制御信号Ｓ
SEL に基づいて検出電圧Ｖd 、検出電圧Ｖu 及び増幅差
電圧Ｖdef を順次切換えて選択電圧ＶSEL としてＡ／Ｄ
変換器１２７に出力する。Ａ／Ｄ変換器１２７は、選択
電圧ＶSEL をアナログ／ディジタル変換して選択電圧デ
ータＤＶSEL として演算装置１２８に出力する。

【００１１】演算装置１２８は、増幅差電圧Ｖdef に基
づいて原流量（温度補正前の流量）を算出し、検出電圧
Ｖd 及び検出電圧Ｖu に基づいて温度センサ１１１、１
１２のベース温度上昇を算出して温度補正係数を求め、
原流量及び温度補正係数に基づいて補正流量データＤcf
l を算出して出力する。

【００１２】従って、精度よく流量を算出することがで
きる。第２従来例図１４に第２従来例の熱伝播時間計測型の流速センサ及
びその検出回路の構成図を示す。

【００１３】流速センサ１５０は、測定対象流体の流れ
方向（図中矢印で示す。）上流側に設けられ、パルス電
源１５１が接続されて片梁構造で支持されるヒータ１５
２と、ヒータ１５２とは測定対象流体の下流側に距離ｘ
だけ隔離されて配置され、外部のブリッジ回路１５３が
接続されて片梁構造で支持される測温抵抗である温度セ
ンサ１５４と、を備えて構成されている。

【００１４】ブリッジ回路１５３は、温度センサ１５４
並びに抵抗１５５、抵抗１５６、抵抗１５７及びブリッ
ジ用直流電源１５８を備えて構成されている。次に動作
を説明する。まず、パルス電源１５１を駆動することに
より矩形波のパルス電流を所定周波数で印加する。

【００１５】流体が流れていない場合には、ブリッジ回
路１５３は平衡が保たれ、出力電圧Ｖout は０［Ｖ］と
なる。ここで、測定対象流体を矢印方向に流すことによ
り、ヒータ１５２により加熱された測定対象流体が温度
センサ１５４に到達し、温度センサ１５４の抵抗値が変
化し、変化量に応じた電圧Ｖout が出力されることとな
る。

【００１６】この電圧Ｖout に基づいて図示しない演算
回路により演算を行ない、流速を求める。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】上記第１従来例の流速
センサにおいては、測定対象流体の流れに沿って開口部
であるエッチング用開口１１４、１１５、１１６が設け
られているため高流速（例えば、６０ｍ／ｓｅｃ以上）
では、乱流等が発生し、橋絡部１１８、ひいては、流速
センサ１０１が破壊されるおそれがあった。

【００１８】同様に上記第２従来例の流速センサにおい
ては、測定対象流体の流路１５９内に梁部１５２ａ、１
５４ａが突出して設けられているため、高流速において
は、梁部１５２ａ、１５４ａに高い応力が印加されるこ
ととなり、梁部１５２ａ、１５４ａが折れる等、流速セ
ンサ１５０が破壊されるおそれがあった。

【００１９】そこで、本願出願人は、上記課題を解決す
べく、高流速においても、破壊されることなく流速を測
定を継続することが可能な流速センサを提案している。
図１５に本願出願人が提案している流速センサの天面図
を示す。流速センサ２０１は、支持基板としてのＳｉ基
板２０２と、ＳｉＯ₂層及びＳｉ₃Ｎ₄層から構成され
るダイアフラム部としてのダイアフラム２０３と、ダイ
アフラム２０３上に形成されたヒータとしてのマイクロ
ヒータ２０４と、マイクロヒータ２０４の下流側であっ
て冷接点形成部分を除きダイアフラム２０３上に形成さ
れたサーモパイル２０５と、電源端子２０６Ａ、２０６
Ｂを有しマイクロヒータ２０４に駆動電流を供給するた
めの電源配線２０６と、出力端子２０７Ａ、２０７Ｂを
有し、サーモパイル２０５から出力される温度検出信号
を出力するための出力配線２０７と、を備えて構成され
ている。

【００２０】次に図示しない流速演算制御回路は、マイ
クロヒータ駆動用の矩形パルス信号を入力する。マイク
ロヒータ２０４に入力された矩形パルス信号の立上がり
タイミングからマイクロヒータ２０４は加熱を開始する
こととなり、測定対象流体としてのガスが流れると、マ
イクロヒータ２０４が発生した熱は、ガスを媒体として
サーモパイル２０５に伝達されることとなる。

