(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一部が流速を検出すべき流体が流れる流路を形成する支持基台に、前記流体を加熱するヒータと、２種類の導電性部材から構成されると共に、該導電性部材の接続点である温接点及び冷接点を有する熱電対とを搭載し、前記熱電対が前記両接点間の熱起電力を利用してそれぞれ検出した流体の温度によって流速を検出する流速センサにおいて、
前記支持基台の前記ヒータ及び前記熱電対が搭載される搭載面に凸起部を設け、前記温接点及び前記冷接点のうち、前記冷接点のみを該凸起部上に搭載することを特徴とする流速センサ。
【請求項２】
前記凸起部は前記支持基台と同一部材で形成されていることを特徴とする請求項１記載の流速センサ。
【請求項３】
前記熱電対の温接点及び冷接点のうち、前記冷接点のみの流路側を覆う部材を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の流速センサ。
【請求項４】
少なくとも一部が流速を検出すべき流体が流れる流路を形成する支持基台に、前記流体を加熱するヒータと、２種類の導電性部材から構成されると共に、該導電性部材の接続点である温接点及び冷接点を有する熱電対とを搭載し、前記熱電対が前記両接点間の熱起電力を利用してそれぞれ検出した流体の温度によって流速を検出する流速センサにおいて、
前記熱電対の温接点及び冷接点のうち、前記冷接点のみの流路側を覆う部材を設けたことを特徴とする流速センサ。
【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わり、特に、少なくとも一部が流速を検出すべき流体が流れる流路を形成する支持基台に、流体を加熱するヒータと、２種類の導電性部材から構成されると共に、該導電性部材の接続点である温接点及び冷接点を有する熱電対とを設け、熱電対が両接点間の熱起電力を利用してそれぞれ検出した流体の温度によって流速を検出する流速センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
上述した流速センサの一例として、一般に図４に示されたようなものが知られている。同図において、支持基台１ａの中央部には異方性エッチングにより薄肉状に形成された薄肉状部１ａ−１が設けられている。そして、この薄肉状部１ａ−１の上に流路を設けると共に、薄肉状部１ａ−１の上面に矢印１ｂ方向に流体が流れるようにする。
【０００３】
また、同図において、薄膜のマイクロヒータ１ｃは、薄肉状部１ａ−１の上面又は下面に設けられ、このマイクロヒータ１ｃには、駆動電流を供給するための電源配線１ｄが接続される。この電源配線１ｄには、パルス電圧または電流を出力する図示しないマイクロヒータ駆動回路が接続されている。従って、マイクロヒータ１ｃは、マイクロヒータ駆動回路がパルスを出力するたびに、電源配線１ｄを介して通電され加熱する。薄肉状部１ａ−１の上面にはまた、このマイクロヒータ１ｃを挟んだ上流側及び下流側に上流側及び下流側サーモパイル１ｅ、１ｆの温接点群Ｓｏｇがそれぞれ設けられている。この上流側及び下流側サーモパイル１ｅ、１ｆは、熱電対を直列に多数接続することにより、その感度の向上を図ったものである。
【０００４】
