(57)【要約】【課題】被測定流体の流れの計測で、ヒータ２５がある薄膜１０に、高感度で高精度となる小型で単純構造の２つの温度センサを配した熱型フローセンサチップとこれを搭載する小型で安価な熱型フローセンサの提供と、被測定流体の流れ方向と種類も特定できるようにする。【解決手段】基板１から空洞４０により熱分離される半導体薄膜を架橋構造にし、薄膜１０の中央部にヒータを配し、ヒータを挟んで流れの方向の両側に、熱抵抗部４５を介して、対称な位置に薄膜領域Ａと薄膜領域Ｂと、これらにそれぞれ第１の熱電対２０Ａと第２の熱電対２０Ｂと、それぞれの温接点８１Ａと温接点８１Ｂを形成し、ヒータで加熱される構造とし、直列接続をして温度差信号を外部に二端子として取り出す。出力電圧の正負から流れ方向を特定。温度可変手段２５０を備えてヒータの温度を変化させ、各種熱伝導率の流体に関する予め用意してあるデータと比較して流体の種類を特定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板（１）から空洞（４０）により熱分離されている半導体薄膜を主材料とした薄膜（１０）は、架橋構造であること、該薄膜（１０）の被測定流体の流れの方向の中央部にはヒータ（２５）があること、該ヒータ（２５）を挟んで前記被測定流体の流れの方向の両側に、前記ヒータ（２５）から熱抵抗部（４５）を介して、同一の薄膜（１０）の中で対称な位置に薄膜領域Ａと薄膜領域Ｂが形成されていること、これらの薄膜領域Ａと薄膜領域Ｂに、前記薄膜（１０）を共通の熱電材料とした第１の熱電対（２０Ａ）と第２の熱電対（２０Ｂ）のそれぞれの温接点（８１Ａ）と温接点（８１Ｂ）がそれぞれ配置され、前記ヒータ（２５）から熱を受け取り加熱される構造であること、前記第１の熱電対（２０Ａ）と第２の熱電対（２０Ｂ）とを、これらの温度差が検出できるように直列接続して、外部に二端子として取り出すようにしたこと、を特徴とする熱型フローセンサチップ。
【請求項２】
基板（１）に絶対温度センサを形成した請求項１記載の熱型フローセンサチップ。
【請求項３】
前記請求項１もしくは２記載の熱型フローセンサチップを搭載し、前記ヒータ（２５）の加熱に基づき、前記被測定流体の流れにより生じる前記第１の熱電対（２０Ａ）と第２の熱電対（２０Ｂ）との温度差を計測し、予め用意してある校正データを利用して、前記被測定流体の流れを計測するようにしたこと、を特徴とする熱型フローセンサ。
【請求項４】
前記請求項１に記載の二端子からの出力電圧において、前記被測定流体の流れが無い状態での出力電圧をゼロとして、正と負の出力電圧の符号から前記被測定流体の流れの向きを判定し、それらの出力電圧の大きさから流れの速度を計測できるようにした請求３記載の熱型フローセンサ。
【請求項５】
前記請求項１に記載の二端子からの出力電圧を演算増幅器の非反転入力端子に接続し、前記演算増幅器の反転入力端子に可変抵抗を接続し、該可変抵抗を所定の抵抗値に切り替えることで、前記被測定流体の流れの速度の計測範囲の拡大ができるように構成した請求項３もしくは４のいずれかに記載の熱型フローセンサ。
【請求項６】
前記ヒータ（２５）の加熱温度を変化させる温度可変手段（２５０）を備えてあること、前記被測定流体の流れを止めた状態で、前記ヒータ（２５）の加熱温度を種々の所定温度に前記温度可変手段（２５０）を用いて変化できるようにしたこと、前記第１の熱電対（２０Ａ）と第２の熱電対（２０Ｂ）の種々の前記所定温度における出力電圧と、前記所定温度に対応する複数の所定の流体のそれぞれの熱伝導率に関する予め用意してあるデータとを利用し、前記被測定流体の種類をも特定できるようにしたこと、を特徴とする請求項３から５のいずれかに記載の熱型フローセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体や液体である流体の流量、流速などの流れを計測する熱型のフローセンサに関するものである。基板から熱分離した薄膜の中央部にヒータを配し、このヒータを挟んで両側に流れの方向に薄膜熱電対の温度センサを備えてある熱型フローセンサチップと、これを搭載して流れの方向や流体の種類も判別できる小型で単純構造かつ高感度で安価な熱型フローセンサを提供する。
【背景技術】
【０００２】
従来、基板に形成した空洞を橋架する架橋構造で、この基板から熱分離した宙に浮いた薄膜の橋を３個溝に沿って対称に形成し、それぞれには白金薄膜が形成してあり、中央の薄膜橋をヒータとして利用し、両側の薄膜橋を温度センサとして利用する熱伝導型センサとしてのガスフローセンサがあった（特許文献１、２）。これは、流路に沿ったガスの流れがないときには、中央のヒータを中心に対称にある両側の薄膜橋の温度は等しいが、ガスの流れがあると、上流側の薄膜橋では、環境温度の冷たいガスが流れるので冷え、下流側では、中央のヒータ薄膜橋からの熱を受けて温度上昇する。このようにガスの流れにより、ヒータの両側の薄膜橋に温度差が生じるので、これを利用してガス流を計測する方法である。しかしながら、白金薄膜などの抵抗温度センサでは、絶対温度センサであるために抵抗そのものが、絶対温度に対応する。従って、温度差を計測するには絶対温度センサを２個用意し、これらの出力の差を求める必要があり、抵抗温度センサの微妙な形状の違いで特性がばらつくなどのことから、微細な温度差計測には、誤差が大きく不向きであった。
【０００３】
また、従来の熱型フローセンサでは、多くの場合、白金薄膜をヒータ兼絶対温度センサとして使用していた。従って、ヒータとしても細い薄膜の抵抗温度係数が正である白金膜を用いているので、温度が抵抗の高い個所に集中して断線しやすく、経時変化が大きく、更に絶対温度センサであるため周囲温度の影響がそのまま反映するので、周囲温度補正が困難であり、それを達成するために、多くのセンサとそれによる温度制御系を必要とし、高価なフローセンサにならざるを得なかった。
【０００４】
