JPS61170618A - 流速検出用半導体センサ - Google Patents
流速検出用半導体センサInfo
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- JPS61170618A JPS61170618A JP60012064A JP1206485A JPS61170618A JP S61170618 A JPS61170618 A JP S61170618A JP 60012064 A JP60012064 A JP 60012064A JP 1206485 A JP1206485 A JP 1206485A JP S61170618 A JPS61170618 A JP S61170618A
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- G01—MEASURING; TESTING
- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
- G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
- G01F1/684—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
- G01F1/6845—Micromachined devices
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- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
- G01P5/10—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring thermal variables
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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。
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］
本発明は流速検出用半導体センサ、特に流体の流速を電
気的に検出するセンサの改良に関する。
気的に検出するセンサの改良に関する。
［従来技術］
流体の流速を検出するセンサとして、従来より半導体基
板上に発熱体を設けた流速検出用半導体センサが周知で
あり、このセンサは、流体の流速に応じて変化する発熱
体からの放熱量を電気的に測定し流速を検出することが
できることから、気体または液体等の流速測定に幅広く
用いられている。
板上に発熱体を設けた流速検出用半導体センサが周知で
あり、このセンサは、流体の流速に応じて変化する発熱
体からの放熱量を電気的に測定し流速を検出することが
できることから、気体または液体等の流速測定に幅広く
用いられている。
［発明が解決しようどする問題点］
しかし、従来のセンサは、発熱体とシリコン基板とが熱
的に遮蔽されておらず、シリコン基板やセンサのマウン
ト部分が発熱体に対し熱容量の大きな熱負荷となって作
用してしまうため、発熱体の発熱間は流速に敏感に反応
して変化せず、応答性の良い正確な測定を行うことがで
きないという欠点があった。
的に遮蔽されておらず、シリコン基板やセンサのマウン
ト部分が発熱体に対し熱容量の大きな熱負荷となって作
用してしまうため、発熱体の発熱間は流速に敏感に反応
して変化せず、応答性の良い正確な測定を行うことがで
きないという欠点があった。
更に、前記発熱体が設けられたシリコン半導体基板は、
極めて熱伝導率が良い材料であるため、従来のようにシ
リコン半導体基板上に発熱体を設けると、シリコン半導
体基板全体が加熱されてしまい、このため、温度変化に
敏感な半導体で構成されるセンサの周辺回路を発熱体と
同一の半導体基板上に設けることができず、センサを集
積化することができないという問題があった。
極めて熱伝導率が良い材料であるため、従来のようにシ
リコン半導体基板上に発熱体を設けると、シリコン半導
体基板全体が加熱されてしまい、このため、温度変化に
敏感な半導体で構成されるセンサの周辺回路を発熱体と
同一の半導体基板上に設けることができず、センサを集
積化することができないという問題があった。
発明の目的
本発明は、このような従来の課題に鑑み為されたもので
あり、その目的は、流速を応答性良く正確に測定するこ
とができ、かつ回路の集積度の高い流速検出用半導体セ
ンサを提供することにある。
あり、その目的は、流速を応答性良く正確に測定するこ
とができ、かつ回路の集積度の高い流速検出用半導体セ
ンサを提供することにある。
［問題点を解決するための手段］
本発明のセンサは、半導体基板上に通電発熱体を設け、
この発熱体の発熱間に基づき流体の流速を検出する流速
検出用半導体センサにおいて、半導体基板と通電発熱体
との間に熱伝達を遮蔽する熱絶縁体を設け、発熱体から
の熱伝達が遮蔽された半導体基板上にセンサの周辺回路