【００２１】これによりサーモパイル２０５は、伝達さ
れた熱を検出し、冷接点２０５Ａと温接点２０５Ｂとの
熱起電力の差及び熱容量の差から電圧が発生し、出力端
子２０７Ａ、２０７Ｂを介して温度検出信号Ｔが図示し
ないアンプに出力される。上記流速センサ２０１におい
ては、図１６に示すように、流速センサ２０１の周囲温
度が変化することにより、流速に対するサーモパイル２
０５の出力電圧及び熱伝播時間が変化している。

【００２２】さらに流速に対するサーモパイル２０５の
出力電圧及び熱伝播時間の変化は、低流速域で非常に大
きな温度特性を持つこととなっていた。例えば、流量計
測用として流速センサを用いる場合、図１６に示すよう
に、基準になる回帰関数（多項式で表される）を周囲温
度２３［℃］の場合について求め、周囲温度−２０
［℃］、６０［℃］での］出力値を求めた回帰関数に代
入することにより流量Ｑを算出すると、図１７に示すよ
うに、器差（流速センサの出力する流速値から示すべき
真の流速値を引いた値）は、低流速域においては±２０
０［％］程度となる。

【００２３】従って、この流速センサを流量計測用セン
サとしてそのまま用いることはできず、外部に温度補償
回路などを設ける必要があった。そこで、本発明の目的
は、外付け回路等を設ける必要もなく、流量計測用のセ
ンサとして用いることが可能な流速センサ及びこの流速
センサを用いた流速計測方法を提供することにある。

【００２４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項１記載の発明は、測定対象流体の流速を熱伝
播時間を計測することにより検出する流速センサにおい
て、外部からの駆動電流により前記測定対象流体を断続
的に加熱するヒータと、前記ヒータに対し前記測定対象
流体の上流側に配置され、前記測定対象流体の温度を検
出し、第１温度検出信号を出力する上流側サーモパイル
と、前記ヒータに対し前記測定対象流体の下流側に配置
され、前記測定対象流体の温度を検出し、第２温度検出
信号を出力する下流側サーモパイルと、前記ヒータ、前
記上流側サーモパイル及び前記下流側サーモパイルを支
持する支持基板と、を備えて構成する。

【００２５】請求項１記載の発明は、また、前記支持基
板は、周辺部分が固定されたダイアフラム部を有し、前
記上流側サーモパイルあるいは前記下流側サーモパイル
を構成する熱電対の冷接点を除く部分及び前記ヒータは
前記ダイアフラム部上に形成されているように構成す
る。

【００２６】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明において、前記ダイアフラム部のうち、前記ヒータの
周囲に熱絶縁用開口部を設けて構成する。請求項３記載
の発明は、請求項１または請求項２記載の発明におい
て、前記サーモパイルの冷接点は、前記支持基板の前記
ダイアフラム部を除く領域に形成されているように構成
する。

【００２７】請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求
項３のいずれかに記載の流速センサを用いて前記測定対
象流体の流速を計測する流速計測方法において、前記第
１温度検出信号と前記第２温度検出信号との差に基づい
て前記流速を計測するように構成する。

【００２８】請求項１記載の発明によれば、支持基板
は、ヒータ、上流側サーモパイル及び下流側サーモパイ
ルを支持する。支持基板に支持された状態でヒータは、
外部からの駆動電流により前記測定対象流体を断続的に
加熱する。

【００２９】このヒータの加熱と並行して、上流側サー
モパイルは、ヒータによる加熱されえる前の測定対象流
体の温度を検出し、第１温度検出信号を出力する。下流
側サーモパイルは、ヒータにより加熱された測定対象流
体の温度を検出し、第２温度検出信号を出力する。

【００３０】請求項１記載の発明によれば、さらに、上
流側サーモパイルあるいは下流側サーモパイルを構成す
る熱電対の冷接点を除く部分及びヒータをダイアフラム
部上に形成することにより、サーモパイル及びヒータの
熱容量を小さくする。

【００３１】請求項２記載の発明によれば、請求項１記
載の発明の作用に加えて、ヒータの周囲に熱絶縁用開口
部を設けることにより、サーモパイル側に直接的に熱伝
導が起こるのを防止する。請求項３記載の発明によれ
ば、請求項１または請求項２記載の発明において、前記
サーモパイルの冷接点は、前記支持基板の前記ダイアフ
ラム部を除く領域に形成されるので、サーモパイルの冷
接点は支持基板のダイアフラム部を除く領域に形成さ
れ、サーモパイルの温接点はダイアフラム部上に形成さ
れることとなり、冷接点と温接点との熱容量の差を大き
くして、熱電対の起電力をおおきくする。