一般に、基板から熱分離のために宙に浮いた薄膜を使用すると、加熱された薄膜は、加熱を止めるとニュートンの冷却の法則により、周囲環境温度Tｒである基板の温度（加熱される前の周囲温度）と加熱された薄膜の温度Tとの温度差（T-Tｒ)に比例して放熱して冷却され、最終的には基板の温度に等しくなる。このように、加熱された物体の温度が周囲媒体へ熱伝導して、周囲媒体の熱伝達率に関係して温度上昇したり、温度降下したりする。温度センサの温度変化を計測して周囲媒体の物理的状態、例えば、流速、流量、真空度、気圧などを計測するために用いる熱伝導型センサでは、周囲温度Tｒと考えてよい基板の温度と加熱された薄膜の温度Tとの温度差が、その絶対温度よりも重要である。このように、温度差を計測するには、白金抵抗体やサーミスタなどの絶対温度センサよりも、温度差のみを出力する小型の温度差センサである熱電対やサーモパイルが、周囲温度の変化の影響をほとんど受けずに計測できるために、好適である。
【０００５】
本発明者は、先に、温度差センサである熱電対を用いたガスフローセンサと不純物濃度センサを発明した（特許文献３）。また、先に、やはり、熱電対を温度差のみを計測することができる温度センサとしてセンシングユニットとこれを搭載した熱型フローセンサを発明した（特許文献４）。これらの熱型フローセンサでは、ヒータを流体の流れ方向に対して、空洞が延びているが、その空洞の流れ方向に沿う基板の側面を支持部としてカンチレバ状に飛び出したＳＯＩ薄膜に温度センサやヒータを形成していた。そして、中央にはヒータのカンチレバ状薄膜、その両側には、近接して流れの上流側と下流側に同等に形成されたカンチレバ状の薄膜に熱電対を形成して配置してあるが、ヒータのカンチレバ状薄膜と温度センサを形成した薄膜とは、支持部を除いて連結していないので、カンチレバ状のヒータ（そこでは、熱電対をヒータとしても利用できるようにしている）からの熱は、被測定流体である気体などの周囲流体を通してのみ熱伝導されて、ヒータの両側で上流側と下流側に配置した温度センサをもつ薄膜が熱せられるようにしていた。このために、流体の流れにより上流側の温度センサのあるカンチレバ状薄膜は、冷却され、下流側の温度センサのあるカンチレバ状薄膜は、ヒータからの熱を受けて温度上昇することで、流体の温度のみにより高感度に流体の流れを計測することができた。しかしながら、周囲流体の温度が変わったときに、流体の熱伝達率が変わり、折角、温度センサとして温度差センサである熱電対を設けても、流体の熱伝達率の温度依存性のために、ヒータを同一の電力で加熱した場合や同一の基板からの温度差になるように制御しながら加熱した場合でも、その流体自体の温度変動により温度差出力が異なり、温度補正が複雑になるという問題があった。もちろん、流体の種類を変更するとその熱伝達率が異なるので、その流体の種類による影響も大きいという問題があった。
【０００６】
従来、流体の流れによるヒータの前後の温度差を計測するのに、その温度差のみを計測するために、同一の空洞に形成してある同一の薄膜にサーモパイルを、ヒータを上流側と下流側に対称に形成配置して、流体の熱伝達率の温度依存性を結果的に小さくしたフローセンサがあった（特許文献５）。しかし、これらの例では、温度差出力を増幅するためにサーモパイルを使用していたために、センサ部分の領域が大きくならざるを得なかったこと、多くの冷接点を形成するために、ダイアフラム構造にして、基板との接合面積を大きくせざるを得なかったので、折角のヒータからの熱が基板側に流れてしまい温度低下を招くと共に、温度センサ領域に温度分布を有してしまうという問題があった。
【０００７】
従来、熱型フローセンサにおいて、被測定流体の流速や流量などを計測する場合に、被測定流体の種類を事前に知っておく必要があった。その場合、特定の標準の被測定流体（標準ガス）、例えば、気体の場合は、窒素ガスの２０℃、１気圧での熱伝達率などの基本データを利用して表示される熱型フローセンサの流速や流量などの出力値を、被測定流体の種類が標準ガスと異なり変更になった場合は、その被測定流体の温度や気圧における熱伝達率などの既知の基本データを利用して、熱型フローセンサの流速や流量などの出力値を校正していた。熱伝達率の大きいヘリウムガスや水素ガスなどの流量（例えば、質量流量）の計測では、標準ガスとしての窒素ガスから大きく表示がずれてしまい、どうしても、校正をする必要があった。この状況は、熱伝導型センサとしての熱型気圧センサにおいても同様で、計測に被測定流体の熱伝達率が関与している以上、被測定流体のガスの種類を事前に知り、出力値を校正する必要があった。このように、被測定流体のガスの種類を事前に知らなくとも自動校正できる熱伝導型センサが望まれていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】ＵＳ００４４７８０７７公報
【特許文献２】特表２００４−５１４１５３公報
【特許文献３】特開２００９−１２８２５４公報
【特許文献４】特開２０１０−２３０６０１公報
【特許文献５】特開２００１−１６５７３１公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上述の問題点を解決するためになされたもので、気体や液体の被測定流体の流れ（主に流速や流量）を計測するに当り、ヒータ（２５）が配置されている薄膜（１０）に、高感度で高精度となる小型で単純構造の２つの温度センサを配した熱型フローセンサチップとこれを搭載して、高感度で、小型、単純構造かつ安価な熱型フローセンサを提供すること、更に、被測定流体の流れの方向と種類も特定できるようにすることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するために、本発明の請求項１に係わる熱型フローセンサチップは、基板１から空洞４０により熱分離されている半導体薄膜を主材料とした薄膜１０は、架橋構造であること、該薄膜１０の中央部にはヒータ２５があること、該ヒータ２５を挟んで被測定流体の流れの方向の両側に、前記ヒータ２５から熱抵抗部４５を介して、同一の薄膜１０の中で対称な位置に薄膜領域Ａと薄膜領域Ｂが形成されていること、これらの薄膜領域Ａと薄膜領域Ｂに、前記薄膜１０を共通の熱電材料とした第１の熱電対２０Ａと第２の熱電対２０Ｂのそれぞれの温接点８１Ａと温接点８１Ｂがそれぞれ配置され、前記ヒータ２５から熱を受け取り加熱される構造であること、前記第１の熱電対２０Ａと第２の熱電対２０Ｂとを、これらの温度差が検出できるように直列接続して、外部に二端子として取り出すようにしたこと、を特徴とするものである。
【００１１】