上流側及び下流側サーモパイル１ｅ、１ｆは、図５のサーモパイルの拡大図に示すように熱電対を構成する２種類の導電性部材、例えばアルミニウム（以下、Ａｌとする）配線１０と、Ｐ型シリコン（以下、Ｐ++−Ｓｉとする）配線２０とが交互に直列接続して形成されている。そして、Ａｌ配線１０の一端とＰ++−Ｓｉ配線２０との接点である温接点Ｓｏが熱伝導率の低い薄肉状部１ａ−１に、Ａｌ配線１０の他端とＰ++−Ｓｉ配線２０との接点である冷接点Ｓｒが、薄肉状部１ａ−１以外の支持基台１ａである肉厚状部１ａ−２にそれぞれ配置されている。肉厚状部１ａ−２は、その熱伝導率がＡｌ配線１０及びＰ++−Ｓｉ配線２０より高くなるように肉厚に形成されている。
【０００５】
従って、上流側及び下流側サーモパイル１ｅ、１ｆは、図４に示すように、複数の温接点Ｓｏからなる温接点群Ｓｏｇが薄肉状部１ａ−１に、複数の冷接点Ｓｒからなる冷接点群Ｓｒｇが肉厚状部１ａ−２にそれぞれ設けられることとなる。このため、マイクロヒータ１ｃが加熱を開始し、その上下流側の流体が周囲温度よりも上昇すると、その熱は熱伝導率の低い薄肉状部１ａ−１には伝導されずほとんどが温接点群Ｓｏｇに伝導されるため、温接点群Ｓｏｇはマイクロヒータ１ｃの上下流側の流体の温度とほぼ等しくなる。一方、冷接点群Ｓｒｇは、冷接点群Ｓｒｇ上を通過する流体の温度が上昇しても、その熱はＡｌ配線１０及びＰ++−Ｓｉ配線２０より伝導率の高い肉厚状部１ａ−２に伝わり逃げるため、ほぼ周囲温度に保たれている。この結果、上流側及び下流側サーモパイル１ｅ、１ｆの温接点群Ｓｏｇ−冷接点群Ｓｒｇにはそれぞれ、マイクロヒータ１ｃの上下流側の流体の温度に応じた熱起電力が生じる。
【０００６】
上述した構成の流速センサの動作について図６のタイムチャート及び図７の温度分布図を参照にして以下説明する。マイクロヒータ１ｃは、マイクロヒータ駆動回路が出力する矩形パルスの立ち上がりと同時に駆動電流が流れ、所定時間加熱を行う（図６（ａ））。この結果、流路に流体が流れていないときは、マイクロヒータ１ｃ付近の気体に熱が伝わり、マイクロヒータ１ｃ付近の上流側、下流側の温度分布は対称分布になる。つまり、両サーモパイル１ｅ、１ｆの温接点群Ｓｏｇは、等しい温度ｔに上昇する（図７）。従って、上流側及び下流側サーモパイル１ｅ、１ｆは、等しいピーク電圧を有する熱起電力であるパルス電圧Ｖ１、Ｖ２を出力する（図６（ｂ）、（ｃ））。
【０００７】
今、マイクロヒータ１ｃが通電している間、矢印１ｂの方向に流体が流れると、上流側は流体により冷却され、その流速に応じてΔＴｄだけ降温する（図７）。一方、下流側は気体の流れを媒体としてマイクロヒータ１ｃから熱伝導が促進され、その流速に応じてΔＴｕだけ昇温する（図７）。この結果、上流側サーモパイル１ｅは流体により降温されたピーク電圧を有するパルス電圧Ｖ１を、下流側サーモパイル１ｆは流体により昇温されたピーク電圧を有するパルス電圧Ｖ２をそれぞれ出力する（図６（ｄ）、（ｅ））。流速が増加すると、それに伴って、上述した降温分ΔＴｄと昇温分ΔＴｕも増加するので、パルス電圧Ｖ１、Ｖ２のピーク電圧の差は流速に応じた出力となる。
【０００８】
また、マイクロヒータ１ｃを常時通電することにより連続的に駆動して、流速に応じた上下流側サーモパイル１ｅ、１ｆの電圧差を出力する流速センサも知られている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、以前より流速センサの感度を向上させたいという要望があった。このような要望に答えるため、上述したように従来の流速センサでは、より多数の熱電対を直列に接続して上流側及び下流側サーモパイル１ｅ、１ｆを構成することにより、サーモパイル１ｅ、１ｆの感度を向上させて、流速センサの感度向上を図っている。しかしながら、支持基台１ａのスペースの関係上、直列接続する熱電対の数にも限界があり、すなわちその感度の向上にも限界がある。そこで、より一層の感度向上を図るために、パルス電圧Ｖ１及びＶ２やピーク差（Ｖ１−Ｖ２）を増幅回路により増幅させることも考えられるが、回路規模も消費電力も大きくなるという問題が生じる。
