(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒータ線の両側に近接して温度センサ線を設け、流体の流量または流速に応じて変化する前記ヒータ線からの熱の温度分布の変化を前記温度センサ線により検出するフローセンサにおいて、
前記ヒータ線は、当該ヒータ線から発生する熱による等温曲線が同心円形状になるような形状を有し、
前記温度センサ線は、前記ヒータ線の第１の方向の両側に設けられる第１の一対の温度センサ線と、前記ヒータ線の第１の方向と異なる第２の方向の両側に設けられる第２の一対の温度センサ線とを有し、前記第１及び第２の一対の温度センサ線はそれぞれ、前記同心円形状に沿った円形状であって前記ヒータ線の両側に対向して位置する一対の半円周形状を有することを特徴とするフローセンサ。
【請求項２】
請求項１において、前記第１及び第２の方向は、互いに９０度異なる方向であることを特徴とするフローセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体の流量や流速を測定するフローセンサに関し、特に流体の移動方向の依存性をなくした新規な構造のフローセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
気体や液体などの流体の流量や流速を測定するために、ヒータ線を利用した熱式フローセンサが広く利用されている。かかるフローセンサとして、半導体基板上に形成したダイヤフラムの表面に、ヒータ線とその両側の温度センサ線とを設けたマイクロフローセンサが提案されている。
【０００３】
かかるマイクロフローセンサは、トーマスガスメータの原理に基づくものであり、その原理は、ヒータ線から発生する熱による温度分布が、流量や流速に応じて変化し、その変化した温度分布を両側の温度センサ線により検出することにある。
【０００４】
図１は、従来のマイクロフローセンサの一部を示す図である。図１（１）が平面図を、図１（２）がその断面図を示す。半導体基板１０のの表面に形成されたダイヤフラム１２上に、Ｗ字形状のヒータ線１４と、その両側に逆Ｕ字形状の温度センサ線１６，１８が設けられる。ダイヤフラム１２を形成するために、半導体基板１０の裏面側から矩形の貫通孔１１を設けることが一般に行われる。従って、ダイヤフラム１２の形状は矩形であり、それに伴い、ヒータ線１４，温度センサ線１６，１８も矩形の形状をなす。尚、貫通孔１１が設けられた半導体基板１０は、強度を補強する為に、支持基板１３に搭載される。支持基板１３には、貫通孔１１内の膨張防止の為の孔１５が形成されている。
【０００５】
流体の流量や流速を検出する為に、ヒータ線１４に電流を流すことで熱を発生させる。流速がゼロの状態では、その熱による温度分布は、ヒータ線１４の両側（紙面では左右）で対称に広がる。図中矢印２０の如き方向に流体が移動したとすると、それにより、温度分布の等温線は矢印２０の方向に広がる。即ち、等温線の形状は、ヒータ線１４の中心から楕円形上に延びる曲線である。流速が小さければ、この等温線の矢印２０方向への広がりは小さく、流速が大きければ、等温線の矢印２０方向への広がりは大きくなる。
【０００６】
温度センサ線１６，１８は例えば抵抗線で構成され、温度に応じて抵抗値が変化することを利用して、両温度センサ線１６，１８の抵抗値の違いを電圧値の違いで検出し、流速や流量の検出を行う。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来のフローセンサは、直線状に延びるヒータ線１４とその両側に並列に設けられた温度センサ線１６，１８とで構成されるので、その検出感度及び検出値に流体の移動方向に対する指向性を有する。即ち、流体の移動方向に依存して、検出感度が変化し、また検出値が変化する。
【０００８】
図２は、図１の拡大平面図である。図２（１）は、流体の移動方向がヒータ線１４に垂直の場合を示し、図２（２）は、流体の移動方向がヒータ線１４に斜めの場合を示す。図中破線で、ヒータ線１４が発生する熱の温度分布の等温線３０が示される。流体の移動方向２０がヒータ線１４に垂直の場合と、斜めの場合とでは、図示される通り等温線３０の形状が異なる。