を設けることを特徴とする。
この発熱体の発熱間に基づき流体の流速を検出する流速
検出用半導体センサにおいて、半導体基板と通電発熱体
との間に熱伝達を遮蔽する熱絶縁体を設け、発熱体から
の熱伝達が遮蔽された半導体基板上にセンサの周辺回路
を設けることを特徴とする。
ここにおいて、前記半導体基板は、例えば、シリコン、
Ｇａ Ａｓ又はその他の半導体材料を用いて形成するこ
とができる。
Ｇａ Ａｓ又はその他の半導体材料を用いて形成するこ
とができる。
前記半導体基板は、一部を薄板構造とし、その一部又は
全部を熱絶縁体で構成することにより、通電発熱体から
基板への熱の遮蔽をより効果的にできる。
全部を熱絶縁体で構成することにより、通電発熱体から
基板への熱の遮蔽をより効果的にできる。
また、前記熱絶縁体は、各種熱絶縁材料を用いて形成す
ることが可能であるが、半導体基板としてシリコンを用
いた場合には、この熱絶縁体として多孔質シリコン酸化
膜を用いることが好適である。
ることが可能であるが、半導体基板としてシリコンを用
いた場合には、この熱絶縁体として多孔質シリコン酸化
膜を用いることが好適である。
これは、多孔質シリコン酸化膜は、熱伝導率がシリコン
の１１５０〜１／１００と小さく、熱絶縁体として好適
であるとともに、シリコン半導体基板内に短時間で１０
ミクロン以上の厚みで形成され、極めて優れた熱絶縁性
能を発揮することができるためである。
の１１５０〜１／１００と小さく、熱絶縁体として好適
であるとともに、シリコン半導体基板内に短時間で１０
ミクロン以上の厚みで形成され、極めて優れた熱絶縁性
能を発揮することができるためである。
また、この多孔質シリコン酸化膜は、電気絶縁性にも優
れているため、通電発熱体から半導体基板への漏れ電流
を極めて小さくすることができ、更に通電発熱体の表面
にスパッタ等でＳ！３Ｎ＋等の保１１１１を形成するだ
けで発熱体を被測定流体から電気的に良好に絶縁し導電
性流体内でもその流速測定を行うことが可能となる。
れているため、通電発熱体から半導体基板への漏れ電流
を極めて小さくすることができ、更に通電発熱体の表面
にスパッタ等でＳ！３Ｎ＋等の保１１１１を形成するだ
けで発熱体を被測定流体から電気的に良好に絶縁し導電
性流体内でもその流速測定を行うことが可能となる。
また、前記通電発熱体は、各種の発熱材料を用いて形成
することができる。例えば、前記熱絶縁体を半導体基板
内に選択的に形成する際に、熱絶縁体の内部に基板の一
部を選択的に残しておぎ、これをそのまま通電発熱体と
して用いることができる。また、これ以外にも熱絶縁体
の内部に選択的に残した半導体基板内に不純物拡散を行
って、抵抗、トランジスタを形成し、これを通電発熱体
として用いることもできる。また、これ以外にも基板に
熱絶縁体を選択的に形成し、この表面に薄膜抵抗や薄膜
トランジスタを形成し、これを通電発熱体として用いる
ことも可能である。
することができる。例えば、前記熱絶縁体を半導体基板
内に選択的に形成する際に、熱絶縁体の内部に基板の一
部を選択的に残しておぎ、これをそのまま通電発熱体と
して用いることができる。また、これ以外にも熱絶縁体
の内部に選択的に残した半導体基板内に不純物拡散を行
って、抵抗、トランジスタを形成し、これを通電発熱体
として用いることもできる。また、これ以外にも基板に
熱絶縁体を選択的に形成し、この表面に薄膜抵抗や薄膜
トランジスタを形成し、これを通電発熱体として用いる
ことも可能である。
［作用］
以上の構成とすることにより、本発明の半導体センサを
用いて流体の流速を測定する場合には、まず、センサを
被測定流体に設置し、その発熱体を通電加熱する。ここ
において、発熱体の周囲に流体の流れが存在すると、こ
の発熱体から奪われる熱量は流体の流速に応じて変動し
、流体により奪われる発熱体からの熱量は流速が大きい
程大ぎく、また流速が小さい程小ざいものとなる。
用いて流体の流速を測定する場合には、まず、センサを
被測定流体に設置し、その発熱体を通電加熱する。ここ
において、発熱体の周囲に流体の流れが存在すると、こ
の発熱体から奪われる熱量は流体の流速に応じて変動し
、流体により奪われる発熱体からの熱量は流速が大きい
程大ぎく、また流速が小さい程小ざいものとなる。
従って、本発明のセンサでは、発熱体の発熱間を電気的
に演算することにより、センサ周囲を流れる流体の流速
を測定することができる。
に演算することにより、センサ周囲を流れる流体の流速
を測定することができる。
このような流速検出時におけるセンナの応答特性は、発
熱体の熱負荷が小さい程高いものとなる。
熱体の熱負荷が小さい程高いものとなる。
本発明のセンサはこの発熱体と半導体基板とが熱絶縁体
により良好に熱絶縁されているため、半導体基板及びそ
のマウントが発熱体に対し熱負荷として作用じず発熱体
の熱負荷が極めて小さいものとなる。すなわち、本発明
のセンサでは、発熱体からの放熱はほとんど全て被測定
流体により吸収されるため、発熱体の発熱量は流体の流
速に極めて応答性良く反応し流体の流速を高精度で測定
することが可能となる。
により良好に熱絶縁されているため、半導体基板及びそ