本発明の熱型フローセンサチップでは、基板１からの熱分離されている薄膜１０として架橋構造を用いている。これは、薄膜１０をダイアフラムで構成すれば、基板１へのヒータ２５からの熱伝導が大きく、薄膜１０の温度が上がり難いという理由であり、また、カンチレバ型にすると、被測定流体が液体でなく、気体であっても流速が大であると破壊されやすいという理由による。これに対して、架橋構造の薄膜１０は、その狭い支持部から主に基板１に熱が少しだけ逃げるが、ヒータの温度が上がり易いので、消費電力が小さく済み、両端支持であるので、機械的強度もカンチレバに比べて大であることによる。
【００１２】
ヒータ２５を挟んで、被測定流体の流れに沿って空間的に対称な位置に薄膜領域Ａと薄膜領域Ｂを同一の薄膜１０の中に熱抵抗部４５を介して形成してあり、これらの薄膜領域Ａには、第１の熱電対２０Ａの温接点８１Ａが、薄膜領域Ｂには、同様に第２の熱電対２０Ｂの温接点８１Ｂが形成されている。そして、例えば、ジュール加熱のヒータ２５が５０℃程度に加熱されて、被測定流体の流れが無い状態では、薄膜１０を介して両側の温接点８１Ａと温接点８１Ｂを同等に加熱するので、温接点８１Ａと温接点８１Ｂとは、本来同一の温度に到達する。したがって、このような場合には、例えば、基板１のベース部分（基板１のうち架橋構造部を除いた領域）に形成してある第１の熱電対２０Ａと第２の熱電対２０Ｂの共通の冷接点８２に対しての第１の熱電対２０Ａと第２の熱電対２０Ｂの差動出力は、ゼロになるはずである。もし、被測定流体の流れが無い状態でも、温接点８１Ａと温接点８１Ｂの位置に、構造上のずれなどがある場合には、第１の熱電対２０Ａと第２の熱電対２０Ｂの差動出力は、ゼロにならないので、電子回路的に補正するとよい。
【００１３】
基板１として、例えば、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用いると、単結晶シリコン（Ｓｉ）薄膜であるＳＯＩ層から成る基板１から熱分離した薄膜１０を、公知のＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術により、容易に形成することができる。ＳＯＩ層は、Ｓｉの単結晶半導体であるので、この層を薄膜１０の主たる構成膜として利用すると良い。
【００１４】
Ｓｉの単結晶半導体は、その導電タイプ（ｎ型またはｐ型）やその抵抗率にも依存するが、熱電材料としてのゼーベック係数αが大きく、例えば、ｎ型、抵抗率：０．１Ω・ｃｍでは、約１ｍＶ／Ｋ程度の極めて大きなゼーベック係数αを有する。したがって、熱電材料として２つの金属から成る熱電対を組合せてサーモパイルを形成するよりは、Ｓｉの単結晶半導体薄膜を一方の熱電材料として利用した１個の熱電対で、小型で感度も大きくさせる。したがって、極めて小型の高感度感温部を形成することができる。
【００１５】
第１の熱電対２０Ａと第２の熱電対２０Ｂは、例えば、上述のＳＯＩ層を主たる材料とした同一の薄膜１０の中に、共通のＳＯＩ層をそれぞれの一方の熱電材料として形成することができる。上述の薄膜領域Ａと薄膜領域Ｂにそれぞれ形成している第１の熱電対２０Ａと第２の熱電対２０Ｂのそれぞれの温接点８１Ａと温接点８１Ｂからそれぞれの他方の熱電材料としての同一の金属、例えば、ニクロム（Ｎｉ−Ｃｒ）薄膜をＳＯＩ層にオーム性接触させてで引き出し、上述の基板１のベース領域に形成している２個のそれぞれの電極パッドまで配線して、外部に二端子として取り出すことができる。このようにすれば、二端子としての２個のそれぞれの電極パッド間の出力電圧は、第１の熱電対２０Ａと第２の熱電対２０Ｂとの温度差に対応することになる。
【００１６】
本発明の請求項２に係わる熱型フローセンサチップは、基板１に絶対温度センサを形成した場合である。
【００１７】
第１の熱電対２０Ａと第２の熱電対２０Ｂのそれらの共通の冷接点８２を、例えば、基板１のベース領域に形成していると、第１の熱電対２０Ａと第２の熱電対２０Ｂのそれぞれの出力は、ベース領域の温度を基準としたそれぞれの温接点８１Ａと温接点８１Ｂにおけるそれぞれの温度差のみに対応する出力となる。このために、ヒータ加熱した時のヒータ温度、温接点８１Ａと温接点８１Ｂなどの絶対温度が計測できない。このように、一般に、熱電対を使用する場合は、温接点の絶対温度を知るためには、例えば、冷接点の絶対温度を計測しておく必要がある。このために、本発明では、基板１（例えば、ベース部分）に絶対温度センサを形成しておくものである。このようにして、第１の熱電対２０Ａと第２の熱電対２０Ｂのそれぞれの温接点８１Ａと温接点８１Ｂの絶対温度を計測することができる。もちろん、薄膜１０のうち、ヒータ２５の形成個所にも熱電対の温接点８１Ｈを形成しておけば、同様にして、ヒータ２５の位置の絶対温度を計測することができる。絶対温度センサとして、ｐｎ接合ダイオード、サーミスタや白金測温抵抗体などを形成すると良い。この絶対温度センサの出力を利用して、周囲温度補正をすることもできる。
【００１８】
本発明の請求項３に係わる熱型フローセンサは、前記請求項１もしくは２記載の熱型フローセンサチップを搭載し、前記ヒータ２５の加熱に基づき、前記被測定流体の流れにより生じる前記第１の熱電対２０Ａと第２の熱電対２０Ｂとの温度差を計測し、予め用意してある校正データを利用して、前記被測定流体の流れを計測するようにしたこと、を特徴とするものである。
【００１９】
ヒータ加熱した宙に浮いた薄膜１０（基板１から同一の空洞４０により熱分離している）の温度は、被測定流体の温度とその流体の種類により熱伝達率が変化し、その被測定流体の熱的性質が予め分かっていないと、被測定流体の物理的状態である流速や流量に大きな誤差が生じてしまう。そのため、第１の熱電対２０Ａと第２の熱電対２０Ｂとの温度差を予め被測定流体を用いて実験して、被測定流体の熱的性質、特にその温度と圧力での熱伝達率を基にして校正できるような校正データを予め用意しておき、正しい測定値が得られるようにする必要がある。これが、予め用意してある校正データである。本発明の同一の構造の熱型フローセンサを用いて校正データを取得することにより、理論的に予測しがたい細かい各種の影響もこの校正データに含まれるので、校正データを利用することが重要である。そこで、被測定流体の熱伝達率の温度依存性などを含む流速などの情報を含む校正データをメモリに内蔵し、測定データを利用して、演算して表示させる校正手段２００を内蔵させると良い。なお、被測定流体の流量は、流速に関して計測しておくと、その流路の断面積などから流量を算出することができる。