【０００９】
図２（１）の流体の移動方向がヒータ線１４に垂直な場合は、等温線３０は、矢印２０の方向に拡がる。この例では、温度センサ線１８は等温線３０の外側に位置し、温度センサ線１６の殆どの部分は等温線３０の内側に位置する。従って、温度センサ線１８は温度が低い状態にあり、温度センサ線１６は温度が高い状態にある。従って、温度センサ線１８と１６との抵抗値の差は十分大きい。
【００１０】
それに対して、図２（２）の流体の移動方向がヒータ線１４に斜めの場合は、等温線３０は、ヒータ線１４から斜め方向に拡がる。その結果、温度センサ線１６の一部分が等温線３０の内側に位置するだけであり、残りの一部は、反対側の温度センサ線１８と同等の温度状態になる。従って、温度センサ線１８と１６との抵抗値の差は、図２（１）よりも少ない。即ち、同じ流量または流速であっても、流体の移動方向に依存して、検出される値に差が生じるのである。
【００１１】
更に、流量や流速の変化に対する両温度センサ線１６，１８の抵抗値の差の変化も、ヒータ線１４に垂直方向のほうが斜め方向の場合よりも大きくなる。図２から明らかな通り、流量や流速の変化に対して等温線３０が流速方向２０に移動するので、図２（１）の場合は、その等温線３０の移動に対して温度センサ線１６の大部分で影響を受けるのに対して、図２（２）の場合は、その等温線３０の移動の影響は温度センサ線１６の一部分である。
【００１２】
図３は、図２の二つの場合の流速と検出される電圧差との関係を示すグラフ図である。実線が図２（１）のヒータ線に垂直方向に流体が移動する場合の特性曲線であり、破線が図２（２）のヒータ線に斜め方向に流体が移動する場合の特性曲線である。この特性曲線は、流速が低い領域では、両温度センサ線の抵抗変化による両温度センサ線の電圧の差は、流速の増加に応じて増加する。しかし、流速が大きくなると、両温度センサ線での温度は殆ど同じとなるので、検出される電圧差は、低下する。
【００１３】
上記した通り、垂直方向（実線）と斜め方向（破線）とでは、同じ流速に対して検出される電圧差ΔＶが異なる。また、単位流速変化ｄｖに対する検出電圧差ΔＶの変化量ｄΔＶも、垂直方向と斜め方向とで異なる。従って、流体の移動方向が常に一定でない環境のもとでは、従来のフローセンサでは検出値に誤差が発生し、また、感度も変化する。また、流体の移動方向が常に一定であっても、フローセンサの取り付け状態によって、その検出値に誤差が発生し、斜めに取り付けられると検出感度が低下する。
【００１４】
そこで、本発明の目的は、流体の移動方向に依存せずに常に検出値が一定であり、また検出感度も高いフローセンサを提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成する為に、本発明は、ヒータ線の形状を円形にしてヒータ線が発生する熱による温度分布の等温曲線を同心円形状にする。また、ヒータ線の円形形状に伴い、その両側に設けられる温度センサ線の形状も、円形にする。即ち、温度センサ線を同心円形状にする。
【００１６】
かかる構成にすることで、流体の移動方向が如何なる方向であっても、それに伴い発生する等温曲線の拡がり形状は、常にヒータ線と温度センサ線に対して均一になり、検出値及び検出感度に流体の移動方向の依存性はなくなる。
【００１７】
上記の目的を達成する為に、本発明は、ヒータ線の両側に近接して温度センサ線を設け、流体の流量または流速に応じて変化する前記ヒータ線からの熱の温度分布の変化を前記温度センサ線により検出するフローセンサにおいて、
前記ヒータ線は、当該ヒータ線から発生する熱による等温曲線が同心円形状になるような形状を有し、前記温度センサ線は、前記同心円形状に沿った形状を有することを特徴とする。
【００１８】
上記のフローセンサによれば、流体の移動方向に依存せず、正確で高感度の流速または流量を検出することができる。
【００１９】
更に、上記の温度センサ対を、ヒータ線の第１の方向の両側とそれと異なる第２の方向の両側に設けることで、更に無指向性を高めることができる。
【００２０】
更に、上記の温度センサ対を、ヒータ線の周りに所定角度間隔で設けることで、無指向性で流速または流量を検出することができ且つその方向も検出することができる。