のマウントが発熱体に対し熱負荷として作用じず発熱体
の熱負荷が極めて小さいものとなる。すなわち、本発明
のセンサでは、発熱体からの放熱はほとんど全て被測定
流体により吸収されるため、発熱体の発熱量は流体の流
速に極めて応答性良く反応し流体の流速を高精度で測定
することが可能となる。
更に、本発明のセンサでは、前述したように熱絶縁体に
より発熱体と半導体基板とが良好に熱絶縁されるため、
半導体基板の温度はセンサの設置されている周囲の流体
の温度とほぼ等しくなり、従来のセンサのように高温に
加熱されることがない。このため、発熱体と同一の半導
体基板上に、温度変化に敏感で高温に弱いセンサの各種
周辺回路を設けることができ、センサの集積度を高める
ことが可能となる。
より発熱体と半導体基板とが良好に熱絶縁されるため、
半導体基板の温度はセンサの設置されている周囲の流体
の温度とほぼ等しくなり、従来のセンサのように高温に
加熱されることがない。このため、発熱体と同一の半導
体基板上に、温度変化に敏感で高温に弱いセンサの各種
周辺回路を設けることができ、センサの集積度を高める
ことが可能となる。
このように、発熱体と同一の半導体基板状には各種の周
辺回路を必要に応じて適宜設けることが可能であり、例
えば、発熱体の駆動回路、センナ出力の直線化回路、流
体の温度や圧力を測定してセンサ出力を補償する流体温
度補償回路及び流体圧力補償回路を必要に応じ設けるこ
とが効果的である。
辺回路を必要に応じて適宜設けることが可能であり、例
えば、発熱体の駆動回路、センナ出力の直線化回路、流
体の温度や圧力を測定してセンサ出力を補償する流体温
度補償回路及び流体圧力補償回路を必要に応じ設けるこ
とが効果的である。
特に、センサの半導体基板上に前記補償回路を設けるこ
とにより、流体の流速とその圧力及び温度とを（まぼ同
一測定点で同時に測定しセンサの出力を補償することが
できるため、温度や圧力が複雑に変化している流体に対
してもその流速を正確に測定することができる。このよ
うな効果は、半導体技術を用いた微細加工によって半導
体センサを小型化すればする程大きくなり、流体の温度
や圧力がより複雑に変化している場合でもその流速を正
確に測定することが可能となる。
とにより、流体の流速とその圧力及び温度とを（まぼ同
一測定点で同時に測定しセンサの出力を補償することが
できるため、温度や圧力が複雑に変化している流体に対
してもその流速を正確に測定することができる。このよ
うな効果は、半導体技術を用いた微細加工によって半導
体センサを小型化すればする程大きくなり、流体の温度
や圧力がより複雑に変化している場合でもその流速を正
確に測定することが可能となる。
尚、実際の測定においては、流体の圧力変化に比し流体
の温度変化がセンサの出力におよぼす影響が極めて大き
いため、周辺回路としては流体温度補償回路を半導体基
板上に設け、センサの集積化を図ることが効果的である
。
の温度変化がセンサの出力におよぼす影響が極めて大き
いため、周辺回路としては流体温度補償回路を半導体基
板上に設け、センサの集積化を図ることが効果的である
。
また、これ以外にも本発明のセンサでは、基板として半
導体を用いているため、前述以外にも各種複雑な周辺回
路を基板上に設けその集積度を高めることが可能となる
。
導体を用いているため、前述以外にも各種複雑な周辺回
路を基板上に設けその集積度を高めることが可能となる
。
［発明の効果〕
以上説明したように、本発明によれば、半導体基板と通
電発熱体との間に熱絶縁体を設けることにより、発熱体
の熱負荷を低減し流体の流速を高感度で検出することが
可能となり、しかも半導体基板の温度上昇を有効に抑制
し該基板上にセンサの各種周辺回路を設はセンサの集積
度を高めることが可能となる。
電発熱体との間に熱絶縁体を設けることにより、発熱体
の熱負荷を低減し流体の流速を高感度で検出することが
可能となり、しかも半導体基板の温度上昇を有効に抑制
し該基板上にセンサの各種周辺回路を設はセンサの集積
度を高めることが可能となる。
［実施例コ
次に本発明の好適な実施例を図面に基づき説明する。
第１実施例
監メ
第１図及び第２図には本発明にかかる流速検出用半導体
センサの好適な第１実施例が示されており、実施例のセ
ンサは、厚さ４００ミクロンのＰ型シリコン半導体基板
１０の表面中央部に通電発熱体１２を設け、更にこの発
熱体１２と基板１０との間に厚さ５０ミクロンの熱絶縁
体１４を設けている。
センサの好適な第１実施例が示されており、実施例のセ
ンサは、厚さ４００ミクロンのＰ型シリコン半導体基板
１０の表面中央部に通電発熱体１２を設け、更にこの発
熱体１２と基板１０との間に厚さ５０ミクロンの熱絶縁
体１４を設けている。
実施例において、前記熱絶縁体１４は、Ｐ型シリコン半
導体基板１０を選択的に多孔質化した後これを酸化して
多孔質シリコン酸化膜とすることにより基板１０内に形
成される。
導体基板１０を選択的に多孔質化した後これを酸化して
多孔質シリコン酸化膜とすることにより基板１０内に形
成される。
また、本実施例において、前記通電発熱体１２は、この