【００１０】
そこで、本発明は、上記のような問題点に着目し、回路規模や消費電力を大きくすることなく、感度の向上を図った流速センサを提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためになされた請求項１記載の発明は、少なくとも一部が流速を検出すべき流体が流れる流路を形成する支持基台に、前記流体を加熱するヒータと、２種類の導電性部材から構成されると共に、該導電性部材の接続点である温接点及び冷接点を有する熱電対とを搭載し、前記熱電対が前記両接点間の熱起電力を利用してそれぞれ検出した流体の温度によって流速を検出する流速センサにおいて、前記支持基台の前記ヒータ及び前記熱電対が搭載される搭載面に凸起部を設け、前記温接点及び前記冷接点のうち、前記冷接点のみを該凸起部上に搭載することを特徴とする流速センサに存する。
【００１２】
請求項１記載の発明によれば、支持基台のヒータ及び熱電対が搭載される搭載面に凸起部を設け、温接点及び冷接点のうち、冷接点のみを凸起部上に搭載する。従って、ヒータが流速を検出すべき流体を加熱すると、ヒータが設けられている支持基台を介してヒータからの熱が冷接点に伝わるが、上記凸起部により支持基台を介してのヒータから冷接点への熱伝導は阻止されるため、ヒータから支持基台を介して伝導される熱を冷接点が吸収して、冷接点の温度が上昇することがない。このため、温接点−冷接点間の温度差が増大するので、その温度差に応じた熱電対の熱起電力を増幅することができる。すなわち、増幅回路により熱電対の熱起電力である出力電圧を増幅することなく、熱電対の出力電圧を増幅することができる。
【００１３】
請求項２記載の発明は、前記凸起部は前記支持基台と同一部材で形成されていることを特徴とする請求項１記載の流速センサに存する。
【００１４】
請求項２記載の発明によれば、凸起部は支持基台と同一部材で形成されている。従って、支持基台を凸起させるだけで別の材料を用いる必要がない。
【００１５】
請求項３記載の発明は、前記熱電対の温接点及び冷接点のうち、前記冷接点のみの流路側を覆う部材を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の流速センサに存する。
【００１６】
請求項３記載の発明によれば、熱電対の温接点及び冷接点のうち、冷接点のみの流路側を覆う部材を設けた。従って、ヒータが流速を検出すべき流体を加熱すると、流体を介してヒータからの熱が冷接点に伝わるが、上記冷接点のみの流路側を覆う部材により流体を介してのヒータから冷接点への熱伝導が阻止されるため、ヒータから流体を介して伝導される熱を冷接点が吸収して、冷接点の温度が上昇することがない。このため、温接点−冷接点間の温度差が増大するので、その温度差に応じた熱電対の熱起電力をより一層増幅することができる。
【００１７】
請求項４記載の発明は、少なくとも一部が流速を検出すべき流体が流れる流路を形成する支持基台に、前記流体を加熱するヒータと、２種類の導電性部材から構成されると共に、該導電性部材の接続点である温接点及び冷接点を有する熱電対とを搭載し、前記熱電対が前記両接点間の熱起電力を利用してそれぞれ検出した流体の温度によって流速を検出する流速センサにおいて、前記熱電対の温接点及び冷接点のうち、前記冷接点のみの流路側を覆う部材を設けたことを特徴とする流速センサに存する。