【００２１】
更に、ヒータ線と温度センサ線とを円形のダイヤフラム上に形成し、ヒータ線及び温度センサ線の形状も円形にすることで、ダイヤフラムに印加されるストレスを均一化して、振動に強いダイヤフラム構造にすることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。しかしながら、本発明の技術的範囲はその実施の形態に限定されるものではない。
【００２３】
図４は、本発明の実施の形態例のフローセンサの構造を示す図である。図４（１）はその平面図、図４（２）はその断面図である。本実施の形態例でも、半導体基板１０の裏面側から貫通孔２１を形成し、窒化シリコン膜とシリコン酸化膜などからなるダイヤフラム２２が貫通孔２１を覆うように形成される。但し、貫通孔２１の形状は平面図で円形をなす。具体的には、基板１０の裏面側から円形のマスク膜を利用した等方性エッチング法により形成することができる。
【００２４】
ダイヤフラム２２上に、両端が接続電極２４Ａ，２４Ｂに接続された渦巻き状のヒータ線２４が形成される。更に、そのヒータ線２４の上下に、同様に同心円形状の温度センサ線２６と２８とが形成される。これらの温度センサ線２６，２８は、その両端でそれぞれ接続電極２６Ａ，２６Ｂ及び２８Ａ、２８Ｂに接続される。図４の例では、温度センサ線２６，２８は、その感度を上げる為にヒータ線２４を中心とする５重の同心円形状になっている。そして、温度センサ線２６は、ヒータ線２４の下側に、温度センサ線２８はヒータ線２４の上側に点対称に配置される。
【００２５】
ダイヤフラム２２は、主に温度センサ線２６，２８やヒータ線２４を熱容量の大きい基板１０から熱絶縁する為に設けられる。そして、本実施の形態例では、温度センサ線２６，２８がヒータ線２４の中心に対して同心円形状をなすので、ダイヤフラム２２の形状も同様に円形になる。その結果、ダイヤフラム２２上で基板１０から各温度センサ線２６，２８までの距離が等しくなり、基板１０からの熱伝導による影響が等しくなる。
【００２６】
かかる構造にすることで、図中方向４０，４２，４４のいずれの方向から流体が移動してきても、それぞれの方向に対して形成される等温線の拡がり形状が、いずれも中心に対して同じ形状となる。従って、検出される流量や流速値は流体の移動方向に依存せず常に同じ値となる。更に、検出感度も方向に依存せず常に最大値となる。
【００２７】
尚、図中、１３は半導体基板１０を支持する支持基板であり、半導体基板１０の貫通孔２１に対応する位置に貫通孔２１内の膨張防止の為の孔１５が設けられる。但し、ダイヤフラム２２に同様の孔を形成しても、貫通孔２１の膨張防止を行うことができる。従って、ダイヤフラム２２は貫通孔２１を完全に覆う必要はない。
【００２８】
図５は、図４のフローセンサのダイヤフラム上のヒータ線及び温度センサ線の構造の拡大図である。図５によれば、ヒータ線２４の渦巻き形状、温度センサ線２６，２８の同心円形状がより明確に示される。そして、図５には、方向４０の場合の等温線（破線）３０Ａと、方向４４の場合の等温線（一点鎖線）３０Ｂが示される。いずれの場合も、等温線３０の拡がりに対する温度センサ線２６の位置関係は、全く同じである。従って、同じ流速であれば、方向性に依存せずに検出される値が同じであり、検出感度も同じ高い状態に維持される。
【００２９】
但し、図５から明らかな通り、方向４０に垂直方向の流体の移動に対しては、その流量や流速を検出することはできない。これを解決することができるフローセンサの例は後述する。
【００３０】
図４及び図５に示されたフローセンサは、ヒータ線や温度センサ線が円形をなすので、ダイヤフラム２２の形状も円形にされる。その為に貫通孔２１は円形状に加工される。その結果、ダイヤフラム２２と半導体基板１０との間のストレス、ダイヤフラム２２とその上のヒータ線２４や温度センサ線２６，２８との間のストレスは、均等となり、ダイヤフラムの対振動強度を高くすることができる。従って、流体の移動によりダイヤフラム２２が振動してもその強度が高いので、フローセンサが破損することは避けられる。
【００３１】