熱絶縁体１４の表面中央に設けられた多孔質化されてい
ないＮ型シリコンをもって形成されている。
熱絶縁体１４の表面中央に設けられた多孔質化されてい
ないＮ型シリコンをもって形成されている。
ここにおいて、前記熱絶縁体１４を形成する多孔質シリ
コン酸化膜は従来より周知の方法により形成することが
できるが、以下にその概略を説明する。
コン酸化膜は従来より周知の方法により形成することが
できるが、以下にその概略を説明する。
まず、Ｐ型シリコン半導体基板１０の表面をＨＦ溶液中
に浸漬し、半導体基板１０を陽極、ｌ−（Ｆ溶液を負極
として電流を流すと、Ｐ型シリコン半導体基板の表面側
に電流の経路に従って多孔質領域が形成される。この時
、多孔質化を欲しない部分は５１３Ｎ４膜を形成してお
くかあるいはＮ型化しておけば良く、このようなＳｉ３
Ｎ４あるいはＮ型化部分を適宜設けることにより、半導
体基板１０表面の選択的な多孔質化を行うことができる
。
に浸漬し、半導体基板１０を陽極、ｌ−（Ｆ溶液を負極
として電流を流すと、Ｐ型シリコン半導体基板の表面側
に電流の経路に従って多孔質領域が形成される。この時
、多孔質化を欲しない部分は５１３Ｎ４膜を形成してお
くかあるいはＮ型化しておけば良く、このようなＳｉ３
Ｎ４あるいはＮ型化部分を適宜設けることにより、半導
体基板１０表面の選択的な多孔質化を行うことができる
。
なお、シリコン半導体基板１０の表面にＮ型領域を設け
た場合でも、十分長時間をかけて前記多孔質化を行うこ
とによりＮ型領域の下部をも多孔質化することができる
。
た場合でも、十分長時間をかけて前記多孔質化を行うこ
とによりＮ型領域の下部をも多孔質化することができる
。
従って、本実施例のセンサは、予めＰ型シリコン半導体
基板１０の表面中央にＮ型シリコン領域を発熱体１２と
して設けておき、このようにして形成された半導体基板
１０を前述したように十分時間をかけて多孔質化しその
後酸化することにより、発熱体１２とシリコン半導体基
板１０との間に多孔質シリコン酸化層からなる熱絶縁体
１４を所望の膜厚で形成することができる。
基板１０の表面中央にＮ型シリコン領域を発熱体１２と
して設けておき、このようにして形成された半導体基板
１０を前述したように十分時間をかけて多孔質化しその
後酸化することにより、発熱体１２とシリコン半導体基
板１０との間に多孔質シリコン酸化層からなる熱絶縁体
１４を所望の膜厚で形成することができる。
従って、このようにして形成された熱絶縁体１４により
通電発熱体１２から半導体基板１０への熱伝達は効果的
に遮蔽され、半導体基板１０の温度上昇が防止される。
通電発熱体１２から半導体基板１０への熱伝達は効果的
に遮蔽され、半導体基板１０の温度上昇が防止される。
また、本発明においては、このように発熱体１２からの
熱伝達が遮蔽された半導体基板１０の表面に、センサ周
辺回路としてのＮ型シリコン抵抗１６が設けられている
。このＮ型シリコン抵抗１６は流体温度補償回路として
用いられるものであり、その抵抗値は自己発熱すること
がないよう発熱体１２の抵抗値より十分に大きく、実施
例においては約１００倍程度の抵抗値をもつように形成
されている。更に、このＮ型シリコン抵抗１６の抵抗温
度係数は、流速の温度測定を効果的に行うことができる
よう発熱体１２の抵抗温度係数とほぼ等しくなるよう形
成されている。
熱伝達が遮蔽された半導体基板１０の表面に、センサ周
辺回路としてのＮ型シリコン抵抗１６が設けられている
。このＮ型シリコン抵抗１６は流体温度補償回路として
用いられるものであり、その抵抗値は自己発熱すること
がないよう発熱体１２の抵抗値より十分に大きく、実施
例においては約１００倍程度の抵抗値をもつように形成
されている。更に、このＮ型シリコン抵抗１６の抵抗温
度係数は、流速の温度測定を効果的に行うことができる
よう発熱体１２の抵抗温度係数とほぼ等しくなるよう形
成されている。
そして、このようにして形成されたセンサの１表面には
、発熱体１２及びＮ型シリコン抵抗１６へ電気的に接続
されたＡ１リード１８．２０が形成されている。
、発熱体１２及びＮ型シリコン抵抗１６へ電気的に接続
されたＡ１リード１８．２０が形成されている。
１皿
次に本発明のセンサを用いて行う流体の流速検出動作を
説明する。
説明する。
まず、本発明の検出センサを流体内に設置し、発熱体１
２の表面における温度が一定になるように発熱体１２を
通電加熱する。
２の表面における温度が一定になるように発熱体１２を
通電加熱する。
この時、発熱体１２から奪われる熱Ｍは流体１００の流
速Ｖの１／ｎ乗に比例するため、この発熱体１２から発
生するジュール熱Ｑを電気的に演算測定することにより
流速■を測定することができる。なお、ｎはセンサの形
状等によって決まる定数である。
速Ｖの１／ｎ乗に比例するため、この発熱体１２から発
生するジュール熱Ｑを電気的に演算測定することにより
流速■を測定することができる。なお、ｎはセンサの形
状等によって決まる定数である。
ここにおいて、本発明のセンサは、発熱体１２から半導
体基板１０へ向は伝達する熱が熱絶縁体１４により効果