【００２０】
本発明の請求項４に係わる熱型フローセンサは、前記請求項１に記載の二端子からの出力電圧において、前記被測定流体の流れが無い状態での出力電圧をゼロとして、正と負の出力電圧の符号から前記被測定流体の流れの向きを判定し、それらの出力電圧の大きさから流れの速度を計測できるようにした場合である。
【００２１】
第１の熱電対２０Ａと第２の熱電対２０Ｂは、上記したように、ヒータ２５を挟んで被測定流体の流れの方向の両側に、ヒータ２５から熱抵抗部４５を介して、同一の薄膜１０の中で対称な位置に薄膜領域Ａと薄膜領域Ｂが形成されている。薄膜領域Ａには、温接点８１Ａ、薄膜領域Ｂには、温接点８１Ｂが、ヒータ２５から対称な位置に形成されているはずであるが、製作時のパターンのずれや厚みの不均一などで、被測定流体の流れが無くとも多少の温度差が生じてしまうことがあり、出力電圧がゼロにならない場合がある。このような場合には、被測定流体の流れが無い状態で、出力電圧がゼロになるように設定する補正回路を設けて、強制的に出力電圧をゼロになるようにすると良い。
【００２２】
ヒータ２５を挟んで被測定流体の流れの方向の両側の対称位置に温接点８１Ａと温接点８１Ｂがあるので、ヒータ２５に対して、上流側の温接点が冷やされ、下流側の温接点が温められる。このようにして、例えば、上流側に温接点８１Ａを配し、下流側に温接点８１Ｂを配してある場合には、温接点８１Ａが冷やされ、温接点８１Ｂが温められるので、共通の薄膜１０のＳＯＩ層を一方の熱電材料とした第１の熱電対２０Ａと第２の熱電対２０Ｂとの二端子としての出力電圧の差（第１の熱電対２０Ａの出力電圧から第２の熱電対２０Ｂの出力電圧を差し引く）は、薄膜１０をｎ型ＳＯＩ層とした場合には、負となり、また、逆に、流れの向きを変えると上述の構成では、二端子としての出力電圧の差は、正になる。このようにして、二端子としての出力電圧の差の正負の符号により、被測定流体の流れの方向（向き）を調べることができる。
【００２３】
本発明の請求項５に係わる熱型フローセンサは、前記請求項１に記載の二端子からの出力電圧を演算増幅器の非反転入力端子に接続し、前記演算増幅器の反転入力端子に可変抵抗を接続し、該可変抵抗を所定の抵抗値に切り替えることで、前記被測定流体の流れの速度の計測範囲の拡大ができるように構成した場合である。
【００２４】
１個の熱型フローセンサを用いた被測定流体の流れとしての流速の計測範囲を拡大したい。その一つとして、信号の増幅回路での増幅率の切り替えがある。極めて小さな流速を計測するのに、高感度と高Ｓ／Ｎ比の増幅が必要で、熱型フローセンサの内部抵抗に依らない所定の増幅率が得られるようにした方が良い。本発明では、高入力インピーダンスの演算増幅器を用い、増幅器回路のアースＥと演算増幅器の非反転入力端子との間に、前記二端子からの出力電圧を挿入すると、演算増幅器は、その入力端子間は等価的に等電位になるので、二端子からの出力電圧は、直接演算増幅器の反転入力端子に接続する可変抵抗ｒに印加されることになり、可変抵抗ｒに流れる電流は、この可変抵抗ｒと二端子からの出力電圧によってのみ定まる。したがって、演算増幅器の同一の帰還抵抗Ｒｆの下では、前記可変抵抗ｒの値の変更により、信号の増幅回路の増幅率が変えられることになり、この可変抵抗を、例えば、１桁ずつ切り替えるようにすれば、１桁ずつの増幅率が変わることになる。例えば、帰還抵抗Ｒｆを１０ｋΩの場合、可変抵抗ｒを１００Ωとすれば、増幅回路の増幅率Ａは、Ｒｆ/ｒ＝１００となり、二端子からの出力電圧は、１００倍に増幅されることになる。
【００２５】
本発明の請求項６に係わる熱型フローセンサは、前記ヒータ２５の加熱温度を変化させる温度可変手段２５０を備えてあること、前記被測定流体の流れを止めた状態で、前記ヒータ２５の加熱温度を種々の所定温度に前記温度可変手段２５０を用いて変化できるようにしたこと、前記第１の熱電対２０Ａと第２の熱電対２０Ｂの種々の前記所定温度における出力電圧と、前記所定温度に対応する複数の所定の流体のそれぞれの熱伝導率に関する予め用意してあるデータとを利用し、前記被測定流体の種類をも特定できるようにしたこと、を特徴とするものである。
【００２６】
一般に、流体の熱伝導率ｋは、温度の関数であり、温度上昇と共に大きくなる。被測定流体の流れがなければ、被測定流体の種類、その温度および圧力（気圧など）の関数として熱伝達率ｈが定まる。また、温度センサを備えた微小薄膜の温度上昇分は、ヒータ２５と温度センサとの距離が固定であれば、ヒータの温度と、薄膜１０を介しての熱伝導と、被測定流体のその温度および圧力における熱伝達率で決定される。しかし、熱伝達率は、流体の速度の関数であるが、速度がゼロの場合には、単純化して、流体の固有の性質である熱伝導率に比例することが分かっている。従って、ヒータと温度センサとの距離を固定し、被測定流体のその温度および圧力を既知としておき、ヒータの温度を何らかの方法で計測して既知となれば、前記の温度センサの温度上昇分を流れが無い状態で計測することにより、その時の被測定流体の熱伝導率が決まる。このようにして、予め実験的に用意しているデータと未知の被測定流体の測定データとを比較して、同一の温度依存性を有する既知の流体のデータとの一致の状況から、おおよその気体などの被測定流体の種類が判明（特定）できる。
【００２７】
同一の周囲温度における同一のヒータ供給電力に対して、被測定流体の熱伝導率のその周囲温度における情報は、容易に得られる。しかし、被測定流体の熱伝導率は、温度依存性があり、周囲環境温度が変われば、その分、熱伝導率も変化する。周囲環境温度を外部ヒータで調整することもできるが、本発明では、外部ヒータを用いなくとも、ヒータ２５の温度可変手段により加熱温度を変化させて、そのヒータ２５付近の被測定流体の温度をも変化させる。このときのヒータ２５により加熱された薄膜１０の温度を、そこに形成してある温度センサ２０Ｈにより計測して、被測定流体の熱伝導率の温度依存性を求め、その温度依存性を利用して被測定流体の種類を特定するようにすることができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の熱型フローセンサチップは、基板１から同一の空洞４０により熱分離されている架橋構造である薄膜１０であることから、カンチレバ型に対して被測定流体の流れに対して強度が大きく、しかも、温度検出に関して、ダイアフラム型よりは、高感度になるという利点がある。