図６は、図４及び図５に示した実施の形態例を更に高感度、高精度にしたフローセンサの平面図である。また、図７はそのヒータ線と温度センサ線の拡大平面図である。この例では、ヒータ線２４の両側に点対称に設けられる温度センサ線を、２本づつ合計４本とする。そして、図８の検出回路に示される通り、それらの温度センサ線の抵抗Ｒ１１〜Ｒ１４を、ホイートストーンブリッジ構成に接続し、それぞれの接続点Ｖ１，Ｖ２の電圧差ΔＶを増幅器３８で増幅して流速または流量を検出する。
【００３２】
図６と図７に示される通り、点対称形状に形成されたヒータ線２４の下側に温度センサ線２６（Ｒ１１）と３６（Ｒ１２）が並列に１往復半、ヒータ線に対して点対称に形成される。同様に、ヒータ線２４の上側に温度センサ線２８（Ｒ１３）と３８（Ｒ１４）が並列に１往復半、ヒータ線に対して点対称に形成される。それぞれの温度センサ線は、周囲に形成された電極２６Ａ，２６Ｂ間、３６Ａ，３６Ｂ間、３８Ａ，３８Ｂ間、２８Ａ，２８Ｂ間にそれぞれ設けられる。
【００３３】
そして、ヒータ線２４に近い側に設けられた一対の温度センサ線２６（Ｒ１１）と３８（Ｒ１４）とが、図８に示される検出回路の通り直列に接続され、一定電圧Ｖ０が印加される。同様に、ヒータ線２４に遠い側に設けられた一対の温度センサ線３６（Ｒ１２）と２８（Ｒ１３）とが、図８に示される通り直列に接続され、一定電圧Ｖ０が印加される。そして、その接続点の電圧Ｖ１，Ｖ２の差電圧が検出される。
【００３４】
かかる構成にすることで、検出回路であるホイートストーンブリッジ回路の各抵抗は、流速ゼロの状態では全く同じ温度下におかれるので、全ての抵抗値が等しくなる。従って、この検出回路により流体の移動に伴う温度分布の変化による各温度センサ線の抵抗値の変化を最も感度高く検出することができる。即ち、図面の上方向から下方向に流体が流れる場合、それにより、図面下側の下流側に位置する温度センサ線２６（Ｒ１１），３６（Ｒ１２）の温度が上昇し抵抗値が上昇する。また、図面上側の上流に位置する温度センサ線２８（Ｒ１３），３８（Ｒ１４）の抵抗値は低下する。その結果、直列回路の電圧Ｖ１は、抵抗Ｒ１１の上昇と抵抗Ｒ１４の低下によりより一層低くなる。一方、直列回路の電圧Ｖ２は、抵抗Ｒ１２の上昇と抵抗Ｒ１３の低下によりより一層高くなる。従って、それぞれの抵抗値の変化による増幅作用が働き、電圧差ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１はより大きく増幅される。
【００３５】
上記の通り、ヒータ線２４の両側にそれぞれ一対の温度センサ線を設けることで、無指向性のフローセンサの感度は向上する。
【００３６】
図９は、更に無指向性を向上させたフローセンサの拡大平面図である。この例では、温度センサ線は、ヒータ線２４の第１の方向の両側に設けられる第１の一対の温度センサ線２６，２８と、ヒータ線２４の第１の方向と異なる第２の方向の両側に設けられる第２の一対の温度センサ線４６，４８とを少なくとも有する。
【００３７】
即ち、図４及び図５に示した実施の形態例では、ヒータ線の両側に温度センサ線２６，２８を設けたので、その温度センサ２６，２８を横切る方向４０〜４２に流体が移動する場合は、その方向に依存することなく流速を検出することができるが、方向４０と垂直の方向に流体が移動する場合は、検出することができない。また、方向４０と垂直の方向に近い方向に流体が移動する場合は、検出感度が低下する。
【００３８】
そこで、図９の実施の形態例では、ヒータ線２４の両側に設けた一対の温度センサ線２６，２８に加えて、それらと９０°異なる方向の両側に一対の温度センサ線４６，４８を設ける。その結果、方向４０と垂直の方向４６に流体が移動する場合でも、新たに加えた１対の温度センサ線４６，４８により正確に流速を検出することができる。
【００３９】
図９の実施の形態例では、温度センサ線２６，２８を利用することで、方向４０から両側に４５°ずれた方向の流速を、その範囲では方向に依存することなく、高精度に検出することができる。一方、温度センサ線３６，３８を利用することで、方向４６から両側に４５°ずれた方向の流速を、その範囲では方向に依存することなく、高精度に検出することができる。従って、図９によれば、３６０°の方向に対して流速を高精度に検出することができる。更に、９０°毎ではあるが、流速の方向も検出することができる。