的に遮蔽されているため、発熱体１２の熱負荷は極めて
軽くその発熱量は流体１００の流速Ｖに敏感に反応して
変化する。従って、本発明のセンサによれば、流体１０
０の流速■を極めて応答性良く正確に測定することがで
きる。
体基板１０へ向は伝達する熱が熱絶縁体１４により効果
的に遮蔽されているため、発熱体１２の熱負荷は極めて
軽くその発熱量は流体１００の流速Ｖに敏感に反応して
変化する。従って、本発明のセンサによれば、流体１０
０の流速■を極めて応答性良く正確に測定することがで
きる。
このとき、本実施例のセンサにおいては、熱絶縁体１４
が半導体基板１０内に設けられているため、基板１０の
表面はほぼ滑かとなり流体１００の流れを乱すことがな
いため、流体１００の流速Ｖを更に精度良く測定するこ
とができる。
が半導体基板１０内に設けられているため、基板１０の
表面はほぼ滑かとなり流体１００の流れを乱すことがな
いため、流体１００の流速Ｖを更に精度良く測定するこ
とができる。
尚、このようにして発熱体１２から流体１００により奪
われる熱ＷｉＱに基づきその流速測定を行う場合には、
流体１００の温度が一定である場合には奪われる熱量は
流速と正確に対応するが、同一の流速でも流体温度が変
ると発熱体１２から奪われる熱ｍが変動し正確な測定を
行うことができなくなる。
われる熱ＷｉＱに基づきその流速測定を行う場合には、
流体１００の温度が一定である場合には奪われる熱量は
流速と正確に対応するが、同一の流速でも流体温度が変
ると発熱体１２から奪われる熱ｍが変動し正確な測定を
行うことができなくなる。
従って、このように流体温度が変化する場合には、発熱
体１２の発熱温度を常に流体温度と一定の温度差に制御
することが必要となる。
体１２の発熱温度を常に流体温度と一定の温度差に制御
することが必要となる。
このため、本実施例のセンサにおいては、半導体基板１
０の表面に温度センサとして機能するＮ型シリコン抵抗
１６を設けており、このシリコン抵抗１６の検出ザる温
度に基づき発熱体１２の通電加熱ｍを制御し、その表面
温度を流体温度と一定の温度差となるようにしている。
０の表面に温度センサとして機能するＮ型シリコン抵抗
１６を設けており、このシリコン抵抗１６の検出ザる温
度に基づき発熱体１２の通電加熱ｍを制御し、その表面
温度を流体温度と一定の温度差となるようにしている。
このようにすることにより、本実施例のセンサでは、流
体１００の流速Ｖをその温度変化を考慮して正確に測定
することが可能となる。
体１００の流速Ｖをその温度変化を考慮して正確に測定
することが可能となる。
更に、本実施例のセンサでは、熱絶縁体１４により発熱
体１２からの半導体基板１０へ向けた熱の伝達が効果的
に遮蔽されるため、半導体基板１０の温度は流体の温度
とほぼ等しいものとなる。
体１２からの半導体基板１０へ向けた熱の伝達が効果的
に遮蔽されるため、半導体基板１０の温度は流体の温度
とほぼ等しいものとなる。
従って、このような半導体基板状１０にセンサの周辺回
路として、例えば実施例のごとくＮ型シリコン抵抗１６
を設けその集積度を高めた場合でもこのようなセンサ周
辺回路の安定した動作を得ることが可能となる。
路として、例えば実施例のごとくＮ型シリコン抵抗１６
を設けその集積度を高めた場合でもこのようなセンサ周
辺回路の安定した動作を得ることが可能となる。
次に定温度法を用いて本発明のセンサを駆動する駆動回
路の具体的な実施例を説明する。
路の具体的な実施例を説明する。
センサ駆動回路
第３図には、測定法として定温度法を用いたときのセン
サの駆動回路が示されており、実施例の駆動回路は、発
熱体１２を形成するＮ型シリコン抵抗Ｒ＋ と、流体温
度補償回路１６として機能するＮ型シリコン抵抗Ｒ２と
、抵抗Ｒ３、Ｒ＋ とによりブリッジ回路を構成してお
り、このブリッジ回路の出力を増幅して該ブリッジ回路
の電源とする差動増幅器２０が図示のごとく接続され、
フィードバック回路が形成されているものである。
サの駆動回路が示されており、実施例の駆動回路は、発
熱体１２を形成するＮ型シリコン抵抗Ｒ＋ と、流体温
度補償回路１６として機能するＮ型シリコン抵抗Ｒ２と
、抵抗Ｒ３、Ｒ＋ とによりブリッジ回路を構成してお
り、このブリッジ回路の出力を増幅して該ブリッジ回路
の電源とする差動増幅器２０が図示のごとく接続され、
フィードバック回路が形成されているものである。
この構成の駆動回路は、ホットワイヤやホットフィルム
センサの定温度差駆動回路として一般的に周知のもので
あるが、以下にその動作を概略説明する。
センサの定温度差駆動回路として一般的に周知のもので
あるが、以下にその動作を概略説明する。
例えば本発明のセンサを被測定流体１００内に設置し流
速測定を行う場合には、センサ周囲の流体の流速が増し
センサの発熱体１２．すなわちＮ型シリコン抵抗Ｒ＋
から奪われる熱量が増え抵抗Ｒ＋ の温度が下がると、
その温度の低下が抵抗Ｒ１の抵抗値の減少となって現れ
、この結果抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ１との接続部２２における