【００１８】
請求項４記載の発明によれば、熱電対の温接点及び冷接点のうち、冷接点のみの流路側を覆う部材を設けた。従って、ヒータが流速を検出すべき流体を加熱すると、流体を介してヒータからの熱が冷接点に伝わるが、上記冷接点のみの流路側を覆う部材により流路を介してのヒータから冷接点への熱伝導が阻止されるため、ヒータから流体を介して伝導される熱を冷接点が吸収して、冷接点の温度が上昇することがない。このため、温接点−冷接点間の温度差が増大するために、その温度差に応じた熱電対の熱起電力を増幅することができる。すなわち、増幅回路により熱電対の熱起電力である出力電圧を増幅することなく、熱電対の出力電圧を増幅することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
第１実施例
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の流速センサの一実施の形態を示す断面図である。従来で説明したように、下流側サーモパイル１ｆは複数の熱電対を直列に接続して構成されているものであるが、断面図を簡単にするために、図１は、下流側サーモパイル１ｆが単一の熱電対により構成されたときの断面図を示す。同図において、図４で上述した従来と同等の部分には同一符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００２０】
図中、支持基台１ａは、シリコン基板（以下、Ｓｉ基板）３０と、該Ｓｉ基板３０の両面に形成された４窒化３ケイ素／２酸化ケイ素層（以下、Ｓｉ3Ｎ4／ＳｉＯ2層）４１及び４２とからなる。そして、この支持基台１ａに、流速を検出すべき流体を加熱するマイクロヒータ１ｃと、該マイクロヒータ１ｃを挟んで流体の上流側及び下流側にそれぞれ配置された上流側サーモパイル１ｅ及び下流側サーモパイル１ｆとが設けられている。上流側及び下流側サーモパイル１ｅ、１ｆは、上述した従来と同様に、２種類の導電性部材、すなわちアルミニウム配線（以下、Ａｌ配線）１０と、Ｐ型シリコン配線（以下、Ｐ++−Ｓｉ）配線２０とから構成されている。これらの導電性部材は、温接点Ｓｏ及び冷接点Ｓｒ部分のみが接続され、それ以外の部分は互いにＳｉ3Ｎ4／ＳｉＯ2層４１により絶縁されている。
【００２１】
また、マイクロヒータ１ｃと両サーモパイル１ｅ、１ｆの温接点Ｓｏとが設けられている中央部分の支持基台１ａは、異方性エッチングにより、Ｓｉ3Ｎ4／ＳｉＯ2層４２とＳｉ基板３０とが除去され、薄肉状に形成されている。この薄肉状に形成された部分が薄肉状部１ａ−１であり、該薄肉状部１ａ−１以外の支持基台１ａが肉厚状部１ａ−２である。
【００２２】
さらに、支持基台１ａ上面が流路となっており、矢印１ｂ方向に流速を検出すべき流体が流れるようになっている。そして、この流路と両サーモパイル１ｅ、１ｆの冷接点Ｓｒとの間には、第２の熱絶縁部材１ｇ−２（＝冷接点のみの流路側を覆う部材）が設けられており、この第２の熱絶縁部材１ｇ−２により流路と両サーモパイル１ｅ、１ｆとの冷接点Ｓｒとは熱的に絶縁されている。このように流路と冷接点Ｓｒとの間に第２の熱絶縁部材１ｇ−２を設けると、図２に示すように流路と冷接点群Ｓｒｇとの間に、第２の熱絶縁部材１ｇ−２が設けられることとなる。
【００２３】
上述したような構成の流速センサの熱の移動について以下説明する。まず、マイクロヒータ１ｃが駆動して加熱が行われると、マイクロヒータ１ｃ付近の上下流側の流体の温度分布は図７で上述したように、周囲温度より高くなる。従って、マイクロヒータ１ｃを挟んで流体の上下流側に配置された上流側及び下流側サーモパイル１ｅ、１ｆの温接点群Ｓｏｇは、マイクロヒータ１ｃにより加熱された流体からの熱を吸収して、温接点群Ｓｏｇ上面を通過する流体の温度に応じた温度に上昇する。