【００２９】
本発明の熱型フローセンサチップは、熱電対を使用するので、温度の感応部は、温接点で済むので、同様の温度差検出のサーモパイル型に対して極めて小型のセンサチップが達成できるので、高精度で安価なセンサが提供できる。
【００３０】
本発明の熱型フローセンサチップは、薄膜１０として、半導体薄膜を主たる構成膜として利用できるので、ゼーベック係数αの値が金属に比べて桁違いに大きく、これを熱電対の一方の共通の熱電材料として使用することができ、小型で高感度かつ高精度で、しかも安価な熱型フローセンサチップが提供できる。
【００３１】
本発明の熱型フローセンサチップは、第１の熱電対２０Ａと第２の熱電対２０Ｂとを、これらの温度差が検出できるように直列接続してあり、第１の熱電対２０Ａと第２の熱電対２０Ｂのそれぞれの温接点８１Ａと温接点８１Ｂの位置における温度差に関する出力電圧差を、外部に二端子として取り出すので、温接点８１Ａと温接点８１Ｂの温度差に基づく差動出力電圧を直接増幅器に入力できると共に、極めて単純な構成になるという利点がある。
【００３２】
本発明の熱型フローセンサチップは、基板１に絶対温度センサを形成するので、流速などを計測する熱電対である第１の熱電対２０Ａと第２の熱電対２０Ｂなどと組み合わせて、それぞれの温度の絶対温度を計測できる。また、基板１は、ほぼ周囲環境温度とみなすこともできるので、周囲環境温度の計測もできる。
【００３３】
本発明の熱型フローセンサは、上述のように、中央部のヒータ２５位置に関して、被測定流体の流れの方向の両側に、温接点８１Ａと温接点８１Ｂを対称に配しているので、これらの位置における温度差に関する出力電圧差としての二端子出力の正負の符号により、被測定流体の流れの方向を検出できるという利点がある。
【００３４】
本発明の熱型フローセンサは、演算増幅器の反転入力端子に可変抵抗を接続し、その大きさを調節することにより、容易に被測定流体の流れの速度の計測範囲の拡大が達成できるという利点がる。
【００３５】
本発明の熱型フローセンサは、ヒータ２５の加熱温度を変化させる温度可変手段２５０を備えているので、所定温度に対応する複数の所定の流体のそれぞれの熱伝導率に関する予め用意してあるデータなどを利用し、未知の被測定流体の種類をも特定できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の熱フローセンサチップの一実施例の平面概略図である。（実施例１）
【図２】図１のＸ−Ｘ線における断面概略図である。（実施例１）
【図３】本発明の熱フローセンサチップの他の一実施例の平面概略図である。（実施例２）
【図４】本発明の熱フローセンサチップの他の一実施例の平面概略図である。（実施例３）
【図５】本発明の熱型フローセンサの一実施例の構成概要のブロック図である。（実施例１）、（実施例３）、（実施例４）
【図６】本発明の熱フローセンサチップから外部に取り出す出力電圧の入力の様子を含む演算増幅回路の一実施例の概略図である。（実施例１）
【発明を実施するための形態】
【００３７】
本発明の熱フローセンサチップは、成熟した半導体集積化技術とMEMS技術を用いて、集積回路（ＩＣ）も作成できるシリコン（Si）基板で形成できる。この熱型フローセンサチップをシリコン（Si）基板であるＳＯＩ基板を用いて製作し、これを搭載した熱フローセンサについて、図面を参照しながら実施例に基づき、以下に詳細に説明する。
【実施例１】
【００３８】
図１は、本発明の熱フローセンサチップの一実施例を示す平面概略図で、図２は、そのＸ−Ｘ断面における断面概略図である。本実施例では、本発明の熱フローセンサチップとして、半導体シリコンの基板１として、ｎ型のＳＯＩ基板（厚み：５００μｍ、ＳＯＩ層１２の厚み：１０μｍ程度、ＢＯＸ層１３の厚み：１μｍ程度）を利用した場合である。このＳＯＩ層１２を基板１から熱分離した架橋構造１４の薄膜１０とし、この薄膜１０には、架橋構造１４の薄膜１０の中央にニクロム（Ｎｉ−Ｃｒ）膜から成るヒータ２５を架橋構造１４の長さ方向に沿って熱フローセンサチップの端部まで延在させてある。架橋構造１４は、例えば、長さ２ｍｍ、厚み１０μｍ程度で、狭いところの幅が０．５ｍｍ程度である。基板１のベース部分（基板１の母体部分）の端部付近に、ヒータ２５加熱用の電極パッド７０ａ、７０ｂがフォトリソグラフィにより形成されている。また、薄膜１０の架橋構造１４の中央付近で、ヒータ２５を挟んで被測定流体の流れの方向の両側に、ヒータ２５から熱抵抗部４５を介して、同一の薄膜１０の中で対称な位置に薄膜領域Ａ４８と薄膜領域Ｂ４９が形成されている。そして、これらの薄膜領域Ａ４８と薄膜領域Ｂ４９に、薄膜１０のＳＯＩ層を共通の熱電材料とした温度差センサである第１の熱電対２０Ａと第２の熱電対２０Ｂのそれぞれの温接点８１Ａと温接点８１Ｂが、対称位置にそれぞれ配置され、これらの温接点８１Ａと温接点８１Ｂとは、薄膜領域Ａ４８と薄膜領域Ｂ４９と共に、加熱されたヒータ２５から熱を受け取り加熱昇温される構造になっている。そして、第１の熱電対２０Ａと第２の熱電対２０Ｂとは、それぞれ共通の冷接点８２と、それぞれ温接点８１Ａと温接点８１Ｂを介して、一方の熱電材料１２０ａとして、薄膜１０のＳＯＩ層１２を、また、他方の熱電材料１２０ｂとしては、ヒータ２５の材料であるニクロム（Ｎｉ−Ｃｒ）膜を用いた構成にしている。第１の熱電対２０Ａと第２の熱電対２０Ｂの熱電材料１２０ｂの他端は、それぞれ電極パッド７１ａと電極パッド７１ｂとして、共通の冷接点８２の電極パッド７２ｃと同一の温度となるように熱フローセンサチップの基板１のベース部分で、互いに近接して配置している。本実施例では、基板１のベース部分に、絶対温度センサ２１を形成しており、本実施例では、ｐｎ接合型ダイオードを形成した場合である。
【００３９】