【００３２】請求項４記載の発明によれば、流速センサ
から出力される第１温度検出信号及び第２温度検出信号
を用い、第１温度検出信号と第２温度検出信号との差に
基づいて流速を計測する。

【００３３】

【発明の実施の形態】次に図面を参照して本発明の好適
な実施形態を説明する。第１実施形態図１に第１実施形態の流速センサの天面図を示す。

【００３４】流速センサ１は、支持基板としてのＳｉ基
板２と、ＳｉＯ₂層及びＳｉ₃Ｎ₄層から構成されるダ
イアフラム部としてのダイアフラム３と、ダイアフラム
３上に形成されたヒータとしてのマイクロヒータ４と、
マイクロヒータ４の下流側であって冷接点形成部分を除
きダイアフラム３上に形成された下流側サーモパイル５
と、電源端子６Ａ、６Ｂを有しマイクロヒータ４に駆動
電流を供給するための電源配線６と、出力端子７Ａ、７
Ｂを有し、下流側サーモパイル５から出力される第１温
度検出信号を出力するための第１出力配線７と、マイク
ロヒータ４の上流側であって冷接点形成部分を除きダイ
アフラム３上に形成された上流側サーモパイル８と、出
力端子９Ａ、９Ｂを有し、上流側サーモパイル８から出
力される第２温度検出信号を出力するための第２出力配
線９と、を備えて構成されている。

【００３５】図２にサーモパイルの拡大天面図（図２
（ａ））及び断面図（図２（ｂ））を示す。この場合に
おいて、下流側サーモパイル５及び上流側サーモパイル
８は同様な構成であるので、下流側サーモパイル５につ
いて説明する。下流側サーモパイル５を構成する熱電対
は、ｐ⁺⁺−Ｓｉ及びＡｌにより構成され、図２（ｂ）に
示すように、下流側サーモパイル５の冷接点５Ａは、Ｓ
ｉ基板２（厚さ約４００［μｍ］）のダイアフラム３を
形成していない部分に設けられ、下流側サーモパイル５
の温接点５ＢはＳｉＯ₂層及びＳｉ₃Ｎ₄層から構成さ
れるダイアフラム３上に設けられている。

【００３６】本下流側サーモパイル５によれば、流速範
囲０．０１［ｍ／ｓｅｃ］〜３［ｍ／ｓｅｃ］で数１０
［ｍＶ］の出力電圧が得られるため大きな増幅を必要と
せず、信号処理が可能となる。ここで図３を参照してサ
ーモパイルの形成工程について説明する。

【００３７】まず、図３（ａ）に示すように、Ｓｉ基板
２の両面の表面を酸化することにより、ＳｉＯ₂層をＳ
ｉ基板２の両面に形成する。次に図３（ｂ）に示すよう
に、ＳｉＯ₂層をフォトリソグラフィによりエッチング
し、Ｓｉ基板の上面（図中、上側）に窓を開け、ｐ型不
純物であるホウ素（Ｂ；Boron）を高濃度に拡散し、ｐ
⁺⁺−Ｓｉ層１０を形成する。そして、ｐ⁺⁺−Ｓｉ層１０
を形成した後、表面のＳｉＯ₂層を除去する。

【００３８】つづいて、図３（ｃ）に示すように、Ｓｉ
基板（ｐ⁺⁺−Ｓｉ層１０を含む。）２の両面の表面を酸
化することにより、再びＳｉＯ₂層をＳｉ基板２の両面
に形成する。そして、Ｓｉ基板２の両面にＳｉ₃Ｎ₄層
を蒸着により形成し、Ｓｉ₃Ｎ₄層を覆うべく表面を酸
化することによりＳｉＯ₂層を形成する。この結果、Ｓ
ｉ基板２の両面にＳｉＯ₂／Ｓｉ₃Ｎ₄／ＳｉＯ₂層１
１が形成されることとなる。

【００３９】次にホトレジスト膜を形成し、上面は配線
用コンタクトホールに対応するマスクで露光を行ない、
図３（ｄ）に示すように、ＳｉＯ₂／Ｓｉ₃Ｎ₄／Ｓｉ
Ｏ₂層１１を除去し、コンタクトホール１２を形成す
る。一方、下面はダイアフラムに対応するマスクで露光
を行ない、ダイアフラム相当部分のＳｉＯ₂／Ｓｉ₃Ｎ
₄／ＳｉＯ₂層１１を除去する。

【００４０】つづいて図３（ｅ）に示すように、配線用
のＡｌ薄膜１３を真空蒸着法により形成し、フォトリソ
グラフィにより配線パターン部分だけを残し、不要なＡ
ｌ薄膜をエッチングにより除去し、焼成（シンタリン
グ）する。次に図３（ｆ）に示すように、保護用のＳｉ
Ｏ₂層１４を蒸着により形成し、フォトリソグラフィに
よりボンディングパッド位置相当部分に窓を開け、Ｓｉ
Ｏ ₂層を除去することによりボンディングパッド１５を
形成する。