電位が上昇する。
速測定を行う場合には、センサ周囲の流体の流速が増し
センサの発熱体１２．すなわちＮ型シリコン抵抗Ｒ＋
から奪われる熱量が増え抵抗Ｒ＋ の温度が下がると、
その温度の低下が抵抗Ｒ１の抵抗値の減少となって現れ
、この結果抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ１との接続部２２における
電位が上昇する。
この接続部２２は差動増幅器２０の正入力端子に接続さ
れているため、該増幅器２０の出力電圧は上昇しブリッ
ジ回路への入力電圧が上昇する。
れているため、該増幅器２０の出力電圧は上昇しブリッ
ジ回路への入力電圧が上昇する。
これにより、発熱体１２へ加わる電圧が上弄し、その分
光熱体１２の発するジュール熱による熱エネルギが上昇
し、その抵抗Ｒ＋ の発熱温度が上昇することになる。
光熱体１２の発するジュール熱による熱エネルギが上昇
し、その抵抗Ｒ＋ の発熱温度が上昇することになる。
この結果、抵抗Ｒ１の抵抗値が上昇し流速が増加する前
の抵抗値に戻り、ブリッヂ回路が平衡することになる。
の抵抗値に戻り、ブリッヂ回路が平衡することになる。
このようにして、実施例の駆動回路においては、流体の
流速が変動してもフィードバック回路の働きにより抵抗
ＲＩの発熱温度が一定に保たれ、抵抗Ｒ１％すなわち発
熱体１２から発生するジュール熱の熱ｆｆ１Ｑは差動増
幅器２０の出力電圧に対応することになる。
流速が変動してもフィードバック回路の働きにより抵抗
ＲＩの発熱温度が一定に保たれ、抵抗Ｒ１％すなわち発
熱体１２から発生するジュール熱の熱ｆｆ１Ｑは差動増
幅器２０の出力電圧に対応することになる。
従って、このようにして求めた差動増幅器２０の出力に
基づき流体の流速Ｖを測定することができる。
基づき流体の流速Ｖを測定することができる。
なお、以上が流体の温度が一定の場合の測定動作である
が、流体の１００の温度が変動する場合においても抵抗
Ｒ２の抵抗値の変化机より、同様にしてその流速■を正
確に測定することができる。
が、流体の１００の温度が変動する場合においても抵抗
Ｒ２の抵抗値の変化机より、同様にしてその流速■を正
確に測定することができる。
すなわち、実施例において、温度補償回路として機能す
るＮ型シリコン抵抗１６の抵抗値Ｒ２は、前述したよう
に発熱体１２の抵抗値Ｒ１より十分大きく設定しである
ため、第３図に示すようなブリッヂ回路を形成しても抵
抗１６は自己加熱しない。従って、流体１００の温度が
下がるとこの温度の低下は抵抗Ｒ２の抵抗値の減少とし
て現れ、この結果抵抗Ｒ２とＲ４との接続部２４におけ
る電位が上昇する。
るＮ型シリコン抵抗１６の抵抗値Ｒ２は、前述したよう
に発熱体１２の抵抗値Ｒ１より十分大きく設定しである
ため、第３図に示すようなブリッヂ回路を形成しても抵
抗１６は自己加熱しない。従って、流体１００の温度が
下がるとこの温度の低下は抵抗Ｒ２の抵抗値の減少とし
て現れ、この結果抵抗Ｒ２とＲ４との接続部２４におけ
る電位が上昇する。
ここにおいて、抵抗Ｒ２の抵抗温度係数は発熱体１２と
して機能する抵抗Ｒ１の抵抗温度係数とほぼ等しく設定
されているため、流体１００の温度が低下することによ
り発生する各接続部２４゜２２における電位の上昇は一
定の割合いで発生する。実施例において、接続部２４は
差動増幅器２０の負入力端子に接続されているため、温
度の低下によって発生する接続部２２の電位の上昇分は
接続部２４の電位の上昇分により打ち消され、差動増幅
器２０より出力されることになる。
して機能する抵抗Ｒ１の抵抗温度係数とほぼ等しく設定
されているため、流体１００の温度が低下することによ
り発生する各接続部２４゜２２における電位の上昇は一
定の割合いで発生する。実施例において、接続部２４は
差動増幅器２０の負入力端子に接続されているため、温
度の低下によって発生する接続部２２の電位の上昇分は
接続部２４の電位の上昇分により打ち消され、差動増幅
器２０より出力されることになる。
このようにして、実施例の駆動回路においては、流体１
００の温度が変動しても抵抗Ｒ２及びフィードバック回
路の働きにより、発熱体１２の発熱温度が流体１００の
温度と常に一定の温度差となるように保たれ、この結果
、差動増幅器２０からは流体１００の温度変化にかかわ
りなく、常にその流速■に対応した出力電圧Ｖを出力す
ることができる。
００の温度が変動しても抵抗Ｒ２及びフィードバック回
路の働きにより、発熱体１２の発熱温度が流体１００の
温度と常に一定の温度差となるように保たれ、この結果
、差動増幅器２０からは流体１００の温度変化にかかわ
りなく、常にその流速■に対応した出力電圧Ｖを出力す
ることができる。
従って、このようにして出力される電圧Ｖを演算するこ
とにより、流体１００の流速Ｖをその温度変化にかかわ
りなく正確に測定することができる。
とにより、流体１００の流速Ｖをその温度変化にかかわ
りなく正確に測定することができる。
第２実施例
第４図及び第５図には、本発明にかかる半導体センサの
好適な第２実施例が示されている。
好適な第２実施例が示されている。