【００２４】
一方、上流側及び下流側サーモパイル１ｅ、１ｆの冷接点群Ｓｒｇも、マイクロヒータ１ｃを挟んだ流体の上下流側にそれぞれ配置されているが、冷接点群Ｓｒｇ上面を通過する流体からの熱は、冷接点群Ｓｒｇが設けられている熱伝導率の高い肉厚状部１ａ−２を介して逃げるため、冷接点群Ｓｒｇは周囲温度に保たれる。しかも、流路と冷接点群Ｓｒｇとは、第２の熱絶縁部材１ｇ−２により熱的に絶縁されているため、流体を介してのマイクロヒータ１ｃから冷接点群Ｓｒｇへの熱伝導が阻止されている。従って、冷接点群Ｓｒｇが、マイクロヒータ１ｃにより加熱された流体の影響を受けることはなく、温度が上昇することがない。すなわち第２の熱絶縁部材１ｇ−２により、冷接点群Ｓｒｇはより一層周囲温度に保たれるようになる。
【００２５】
このため、温接点群Ｓｏｇ−冷接点群Ｓｒｇ間の温度差が増大し、その温度差に応じた上流側及び下流側サーモパイル１ｅ、１ｆの熱起電力を増幅することができる。すなわち、増幅回路により上流側又は下流側サーモパイル１ｅ、１ｆの熱起電力である出力電圧を増幅することなく、上流側及び下流側サーモパイル１ｅ、１ｆの出力電圧を増幅することができるので、回路規模や消費電力を大きくすることなく、感度の向上を図ることができる。
【００２６】
第２実施例
ところで、上述した第１実施例では、第２の熱絶縁部材１ｇ−２により、冷接点群Ｓｒｇ上面を通過する流体を介して伝わってくるマイクロヒータ１ｃからの熱を絶縁して、冷接点群Ｓｒｇの温度上昇を防止していたが、この流体を介して伝わってくる熱の他に、図１に示すマイクロヒータ１ｃが設けられているＳｉ3Ｎ4／ＳｉＯ2層４１から伝わってくる熱によって冷接点群Ｓｒｇの温度が上昇することも考えられる。
【００２７】
そこで、図１では、マイクロヒータ１ｃが設けられているＳｉ3Ｎ4／ＳｉＯ2層と、Ａｌ配線１０及びＰ++−Ｓｉ配線２０を電気的に絶縁するＳｉ3Ｎ4／ＳｉＯ2層４１とを一体にして形成していたが、第２実施例では図３の流速センサの断面図に示すように、マイクロヒータ１ｃが設けられるＳｉ3Ｎ4／ＳｉＯ2層４１と、Ａｌ配線１０及びＰ++−Ｓｉ配線２０を電気的に絶縁するＳｉＯ2層４３とを別々に形成して、さらに、マイクロヒータ１ｃが設けられている支持基台１ａを構成するＳｉ3Ｎ4／ＳｉＯ2層４１と、冷接点群Ｓｒｇとの間に第１の熱絶縁部材１ｇ−１（＝凸起部）を設けてある。この第１の熱絶縁部材１ｇ−１により、マイクロヒータ１ｃが設けられている支持基台１ａを構成するＳｉ3Ｎ4／ＳｉＯ2層４１と、冷接点群Ｓｒｇとが熱的に絶縁される。
【００２８】
上述した構成の第２実施例における流速センサの熱の移動について以下説明する。まず、マイクロヒータ１ｃが駆動して加熱が行われると、マイクロヒータ１ｃが設けられているＳｉ3Ｎ4／ＳｉＯ2層４１を介してマイクロヒータ１ｃからの熱が矢印５０の方向に伝導する。上記構成で説明したように、Ｓｉ3Ｎ4／ＳｉＯ2層４１と冷接点群Ｓｒｇとは第１の熱絶縁部材１ｇ−１により熱的に絶縁され、Ｓｉ3Ｎ4／ＳｉＯ2層４１を介してのマイクロヒータ１ｃから冷接点群Ｓｒｇへの熱伝導が阻止されているため、Ｓｉ3Ｎ4／ＳｉＯ2層４１を介して伝導されたマイクロヒータ１ｃからの熱は冷接点群Ｓｒｇに伝導されず、Ｓｉ3Ｎ4／ＳｉＯ2層４１から伝導される熱により冷接点群Ｓｒｇの温度が周囲温度より上昇することはない。従って、より一層温接点群Ｓｏｇ−冷接点群Ｓｒｇの温度差が増大するので、流速センサの感度を向上することができる。