【００４１】つづいて、図３（ｇ）に示すように、Ｓｉ
基板２をＳｉＯ₂／Ｓｉ₃Ｎ₄／ＳｉＯ₂層１１をマス
クとして異方性エッチングし、凹部を形成することによ
りダイアフラム３を形成する。以上の工程により、下流
側サーモパイル５及び上流側サーモパイル８が形成され
ることとなる。

【００４２】次に図４を参照してマイクロヒータの形成
工程について説明する。図４において図３と同一の部分
には同一の符号を付して説明する。まず、図４（ａ）に
示すように、Ｓｉ基板２の両面の表面を酸化することに
より、ＳｉＯ₂層をＳｉ基板の両面に形成する。この工
程は図３（ａ）の工程と同時に行なわれる。

【００４３】次に図４（ｂ）に示すように、ＳｉＯ₂層
をフォトリソグラフィによりエッチングし、Ｓｉ基板２
の上面（図中、上側）に窓を開け、ｐ型不純物であるホ
ウ素（Ｂ；Boron）を高濃度に拡散し、ｐ⁺⁺−Ｓｉ層１
０を形成する。この工程は図３（ｂ）の工程と同時に行
なわれる。

【００４４】つづいて、図４（ｃ）に示すように、Ｓｉ
基板２（ｐ⁺⁺−Ｓｉ層１０を含む。）の両面の表面を酸
化することにより、再びＳｉＯ₂層をＳｉ基板の両面に
形成する。そして、Ｓｉ基板の両面にＳｉ₃Ｎ₄層を蒸
着により形成し、Ｓｉ₃Ｎ₄層を覆うべく表面を酸化す
ることによりＳｉＯ₂層を形成する。この結果、Ｓｉ基
板２の両面にＳｉＯ₂／Ｓｉ₃Ｎ₄／ＳｉＯ₂層１１が
形成されることとなる。この工程は、図３（ｃ）の工程
と同時に行なわれる。

【００４５】次にホトレジスト膜を形成し、下面はダイ
アフラム３に対応するマスクで露光を行ない、図４
（ｄ）に示すように、ダイアフラム相当部分のＳｉＯ₂
／Ｓｉ₃Ｎ₄／ＳｉＯ₂層を除去する。この工程は図３
（ｄ）の工程と同時に行なわれる。

【００４６】つづいて、図４（ｅ）に示すように、フォ
トリソグラフィにより上面側のＳｉＯ₂／Ｓｉ₃Ｎ₄／
ＳｉＯ₂層の上面にＰｔ／Ｔｉ層形成領域に対応する窓
を開け、電子ビーム蒸着（Ｐｔスパッタ）により当該Ｐ
ｔ／Ｔｉ層形成領域にＰｔ／Ｔｉ層２０を形成する。

【００４７】そしてリフトオフにより余分なＰｔ／Ｔｉ
層２０及びホトレジストを除去する。次に図４（ｆ）に
示すように、保護用のＳｉＯ₂層１４を蒸着により形成
し、フォトリソグラフィによりボンディングパッド位置
相当部分に窓を開け、ＳｉＯ ₂層１４を除去することに
よりボンディングパッド２１を形成する。この工程は、
図３（ｆ）の工程と同時に行なわれる。

【００４８】つづいて、図４（ｇ）に示すように、Ｓｉ
基板２をＳｉＯ₂／Ｓｉ₃Ｎ₄／ＳｉＯ₂層１１をマス
クとして異方性エッチングし、凹部を形成することによ
りダイアフラム３を形成する。この工程は、図３（ｇ）
の工程と同時に行なわれる。以上の工程により、マイク
ロヒータ４がダイアフラム３上に形成されることとな
る。