本発明の半導体センサにおいて、発熱体１２と半導体基
板１０との間の熱絶縁を更に効果的に行うだめには、半
導体基板１０の一部を薄板構造に形成し、この薄板構造
部の一部または全部を熱絶縁体とすることが好適である
。
板１０との間の熱絶縁を更に効果的に行うだめには、半
導体基板１０の一部を薄板構造に形成し、この薄板構造
部の一部または全部を熱絶縁体とすることが好適である
。
このために、本実施例の半導体センサは、表面が正方形
をした半導体基板１０の中央部をその裏面側からエツチ
ング加工し、その中央部にほぼ正方形状をした薄板構造
部３０を形成している。
をした半導体基板１０の中央部をその裏面側からエツチ
ング加工し、その中央部にほぼ正方形状をした薄板構造
部３０を形成している。
そして、この薄板構造部３０を、前記第１の実施例と同
様にして選択的に多孔質化した復、これを酸化して多孔
質シリコン酸化層からなる熱絶縁体１２を形成する。な
お、この際薄板構造部３０の表面中央部には、前記第１
実施例と同様にしてＮ型シリコン抵抗を発熱体１２とし
て予め形成しておき、このＮ型シリコン抵抗部以外の領
域を熱絶縁体１４として形成する。
様にして選択的に多孔質化した復、これを酸化して多孔
質シリコン酸化層からなる熱絶縁体１２を形成する。な
お、この際薄板構造部３０の表面中央部には、前記第１
実施例と同様にしてＮ型シリコン抵抗を発熱体１２とし
て予め形成しておき、このＮ型シリコン抵抗部以外の領
域を熱絶縁体１４として形成する。
以上の構成とすることにより、薄板構造部３０が熱絶縁
体１４へ伝達された熱の効果的な放熱フィンとし機能し
、発熱体１２から半導体基板１０へ向は伝達される熱を
更に効果的に遮蔽することができる。
体１４へ伝達された熱の効果的な放熱フィンとし機能し
、発熱体１２から半導体基板１０へ向は伝達される熱を
更に効果的に遮蔽することができる。
更に、本実施例のセンサは、このように優れた熱遮蔽特
性を有することから、第５図に示すごとく、熱絶縁体１
４を形成する際に発熱体１２の下部に位置するＰ型シリ
コン３６を多孔質化することなく残していてもまた多孔
質シリコン酸化膜の厚みを前記第１実施例より薄（形成
しても充分な熱絶縁性能を発揮することができる。
性を有することから、第５図に示すごとく、熱絶縁体１
４を形成する際に発熱体１２の下部に位置するＰ型シリ
コン３６を多孔質化することなく残していてもまた多孔
質シリコン酸化膜の厚みを前記第１実施例より薄（形成
しても充分な熱絶縁性能を発揮することができる。
第３実施例
第６図及び第７図には本発明にかかる半導体センサの好
適な第３実施例が示されており、本実施例の特徴的事項
は、前記第３図に示す駆動回路をセンサの周辺回路３４
として半導体基板１０の表面に設け、センサの集積度を
更に高めたことにある。
適な第３実施例が示されており、本実施例の特徴的事項
は、前記第３図に示す駆動回路をセンサの周辺回路３４
として半導体基板１０の表面に設け、センサの集積度を
更に高めたことにある。
ここにおいて、半導体基板１０上へのこのような周辺回
路３４の形成は、半導体基板１０上に設けられたｎウェ
ル３２中に通常のバイポーラプロセスを用いて容易に行
うことができる。
路３４の形成は、半導体基板１０上に設けられたｎウェ
ル３２中に通常のバイポーラプロセスを用いて容易に行
うことができる。
そして、この半導体基板１０上にはこのようにして形成
された周辺回路の電源電力を供給し、かつその出力を取
出すための、Ｇｄ 、 Ｖ＋、 Ｖの３個のＡＬリード
３０．４０．４２が設けられている。
された周辺回路の電源電力を供給し、かつその出力を取
出すための、Ｇｄ 、 Ｖ＋、 Ｖの３個のＡＬリード
３０．４０．４２が設けられている。
尚、前記実施例においては、半導体基板１０上にＮ型シ
リコン抵抗１６又は駆動回路３４等のセンサ周辺回路を
設は場合を例にとり説明したが、本発明これに限らず、
基板１０として半導体を用いているために、この基板１
０上にこれ以外にも各種複雑な周辺回路を設けその集積
度を高めることが可能となる。
リコン抵抗１６又は駆動回路３４等のセンサ周辺回路を
設は場合を例にとり説明したが、本発明これに限らず、
基板１０として半導体を用いているために、この基板１
０上にこれ以外にも各種複雑な周辺回路を設けその集積
度を高めることが可能となる。
第１図は本発明にかかる流速検出用半導体センサの好適
な第１実施例を示す平面図、 第２図は第１図に示すセンサの■−■断面図、第３図は
第１図及び第２図に示すセンサの駆動回路図、 第４図は本発明の好適な第２実施例を示す平面図、 第５図は第４図に示すセンナのｖ−■断面図、第６図は
本発明にかがるけンサの好適な第３実施例を示す平面図
、 第７図は第６図に示すセンサの■−■断面図。 １０ ・・・ 半導体基板 １２ ・・・ 通電発熱体 １４ ・・・ 熱絶縁体 １６ ・・・ 周辺回路としてのＮ型シリコン抵抗３０
・・・ 薄板構造部 ３４ ・・・ 周辺回路としての駆動回路出願人 株式
会社 豊田中央研究所 代理人 弁理士 古田研二 ７−３５（外１名） 第１図 第２図 第３図 第４図