一般に、二つの熱電対を用いて、差動増幅する場合、それぞれの熱電対を直列に接続し、この直列接続した接続点を差動増幅回路のアースＥに接続し、二つの熱電対の他端となる残りのそれぞれの端子を、差動増幅回路の２つの入力端子に接続して、差動増幅するものである。本発明の熱フローセンサチップでは、構造上、共通の薄膜１０のＳＯＩ層１２が二つの熱電対である第１の熱電対２０Ａと第２の熱電対２０Ｂの一方の共通の熱電材料１２０ａとして直列接続されており、差動増幅するのに、この点を差動増幅回路のアースＥに接続する必要はなく、上記の二つの熱電対の熱電材料１２０ｂを介しての他端となる残りのそれぞれの端子である電極パッド７１ａと電極パッド７１ｂのみを外部に二端子として取り出すようにしていることが特徴の一つである。
【００４０】
本発明の熱フローセンサチップは、例えば、以下のようにして形成される。基板１としてのＳＯＩ基板は、ＳＯＩ層１２には、その下部に埋め込み絶縁層であるBOX層５１が存在しているために、例えば、アルカリ性エッチャントであるヒドラジン水溶液では、単結晶シリコンから成るＳＯＩ層１２や下地基板２は溶解（エッチング）されるが、BOX層５１はエッチングされないので、容易に基板１から熱分離している宙に浮いた薄膜１０から成る薄膜構造体である架橋構造１４が形成できる。この技術を利用して、一方のヒータ２５と温度センサ２０である第１の熱電対２０Ａと第２の熱電対２０Ｂが形成されている薄膜１０のＳＯＩ層１２を主たる構成材料としている。また、ＳＯＩ層１２側からの異方性エッチングにより、スリット４１が形成され、基板１の裏面からの異方性エッチングにより空洞４０が形成される。この時、シリコン酸化膜５０とBOX層５１に囲まれ保護された領域としての薄膜１０が宙に浮いた薄膜として空洞４０の対向する両側面での基板１に支持部を持つ架橋構造１４の形で形成されている。
【００４１】
ヒータ２５、熱電材料１２０ｂおよび電極パッド７０、７１，７２などを、熱酸化され難く、安定で抵抗率が高いニクロム（Ｎｉ−Ｃｒ）膜で形成しており、付着強度が大きいスパッタリング法で作成している。更に、ニクロム薄膜は、熱電材料１２０ａ、１２０ｂおよび電極パッド７０、７１，７２などをアルカリ性エッチャントに耐えるので好都合である。もちろん、アルカリ性エッチャントを用いないで、公知のドライエッチングにより架橋構造１４、スリット４１や空洞４０などを形成することができる。その時は、フォトレジストなどでマスクとしてカバーすれば、熱電材料や電極パッドの材料選択が楽になる。上述の熱フローセンサチップのパターン化に係る製作工程は、公知のフォトリソグラフィによるＭＥＭＳ技術により行うことができる。
【００４２】
本実施例では、熱抵抗部４５がスリット４１により形成されるようにして、薄膜１０の中央に配しているヒータ２５から対称な位置に二つの薄膜領域Ａ４８と薄膜領域Ｂ４９を形成してあり、ヒータ２５からの熱が、これらの二つの薄膜領域Ａ４８と薄膜領域Ｂ４９に同等に伝わり、更に、これらに形成している温接点８１Ａと温接点８１Ｂの位置もヒータ２５から対称な位置に形成しているので、被測定流体の流れが無い状態では、温接点８１Ａと温接点８１Ｂが等しい温度に熱せられることになる。したがって、このような被測定流体の流れが無い状態では、二つの第１の熱電対２０Ａと第２の熱電対２０Ｂの熱起電力は等しく、それらの出力電圧差は本質的にゼロになるので、これらの出力電圧差を取り出す電極パッド７１ａと電極パッド７１ｂである二端子間の出力電圧はゼロになる。
【００４３】
本発明の熱フローセンサの動作について、熱フローセンサチップの本実施例の図１と図２を参照して説明すると次のようである。薄膜１０に備えたヒータ２５に電流を流し、被測定流体、例えば、空気などの既知の気体中で、流れが無い状態、室温（例えば、２０℃）、大気圧（１気圧）の下で熱型フローセンサチップを晒す。ヒータ２５に所定の電力,例えば３０[ｍW]で駆動したときに、ヒータ２５の温度が上昇するが、その時の温度上昇分は、実際に動作させる図１に示す第１の熱電対２０Ａまたは第２の熱電対２０Ｂのどちらかを用いて、大まかに知ることができる。例えば、第１の熱電対２０Ａの外部出力端子である電極パッド７１ａと共通の電極パッド７２ｃ間の電位差を計測することにより、予め実験的に用意してある薄膜１０のＳＯＩ層１２と同一の熱電材料１２０ａと同一のニクロム（Ｎｉ−Ｃｒ）膜の熱電材料１２０ｂにより構成されている熱電対を用いて、熱起電力と温度との関係の校正データに基づいて、熱型フローセンサチップの基板１と第１の熱電対２０Ａの温接点８１Ａとの温度差ΔＴａ（基板１からの温度上昇分）を求めることができる。また、基板１には、ｐｎ接合ダイオードを絶対温度センサ２１として用いているので、絶対温度センサ２１も予め実験的の取得した所定の順方向電流の下での順方向電圧Ｖｆの温度依存性などの校正データから基板１のベース部の温度Ｔｓを知ることができる。このようにして、温接点８１Ａの絶対温度Ｔａは、基板１の温度Ｔｓとヒータ加熱による上記の温度差ΔＴａとの和で表される。例えば、３０[ｍW]のヒータ２５のヒータ加熱により、例えば、温度差ΔＴａが約５０℃であるので、この場合は、例えば、室温Ｔｒを２０℃とすれば、室温Ｔｒがほぼ温度Ｔｓに等しいとすれば、温接点８１Ａの絶対温度Ｔａは、約７０℃であり、絶対温度で表示すれば、約３４３Ｋとなる。
【００４４】
図１に示すように、熱型フローセンサチップ１００のヒータ２５に対して第１の熱電対２０Ａ側が、被測定流体の上流側である場合、この上流側にあるヒータ加熱されている薄膜領域Ａ４８は冷やされ、下流側にあるヒータ加熱されている薄膜領域Ａ４９は多少、被測定流体の流れにより冷やされるが、ヒータ２５により温められた被測定流体に晒されるので、上流側の薄膜領域Ａ４８に比べ、昇温される。この現象は、被測定流体の流れによって引き起こされるものなので、被測定流体の流速Ｖがゼロの時には、薄膜領域Ａ４８と薄膜領域Ａ４９に形成されている温接点８１Ａと温接点８１Ｂとの間の温度差ΔＴａｂは、被測定流体の流速Ｖと共に、ゼロからほぼ直線的に上昇する。しかし、流速Ｖが大きくなって行くと飽和するようになる。このことは、流れのある流体中での加熱された物体からの奪われる熱量Qfは、流体の速度Vの２分の１乗に比例するというキングの法則からも頷ける。