【００４９】図５に流速センサ１から出力される温度検
出信号を処理するとともに、マイクロヒータを駆動する
ための流速演算制御回路の概要構成ブロック図を示す。
流速演算制御回路３０は、所定周波数の基準発振信号Ｓ
REF を出力するオシレータ３１と、基準発振信号ＳREF
に基づいて、マイクロヒータ４に駆動電流を供給すべ
く、所定周期を有する矩形パルス信号ＳＰを生成し出力
するクロックジェネレータ３２と、出力端子７Ａ、７Ｂ
を介して入力される第１温度検出信号Ｔ1を増幅して増
幅温度検出信号ＡＴ1として出力するアンプ３３と、出
力端子９Ａ、９Ｂを介して入力される第２温度検出信号
Ｔ2を増幅して増幅温度検出信号ＡＴ2として出力するア
ンプ３４と、増幅温度検出信号ＡＴ1及び増幅温度検出
信号ＡＴ2の差動増幅を行って差信号ＤＥＬを出力する
差動アンプ３５と、差信号ＤＥＬの電圧と予め定めた基
準電圧ＶREFとを比較することにより、差信号ＤＥＬの
電圧が基準電圧ＶREFよりも高い場合に“Ｈ”レベルの
出力信号を比較結果信号ＳCMPとして出力するコンパレ
ータ３６と、矩形パルス信号ＳＰがセット入力端子Ｓに
入力され、比較結果信号ＳCMP がリセット入力端子Ｒに
入力され、セット入力端子Ｓ及びリセット入力端子Ｒの
状態に応じた出力信号ＳOUTをセット出力端子Ｑから出
力するＲＳフリップフロップ回路３７と、出力信号ＳOU
Tに基づいて測定対象流体の流速を求め、流速データＤF
Lを出力する演算回路３８と、を備えて構成されてい
る。

【００５０】次に図６のタイミングチャート及び図７の
信号波形図を参照して流速演算制御回路３０の動作を説
明する。以下の説明においては、下流側サーモパイル５
に対応する計測系統及び上流側サーモパイル８に対応す
る計測系統は同様の動作を行うので、主として下流側サ
ーモパイル５の計測系統の動作について説明する。

【００５１】オシレータ３１は、所定周波数の基準発振
信号ＳREF （図６（ａ）参照）を生成し、クロックジェ
ネレータ３２に出力する。クロックジェネレータ３２
は、入力された基準発振信号ＳREF に基づいて、所定周
期を有する矩形パルス信号ＳＰ（図６（ｂ）参照）を生
成し、マイクロヒータ４に電源端子６Ａ、６Ｂを介して
駆動電流として供給するとともに、矩形パルス信号ＳＰ
をＲＳフリップフロップ回路３５のセット入力端子Ｓに
出力する。

【００５２】この結果、ＲＳフリップフロップ回路３５
のセット出力端子Ｑから出力される出力信号ＳOUTは、
“Ｌ”レベルから“Ｈ”レベルへと信号遷移することと
なる（図６（ｇ）、時刻ｔ1 参照）。マイクロヒータ４
に入力された矩形パルス信号ＳＰは、より具体的には図
７に示すものとなる。

【００５３】この矩形パルス信号ＳＰの立上がりタイミ
ングからマイクロヒータ４は加熱を開始することとな
り、測定対象流体としてのガスが流れると、マイクロヒ
ータ４が発生した熱は、ガスを媒体として下流側サーモ
パイル５に伝達されることとなる。

【００５４】これにより下流側サーモパイル５は、マイ
クロヒータ４から伝達された熱を検出し、冷接点５Ａと
温接点５Ｂとの熱起電力の差及び熱容量の差から電圧が
発生することにより、出力端子７Ａ、７Ｂを介して第１
温度検出信号Ｔ1がアンプ３３に出力される。

【００５５】アンプ３３は、第１温度検出信号Ｔ1を増
幅して増幅温度検出信号ＡＴ1（図６（ｃ）及び図７参
照）として、差動アンプ３５の非反転入力端子に出力す
る。この増幅温度検出信号ＡＴ1の出力動作と並行して
上流側サーモパイル８は、周囲温度、すなわち、マイク
ロヒータ４による加熱前の測定対象流体としてのガスの
温度熱を検出し、冷接点５Ａと温接点５Ｂとの熱起電力
の差及び熱容量の差から電圧が発生することにより、出
力端子９Ａ、９Ｂを介して第２温度検出信号Ｔ2がアン
プ３４に出力される。

【００５６】アンプ３４は、第２温度検出信号Ｔ2を増
幅して増幅温度検出信号ＡＴ2（図６（ｄ）及び図７参
照）として、差動アンプ３５の反転入力端子に出力す
る。差動アンプ３５は、入力された増幅温度検出信号Ａ
Ｔ1及び増幅温度検出信号ＡＴ2の差動増幅を行って、図
６（ｅ）に示す差信号ＤＥＬをコンパレータ３６に出力
する。

【００５７】コンパレータ３６は、図６（ｅ）に示す基
準電圧ＶREFと差信号ＤＥＬの電圧とを比較して、差信
号ＤＥＬの電圧が基準電圧ＶREFを超えた場合に“Ｈ”
レベルの比較結果信号ＳCMP（図６（ｆ）参照）をＲＳ
フリップフロップ回路３５のリセット入力端子Ｒに出力
することとなる。