【００４０】
この例では、温度センサ線４６，４８は、両側の電極４６Ａ，４６Ｂと４８Ａ，４８Ｂとに接続される。また、温度センサ線２６，２８は、両側の電極２６Ａ，２６Ｂと２８Ａ，２８Ｂとに接続される。従って、それぞれの電極を導出する部分で、２層配線構造が利用される。
【００４１】
図１０は、流体の移動方向も検出することができる無指向性のフローセンサの平面図である。この例は、３０°毎の流体の移動方向を検出することができるように、温度センサ線対２６１と２８１、２６２と２８２、２６３と２８３、２６４と２８４、２６５と２８５、及び２６６と２８６が、それぞれヒータ線２４の両側に３０°づつシフトして配置される。
【００４２】
従って、温度センサ線対２６１から２８１方向、或いはその逆方向に流れる流体の流速を、この温度センサ線対２６１，２８１により検出することができる。同様に、３０°づつシフトした方向の流体の流速を対応する温度センサ線対により検出することができる。温度センサ線の長さが短くならない様に、それぞれの温度センサ線が図５の如き多重化された配線構造をとることが好ましい。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明によれば、ヒータ線の形状をそれから発生する等温線が同心円形状になる様に構成し、その両側の温度センサ線をその同心円形状に沿って並列になるような形状にすることで、流体の移動方向に依存しないでその流速を検出することができる。
【００４４】
更に、ヒータ線の両側にそれぞれ１対の温度センサ線を同心円形状に形成することで、検出回路のホイートストーンブリッジ回路の４つの抵抗値を流速ゼロで常に等しくすることができ、より高精度のフローセンサを実現することができる。
【００４５】
更に、温度センサ線対を異なる方向に複数対設けることで、より無指向性を高めたフローセンサを実現できる。また、複数対の温度センサ線対を所定の角度毎に配置することで、流体の移動方向も併せて検出することができる。
【００４６】
更に、ヒータ線と温度センサ線とを円形のダイヤフラム上に形成し、ヒータ線及び温度センサ線の形状も円形にすることで、ダイヤフラムに印加されるストレスを均一化して、振動に強いダイヤフラム構造にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のマイクロフローセンサの一部を示す図である。
【図２】図１の拡大平面図である。
【図３】図２の二つの場合の流速と検出される電圧差との関係を示すグラフ図である。
【図４】本発明の実施の形態例のフローセンサの構造を示す図である。
【図５】図４のフローセンサのダイヤフラム上のヒータ線及び温度センサ線の構造の拡大図である。
【図６】図４及び図５に示した実施の形態例を更に高感度、高精度にしたフローセンサの平面図である。
【図７】図６のヒータ線と温度センサ線の拡大平面図である。
【図８】図６，７の検出回路である。
【図９】無指向性を向上させたフローセンサの拡大平面図である。
【図１０】流体の移動方向も検出することができる無指向性のフローセンサの平面図である。
【符号の説明】
２４          ヒータ線
２６，２８    温度センサ線
３６，３８    温度センサ線
２２          ダイヤフラム
２１          貫通孔
【図１】
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【図２】
0003705681.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0003705681.tif 000007
【図７】
0003705681.tif 000008
【図８】
0003705681.tif 000009
【図９】
0003705681.tif 000010
【図１０】
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