したがって、本発明の熱型フローセンサにおいては、熱型フローセンサチップ１００を図１に示すように、被測定流体の流速Ｖに薄膜領域Ａ４８が上流側になるようにして直接晒し、二端子としての電極パッド７１ａと電極パッド７１ｂとを、演算増幅器（ＯＰアンプ）のような差動増幅回路の非反転入力端子とアースＥとの間に接続して、所望の増幅率で増幅して、その出力電圧を取り出して、例えば、これを予め実験的に用意してある校正データを利用し演算して、流速や流量として表示すればよい。ヒータ加熱は、３０ｍＷなどの所定の一定消費電力で、常時駆動しても良いが、例えば、被測定流体の流速Ｖに係らず、上流側の薄膜領域Ａ４８の温度を所定の温度、例えば、５０℃のような一定値を維持する、もしくは、基板１と薄膜領域Ａ４８のとの温度差ΔＴａを、例えば、３０℃一定値を維持するなど、制御回路でヒータ２５の駆動をするようにすることもできる。この場合は、第１の熱電対２０Ａの出力電圧（電極パッド７１ａと電極パッド７２ｃ間の出力電圧）を取り出して増幅する。
【００４５】
図５には、本発明の熱型フローセンサの構成概要のブロック図を示す。ブロック図に示すように、例えば、室温Ｔｒが２０℃で、図５に示す制御回路は、ヒータ２５の所定の温度上昇分の制御、所定電力供給制御、ヒータの加熱温度制御が行えるようにするものであるが、ここでは、例えば、消費電力３０ｍＷ一定でヒータ２５を駆動する場合を示す。被測定流体としての空気が、その流速Ｖがゼロの時に、薄膜領域Ａ４８と薄膜領域Ａ４９とが、基板１の温度からΔＴａ＝５０℃だけ昇温した場合、流速Ｖ＝５（ｓｃｃｍ）で温接点８１Ａの温度が０．５℃程度下がり、温接点８１Ｂが０．５℃程度上昇する。したがって、温接点８１Ａと温接点８１Ｂとの間の温度差ΔＴａｂは、１℃程度であり、これに基づく第１の熱電対２０Ａと第２の熱電対２０Ｂとの差出力電圧が、熱型フローセンサチップ１００の出力の二端子である電極パッド７１ａと電極パッド７１ｂから外部に出力電圧として出力される。この出力電圧を図５の増幅回路に入力させて、予め用意してある上述のような校正用データを取り入れて、演算回路にて、被測定流体の種類の影響、温度の影響を補正（校正）し、気体の流速や流量の真の値を、表示部に送り表示するものである。増幅回路の増幅率は、可変抵抗回路により所望の大きさの出力電圧が得られるように、調整すればよい。図６に、可変抵抗回路１５０と、熱型フローセンサチップ１００の出力の二端子である電極パッド７１ａと電極パッド７１ｂから外部に出力電圧の入力の様子とを示した図５に示す増幅回路の例としての演算増幅回路の概略図を示す。熱型フローセンサチップ１００の出力の二端子からの出力は、この演算増幅回路の非反転入力端子に入力されており、可変抵抗回路１５０は、反転入力端子に接続している。なお、可変抵抗回路１５０の複数の可変抵抗ｒ１、ｒ２、・・ｒｋは、切替スイッチ３１０により切り替えて、例えば、ｒ１が選択された場合は、演算増幅回路の増幅率Ａ＝(帰還抵抗Ｒｆ) / (可変抵抗ｒ１)で表されるので、帰還抵抗Ｒｆ＝１００ｋΩで、ｒ１＝１００Ωの場合は、増幅率Ａ＝１０００となり、上記の熱型フローセンサチップ１００の出力の二端子から温度差信号電圧は、１０００倍に増幅される。もちろん、この演算増幅回路の他に、後段の増幅回路を設けて、液晶ディスプレイなどの駆動に必要な信号電圧まで増幅させることも良い。
【実施例２】
【００４６】
図３は、本発明の熱フローセンサチップの他の一実施例を示す平面概略図であり、上記実施例１の図１と作用・効果もほぼ同一である。実施例の図１と本実施例の図３との大きな違いは、実施例の図１における薄膜領域Ａ４８と薄膜領域Ａ４９とは、薄膜１０の架橋構造１４の中央付近で、スリット４１による熱抵抗部４５を介してカンチレバ状に外側に飛び出したような構造にした場合であり、そのために、熱型フローセンサチップ１００の温接点８１Ａと温接点８１Ｂから出力の二端子である電極パッド７１ａと電極パッド７１ｂまで延びている２本の熱電材料１２０ｂが、薄膜１０の架橋構造１４の幅が狭い領域を通って形成されている。これに対して、本実施例２の図３に示す熱フローセンサチップでは、薄膜領域Ａ４８と薄膜領域Ａ４９も架橋構造１４になるようにしてあり、この新たな薄膜領域Ａ４８と薄膜領域Ａ４９からの架橋構造１４の部分を通して、温接点８１Ａと温接点８１Ｂから電極パッド７１ａと電極パッド７１ｂまで延びる２本の熱電材料１２０ｂを形成している。実施例の図１における薄膜領域Ａ４８と薄膜領域Ａ４９は、カンチレバ状になっているので、カンチレバ形状が多少反るように曲がっていると、被測定流体の流速Ｖが大きくなるとその抵抗が大きくなり薄膜領域Ａ４８と薄膜領域Ａ４９が破壊されやすいが、本実施例２のように、薄膜領域Ａ４８と薄膜領域Ａ４９も架橋構造１４にすることにより、薄膜領域Ａ４８と薄膜領域Ａ４９が更に支持部が増えると共に、反りが難くなるので、破壊され難くなるという理由による。しかし、その分、熱が基板１へ逃げやすくなるので、ヒータ２５からの熱が逃げやすく、薄膜領域Ａ４８と薄膜領域Ａ４９が昇温し難く、消費電力も増すという点もあり、被測定流体の種類や流速Ｖの計測範囲などで、実施例１の図１に示す形状か、本実施例２の図３に示す形状か、を決定すると良い。
【００４７】
本発明の熱フローセンサとして、図３に示すような本発明の熱フローセンサチップを用いて、実施するのは、上記実施例１に示してあることとほぼ同様なので、ここではその詳細な説明を省略する。
【実施例３】
【００４８】