【００５８】この場合において、基準電圧ＶREFは、測
定対象流体の測定可能流速範囲内において、差信号ＤＥ
Ｌに基づいて一の矩形パルス信号ＳＰに対応してマイク
ロヒータ４により発生した熱に起因する温度上昇を確実
に検出できる電圧に設定される。

【００５９】コンパレータ３６から出力される比較結果
信号ＳCMP が“Ｈ”レベルとなると、ＲＳフリップフロ
ップ回路３７のセット出力端子Ｑから出力される出力信
号ＳOUT は、“Ｈ”レベルから“Ｌ”レベルへと信号遷
移することとなる（図６（ｇ）、時刻ｔ2 参照）。

【００６０】これらの結果、時刻ｔ1 から時刻ｔ2 まで
の時間は、熱伝播時間ＷＰに相当することとなり、この
熱伝播時間ＷＰが短ければ、流速は速く、熱伝播時間が
長ければ、流速は遅いこととなる。そこで、演算回路３
８は、出力信号ＳOUT から熱伝播時間を求め、さらにこ
の逆数を求める。

【００６１】ところで、図７に示すように、熱伝播波形
は、マイクロヒータ４に印加する電圧Ｖａによって変化
するので、予め、図８に示すように、印加電圧Ｖａ、熱
伝播時間及び流速の関係を求めておき、図８より測定対
象流体の流速ｖを求める。より具体的には、熱伝播時間
ＷＰが４［ｍｓｅｃ］であったとすると、熱伝播時間Ｗ
Ｐの逆数は、０．２５［ｍｓｅｃ^-1］となり、マイクロ
ヒータ４の印加電圧Ｖａ（＝矩形パルス信号ＳＰの電
圧）＝４［Ｖ］の場合には、測定対象流体の流速は約
１．３［ｍ／ｓｅｃ］となる。

【００６２】図９に流速センサ１における差信号ＤＥＬ
と流量Ｑ［ｍｌ／ｍｉｎ］との関係説明図を示す。上記
流速センサ１においては、図９に示すように、流速セン
サ１の周囲温度が変化することにより、流速に対する下
流側サーモパイル５及び上流側サーモパイル８の出力電
圧及び熱伝播時間が変化しても、下流側サーモパイル５
及び上流側サーモパイル８の出力の差動増幅を行ってい
るため、出力電圧及び熱伝播時間の変化の影響を受けに
くく、同一の流量Ｑにおける差信号ＤＥＬの電圧は周囲
温度にかかわらずほぼ一定となる。

【００６３】より具体的には、基準になる回帰関数（多
項式で表される）を周囲温度２３［℃］の場合について
求め、図９に示すように、周囲温度−２０［℃］、６０
［℃］での］出力値を求めた回帰関数に代入することに
より流量Ｑを算出すると、器差（流速センサの出力する
流速値から示すべき真の流速値を引いた値）は、図１０
に示すように、低流速域においても±１０［％］程度と
なり大幅に改善されている。

【００６４】従って、外部に温度補償回路などを設ける
必要なく、実施形態の流速センサを流量計測用センサと
してそのまま用いるこが可能となる。また、本第１実施
形態の流速センサによれば、流速測定面側には開口部が
設けられていないので、最大耐流速９０ｍ／ｓｅｃを実
現することができ、高流速（６０ｍ／ｓｅｃ以上）の使
用環境下でもセンサの破壊を招かずに連続的に流速を測
定することが可能となる。

【００６５】より具体的には、フルイディックガスメー
タ用微小流量センサとしては、最大耐流速６０ｍ／ｓｅ
ｃ（＝流量４０００Ｌ／ｈ相当）の環境下で用いること
ができる。従って、フルイディック素子のノズル部に直
接取付けることができ、ガスメータの小型化に寄与する
ことが可能となる。第２実施形態上記第１実施形態においては、マイクロヒータ４近傍の
ダイアフラム３はＳｉＯ₂層とＳｉ₃Ｎ₄層との二層構
造であったが、本第２実施形態は、マイクロヒータ４近
傍のダイアフラムをＳｉＯ₂層／Ｓｉ₃Ｎ₄層／ｐ⁺⁺−
Ｓｉ層の三層構造として、製造歩留りを向上させてい
る。