【００２９】
なお、第１の熱絶縁部材１ｇ−１は、Ｓｉ3Ｎ4／ＳｉＯ2層４１より熱伝導率の低い別材料により形成してもよいが、例えば、支持基台１ａを構成するＳｉ3Ｎ4／ＳｉＯ2層４１を凸起させることにより、Ｓｉ3Ｎ4／ＳｉＯ2層４１と同一材料で形成してもよい。この場合は、マイクロヒータ１ｃから冷接点郡Ｓｒｇへの熱の伝導経路がＳｉ3Ｎ4／ＳｉＯ2層４１の凸起部を介す分長くなり、マイクロヒータ１ｃから支持基台１ａを介して冷接点郡Ｓｒｇに伝わる熱を、阻止することができる。
【００３０】
このため、マイクロヒータ１ｃから冷接点郡Ｓｒｇへの熱を伝わりにくくすることができる。すなわち、支持基台１ａを構成するＳｉ3Ｎ4／ＳｉＯ2層４１を凸起させるだけでも、支持基台１ａと冷接点群Ｓｒｇとを熱的に絶縁することができるので、支持基台を凸起させるだけで別途の材料用いることなく第１の熱絶縁部材１ｇ−１を形成することができ、構成が簡単となりコストダウンを図ることができる。
【００３１】
なお、上述した第１〜第２実施例では、上流側及び下流側サーモパイル１ｅ、１ｆ両方の冷接点群Ｓｒｇに対して第２の熱絶縁部材１ｇ−２又は第１の熱絶縁部材１ｇ−１とを設けていたが、例えば、そんなに感度を向上させる必要がなければ、上流側及び下流側サーモパイル１ｅ、１ｆの何れか一方の冷接点群Ｓｒｇに対して設けるようにしてもよい。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１及び４記載の発明によれば、増幅回路により熱電対の熱起電力である出力電圧を増幅することなく、熱電対の出力電圧を増幅することができるので、回路規模や消費電力を大きくすることなく、感度の向上を図った流速センサを得ることができる。
【００３３】
請求項２記載の発明によれば、支持基台を凸起させるだけで別の材料を用いる必要がないので、構成が簡単となりコストダウンを図ることができる流速センサを得ることができる。
【００３４】
請求項３記載の発明によれば、温接点−冷接点間の温度差が増大するので、その温度差に応じた熱電対の熱起電力をより一層増幅することができるので、感度のより一層の向上を図った流速センサを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の流速センサの一実施の形態を示す断面図である。
【図２】図１の流速センサの平面図である。
【図３】本発明の流速センサの一実施の形態を示す断面図である。
【図４】従来の流速センサの一例を示す図である。
【図５】図４の流速センサを構成するサーモパイルの拡大天面図である。
【図６】図４の流速センサの動作を説明するためのタイムチャートである。
【図７】図４のマイクロヒータの上下流側の温度分布を示すグラフである。
【符号の説明】
１ａ      支持基台
１ｃ      マイクロヒータ（ヒータ）
１ｅ      上流側サーモパイル（熱電対）
１ｆ      下流側サーモパイル（熱電対）
１０      Ａｌ配線（導電性部材）
２０      Ｐ++−Ｓｉ配線（導電性部材）
Ｓｏ      温接点
Ｓｒ      冷接点
１ｇ−２  第２の熱絶縁部材（第２の熱伝導阻止手段）
１ｇ−１  第１の熱絶縁部材（第１の熱伝導阻止手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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