な第１実施例を示す平面図、 第２図は第１図に示すセンサの■−■断面図、第３図は
第１図及び第２図に示すセンサの駆動回路図、 第４図は本発明の好適な第２実施例を示す平面図、 第５図は第４図に示すセンナのｖ−■断面図、第６図は
本発明にかがるけンサの好適な第３実施例を示す平面図
、 第７図は第６図に示すセンサの■−■断面図。 １０ ・・・ 半導体基板 １２ ・・・ 通電発熱体 １４ ・・・ 熱絶縁体 １６ ・・・ 周辺回路としてのＮ型シリコン抵抗３０
・・・ 薄板構造部 ３４ ・・・ 周辺回路としての駆動回路出願人 株式
会社 豊田中央研究所 代理人 弁理士 古田研二 ７−３５（外１名） 第１図 第２図 第３図 第４図
Claims (4)
- （１）半導体基板上に通電発熱体を設け、この発熱体の
発熱量に基づき流体の流速を検出する流速検出用半導体
センサにおいて、半導体基板と通電発熱体との間に熱伝
達を遮蔽する熱絶縁体を設け、発熱体からの熱伝達が遮
蔽された半導体基板上にセンサの周辺回路を設けること
を特徴とする流速検出用半導体センサ。 - （２）特許請求の範囲（１）記載のセンサにおいて、 半導体基板の一部を薄板構造に形成し、この薄板構造部
の一部または全部を熱絶縁体として形成したことを特徴
とする流速検出用半導体センサ。 - （３）特許請求の範囲（１）、（２）のいずれかに記載
のセンサにおいて、 半導体基板はＰ型又はＮ型シリコンを用いて形成し、熱
絶縁体は多孔質シリコン酸化膜を用いて形成したことを
特徴とする流速検出用半導体センサ。 - （４）特許請求の範囲（１）〜（３）のいずれかに記載
のセンサにおいて、 周辺回路は、流体温度補償回路から成ることを特徴とす
る流速検出用半導体センサ。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60012064A JPS61170618A (ja) | 1985-01-24 | 1985-01-24 | 流速検出用半導体センサ |
| US06/820,703 US4680963A (en) | 1985-01-24 | 1986-01-21 | Semiconductor flow velocity sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60012064A JPS61170618A (ja) | 1985-01-24 | 1985-01-24 | 流速検出用半導体センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61170618A true JPS61170618A (ja) | 1986-08-01 |
| JPH0476412B2 JPH0476412B2 (ja) | 1992-12-03 |
Family
ID=11795171
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60012064A Granted JPS61170618A (ja) | 1985-01-24 | 1985-01-24 | 流速検出用半導体センサ |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4680963A (ja) |
| JP (1) | JPS61170618A (ja) |
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| JPH03176668A (ja) * | 1989-12-05 | 1991-07-31 | Murata Mfg Co Ltd | 風速センサ |
| JP2006090989A (ja) * | 2004-09-27 | 2006-04-06 | Matsushita Electric Works Ltd | ガスフローセンサ装置およびそれに用いるガスフローセンサの製造方法 |
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| WO2012117446A1 (ja) * | 2011-03-02 | 2012-09-07 | 日立オートモティブシステムズ株式会社 | 熱式流量計 |
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| GR1003010B (el) * | 1997-05-07 | 1998-11-20 | "����������" | Ολοκληρωμενος αισθητηρας ροης αεριων χρησιμοποιωντας τεχνολογια πορωδους πυριτιου |
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- 1985-01-24 JP JP60012064A patent/JPS61170618A/ja active Granted
-
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