【００６６】図１１に第２実施形態の流速センサの天面
図を示す。図１１において、図１の第１実施形態と同一
の部分には同一の符号を付す。流速センサ６１は、支持
基板としてのＳｉ基板２と、ＳｉＯ₂層及びＳｉ₃Ｎ ₄
層から構成されるダイアフラム部の一部としての第１ダ
イアフラム６２と、ＳｉＯ₂層、Ｓｉ₃Ｎ₄層及びｐ⁺⁺
−Ｓｉ層から構成されるダイアフラム部の一部としての
第２ダイアフラム６３と、第２ダイアフラム６３上に形
成されたヒータとしてのマイクロヒータ４と、マイクロ
ヒータ４の下流側であって冷接点形成部分を除き第１ダ
イアフラム６２上に形成された下流側サーモパイル５
と、電源端子６Ａ、６Ｂを有しマイクロヒータ４に駆動
電流を供給するための電源配線６と、出力端子７Ａ、７
Ｂを有し、下流側サーモパイル５から出力される第１温
度検出信号Ｔ1を出力するための第１出力配線７と、マ
イクロヒータ４の上流側であって冷接点形成部分を除き
第１ダイアフラム６２上に形成された上流側サーモパイ
ル８と、出力端子９Ａ、９Ｂを有し、上流側サーモパイ
ル８から出力される第２温度検出信号Ｔ2を出力するた
めの第２出力配線９と、を備えて構成されている。

【００６７】さらに第２ダイアフラム６３上であって、
マイクロヒータ４の周囲には、ｐ−Ｓｉ層により熱伝導
性が向上して、下流側サーモパイル５側に熱が直接的に
伝達するのを抑制するための複数の熱絶縁用孔６５が設
けられている。この場合において、第２ダイアフラム６
３は、ＳｉＯ₂層、Ｓｉ₃Ｎ₄層及びｐ⁺⁺−Ｓｉ層の三
層構造とされているので、マイクロヒータ４の加熱／非
加熱のヒートサイクルによるダイアフラムの反りを軽減
するとともに、マイクロヒータ４の加熱を均一に行なえ
る。

【００６８】また、ダイアフラムをＳｉＯ₂層及びＳｉ
₃Ｎ₄層の二層構造とする場合よりもＳｉＯ₂層及びＳ
ｉ₃Ｎ₄層の膜厚制御が容易となり、製造歩留りを９５
［％］以上とすることができる。さらに本第２実施形態
の流速センサによれば、流速測定面側には開口部が設け
られていないので、最大耐流速９０ｍ／ｓｅｃを実現す
ることができる。

【００６９】以上の説明のように本第２実施形態によれ
ば、高流速（６０ｍ／ｓｅｃ以上）の使用環境下でもセ
ンサの破壊を招かずに連続的に流速を測定することが可
能となり、第１実施形態の流速センサと同様に、フルイ
ディックガスメータ用微小流量センサとしては、最大耐
流速６０ｍ／ｓｅｃ（＝流量４０００Ｌ／ｈ相当）の環
境下で用いることができる。

【００７０】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、ヒータ、
上流側サーモパイル及び下流側サーモパイルは支持基板
により支持された状態で、ヒータは、外部からの駆動電
流により前記測定対象流体を断続的に加熱し、このヒー
タの加熱と並行して、上流側サーモパイルは、ヒータに
よる加熱される前の測定対象流体の温度を検出し、第１
温度検出信号を出力し、下流側サーモパイルは、ヒータ
により加熱された測定対象流体の温度を検出し、第２温
度検出信号を出力するので、第１温度検出信号及び第２
温度検出信号の差に基づいて流速を算出することによ
り、周囲温度の影響を低減した正確な流速を算出するこ
とができ、ひいては、正確な流量を算出することができ
るので、温度補償回路等の外付け回路等を設ける必要も
なく、流量計測用のセンサとして用いることが可能とな
る。

【００７１】請求項１記載の発明によれば、さらに、上
流側サーモパイルあるいは下流側サーモパイルを構成す
る熱電対の冷接点を除く部分及びヒータをダイアフラム
部上に形成することにより、サーモパイル及びヒータの
熱容量を小さくし、消費電力を低減することができる。

【００７２】請求項２記載の発明によれば、請求項１記
載の発明の作用に加えて、ヒータの周囲に熱絶縁用開口
部を設けることにより、サーモパイル側に直接的に熱伝
導が起こるのを防止するので、サーモパイル側に直接的
に熱伝導が起こるのを防止して消費電力を低減できる。

【００７３】請求項３記載の発明によれば、請求項１ま
たは請求項２記載の発明において、前記サーモパイルの
冷接点は、前記支持基板の前記ダイアフラム部を除く領
域に形成されるので、サーモパイルの冷接点は支持基板
のダイアフラム部を除く領域に形成され、サーモパイル
の温接点はダイアフラム部上に形成されることとなり、
冷接点と温接点との熱容量の差を大きくして、熱電対の
起電力を大きくすることができ、熱電対の起電力、すな
わち、温度検出信号の電圧を高くでき、より高感度なセ
ンサを構成することができる。

【００７４】請求項４記載の発明によれば、請求項１乃
至請求項３のいずれかに記載の流速センサを用いて前記
測定対象流体の流速を計測する流速計測方法において、
前記上流側サーモパイルの出力電圧と前記下流側サーモ
パイルの出力電圧との差に基づいて前記流速を計測する
ので、周囲温度の影響を低減した正確な流速を算出する
ことができ、ひいては、さらに温度補償を行うことな
く、正確な流量を算出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態の流速センサの天面図である。

【図２】サーモパイルの天面図及び断面図である。

【図３】サーモパイルの製造工程説明図である。

【図４】マイクロヒータの製造工程説明図である。

【図５】流速演算制御回路の概要構成ブロック図であ
る。

【図６】流速演算制御回路のタイミングチャートであ
る。

【図７】流速演算制御回路の詳細波形説明図である。

【図８】流速と熱伝播時間の逆数の関係説明図である。

【図９】差信号と流量との関係を説明する図である。

【図１０】流量と器差との関係を説明する図である。

【図１１】第２実施形態の流速センサの天面図である。

【図１２】第１従来例の流速センサの斜視図及び断面図
である。

【図１３】第１従来例の流速センサを用いて流量計を構
成する場合の概要構成ブロック図である。

【図１４】第２従来例の流速センサ及び流量計の説明図
である。

【図１５】出願人が提案している流速センサの天面図で
ある。

【図１６】出願人が提案している流速センサの出力電圧
と流量との関係を説明する図である。

【図１７】本願発明が解決しようとする課題を説明する
図である。

【符号の説明】

１流速センサ２Ｓｉ基板３ダイアフラム４マイクロヒータ５下流側サーモパイル５Ａ冷接点５Ｂ温接点６電源配線７第１出力配線８上流側サーモパイル９第２出力配線１０ｐ⁺⁺−Ｓｉ層１１ＳｉＯ₂／Ｓｉ₃Ｎ₄／ＳｉＯ₂層１２コンタクトホール１３Ａｌ薄膜１４ＳｉＯ₂層１５ボンディングパッド２０Ｐｔ／Ｔｉ層２１ボンディングパッド３０流速演算制御回路３１オシレータ３２クロックジェネレータ３３アンプ３４アンプ３５差動アンプ３６コンパレータ３５ＲＳフリップフロップ回路３６演算回路６１流速センサ６２第１ダイアフラム６３第２ダイアフラム６５熱絶縁用孔ＳREF 基準発振信号ＳＰ矩形パルス信号Ｔ1 第１温度検出信号Ｔ2 第２温度検出信号ＡＴ1 第１増幅温度検出信号ＡＴ2 第２増幅温度検出信号ＶREF 基準電圧ＳCMP 比較結果信号ＳOUT 出力信号

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】測定対象流体の流速を熱伝播時間を計測
することにより検出する流速センサにおいて、外部からの駆動電流により前記測定対象流体を断続的に
加熱するヒータと、前記ヒータに対し前記測定対象流体の上流側に配置さ
れ、前記測定対象流体の温度を検出し、第１温度検出信
号を出力する上流側サーモパイルと、前記ヒータに対し前記測定対象流体の下流側に配置さ
れ、前記測定対象流体の温度を検出し、第２温度検出信
号を出力する下流側サーモパイルと、前記ヒータ、前記上流側サーモパイル及び前記下流側サ
ーモパイルを支持する支持基板とを備え、前記支持基板は、周辺部分が固定されたダイアフラム部
を有し、前記上流側サーモパイルあるいは前記下流側サーモパイ
ルを構成する熱電対の冷接点を除く部分及び前記ヒータ
は前記ダイアフラム部上に形成されていることを特徴と
する流速センサ。
【請求項２】請求項１記載の流速センサにおいて、前記ダイアフラム部のうち、前記ヒータの周囲に熱絶縁
用開口部を設けたことを特徴とする流速センサ。
【請求項３】請求項１または請求項２記載の流速セン
サにおいて、前記サーモパイルの冷接点は、前記支持基板の前記ダイ
アフラム部を除く領域に形成されていることを特徴とす
る流速センサ。
【請求項４】請求項１乃至請求項３のいずれかに記載
の流速センサを用いて前記測定対象流体の流速を計測す
る流速計測方法において、前記第１温度検出信号と前記第２温度検出信号との差に
基づいて前記流速を計測することを特徴とする流速計測
方法。