図４は、本発明の熱フローセンサチップの他の一実施例を示す平面概略図であり、上記実施例２の図３と同様であるが、上記実施例２の図３との大きな違いは、実施例２の図３では、薄膜１０の架橋構造１４の中央付近の温度計測用の熱電対が配置されていなかったので、架橋構造１４の中央付近のヒータ２５近傍の温度計測が直接できず、架橋構造１４の中央付近から熱抵抗部４５を介して形成されている薄膜領域Ａ４８と薄膜領域Ａ４９にそれぞれ形成されている温接点８１Ａと温接点８１Ｂを利用して温度計億とヒータ２５の温度制御を行うようにしていた。これに対して、本実施例３に示す図４の実施例では、架橋構造１４の中央付近のヒータ２５近傍にもヒータ部の熱電対２０Ｈを設けてあることで、ヒータ２５近傍で、しかも最も高温になる架橋構造１４の中央付近の温度を直接計測できるようにしている点が、実施例２の図３との最も大きな違いである。架橋構造１４の中央付近のヒータ２５近傍の温度の計測は、上記の第１の熱電対２０Ａと第２の熱電対２０Ｂによる薄膜領域Ａ４８と薄膜領域Ａ４９の温度計測と全く同様であり、ヒータ部の熱電対２０Ｈの出力電圧の取り出し用の電極パッド７１ｈと基板１に形成してある共通の冷接点８２の電極パッド７２ｃとの間の出力電圧から、薄膜領域Ａ４８と薄膜領域Ａ４９の温度計測と同様に、予め用意してある熱電対用の校正データを利用して、ヒータ部の熱電対２０Ｈの温接点８１Ｈの箇所の温度を計測することができる。そして、このヒータ部の熱電対２０Ｈを利用して、上記図５に示す制御回路と温度可変手段との組み合わせなどで、例えば、消費電力３０ｍＷ一定でヒータ２５を駆動したり、ヒータ２５近傍の温接点８１Ｈにおける温度を所望の一定値、例えば、５５℃に維持するようにヒータ２５を駆動することもできる。
【００４９】
上記実施例２の図３と本実施例３の図４とのもう一つの違いは、図４では、実施例２の図３では描いていなかった校正回路手段２００を本発明の熱フローセンサチップに搭載している場合である。この校正回路手段２００を熱型フローセンサチップに搭載する必要は必ずしもなく、これを外部に取り付けて熱型フローセンサを構成しても良い。ただ、ここでは、基板１がＳＯＩ層１２を有しているので、コンパクト化のためにＩＣ製作技術を取り入れて、同一の熱型フローセンサチップに搭載した場合を示している。もちろん、この校正回路手段２００は、上記の実施例の図１や図３にも搭載することも可能である。この校正回路手段２００には、増幅回路２１０と演算回路２２０および制御回路２３０が含まれ、上記の図５に示した増幅回路と演算回路および制御回路を本実施例３の図４に示す熱型フローセンサチップに搭載していると考えることができる。この校正回路手段２００では、増幅回路２１０と演算回路２２０に、温接点８１Ａと温接点８１Ｂから出力の二端子である電極パッド７１ａと電極パッド７１ｂからの被測定流体の流速や流量に係る出力電圧信号、ヒータ部の熱電対２０Ｈの温接点８１Ｈの箇所の温度に関する出力信号、基板１の温度に関する絶対温度センサ２１からの出力信号などを送りだし、処理して、被測定流体の種類の影響、温度の影響を補正（校正）する。制御回路２３０では、ヒータ２５の所定の温度上昇分の制御、所定電力供給制御やヒータの加熱温度制御が行えるようにしている。熱型フローセンサの動作に関しては、上記実施例と同様なので、その詳細な説明は省略する。
【実施例４】
【００５０】
本発明の熱フローセンサでは、空気、窒素ガス、水素ガス、酸素ガス、アルゴンガスなどの単純な組成ではあることが分かっているが、どのガスが流れているかが分からない場合でも、被測定流体として気体である場合、その絶対温度計測、被測定流体の流れがない状態での上記実施例１から３における熱型フローセンサチップを利用して、その被測定流体の種類を特定することができる。例えば、標準ガスとして、窒素ガスを使用する。上記の被測定流体の気体は、標準ガスの窒素ガスとは、熱伝導率λの大きさが異なること、更にその被測定流体である被検出気体の熱伝導率λの温度依存性も異なる。単位面積、単位温度、単位時間当たりの伝熱量を熱伝達係数ｈと呼び、表面温度Twの物体から流体の温度Taへの熱移動量Q[W]は、表面温度Twと流体の温度Taとの温度差と熱伝達係数ｈに比例するニュートンの冷却の法則により表される。熱伝達係数ｈは、気体の流れがない場合には、単純になり、被測定流体の気体の熱伝導率λに比例する。したがって、被検出気体の温度は、熱型フローセンサチップに搭載している絶対温度センサ２１で計測し、被検出気体の温度は、上記実施例１で示した熱型フローセンサの構成概要の図５のブロック図に記載してある温度可変手段２５０と制御回路２３０とを組合わせて、ヒータ２５の加熱により、例えば、ヒータ２５近傍の温度を室温Ｔｒから１００℃程度までの所定の複数の各温度、例えば、室温Ｔｒの２０℃から５℃間隔で１００℃程度までの温度における第１の熱電対２０Ａの薄膜領域Ａ４８のその時の温度の計測のデータと、予め実験的に取得して用意してある標準ガスも含む空気、窒素ガス、水素ガス、酸素ガス、アルゴンガスなどの同一の複数の温度に関する取得データと比較して、同一の温度依存性のパターンを示す気体を探すことで、その未知の被検出気体を特定することができる。そして、特定された被検出気体の流速Ｖや流量の値は、被測定流体の標準ガスの窒素ガスを用いた予め用意してある校正用データとの比較で、校正することができる。
【００５１】
上述では、ヒータ２５近傍の温度を室温Ｔｒから１００℃程度までの所定の複数の各温度における第１の熱電対２０Ａの薄膜領域Ａ４８のその時の温度の計測のデータとしたが、ヒータ２５を加熱して温度飽和を生じたと見做されるときの温度計測でも良いし、ヒータ２５加熱を止めて、未知の被検出気体の中で、第１の熱電対２０Ａが配されている薄膜領域Ａ４８が冷却して行くときの冷却過程での時間経過の温度特性のパターン形状の比較で、未知の被検出気体（既知の気体で、熱的特性が分かっている気体）の特定をすることもできる。水素ガスのように熱伝導率λの大きい気体では、熱時定数τが小さく速やかに冷却されるが、アルゴンガスのように熱伝導率λの小さい気体では、熱時定数τが大きく同様に指数関数的ではあるがゆっくりと冷却される。上記では、第１の熱電対２０Ａでの温度計測を例にとったが、第２の熱電対２０Ｂでも良く、場合によっては、ヒータ部の熱電対２０Ｈによるヒータ２５の近傍の温度計測でも良い。また、上述では、被測定流体として気体に限定して説明したが、液体においても標準液体の設定、既知の液体の熱伝導率λの温度依存性などのデータを利用し、未知の被検出液体の特定も、気体の場合と同様に扱うことができる。
【００５２】
本発明の熱型フローセンサチップと熱型フローセンサとは、本実施例に限定されることはなく、本発明の主旨、作用および効果が同一でありながら、当然、種々の変形がありうる。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明の熱型フローセンサチップは、フォトリソグラフィによるＭＥＭＳ技術で形成できるので、半導体熱電対を用いた超小型のセンシング部を有し、画一的な形状で大量生産性がある。温度センサに熱電材料のゼーベック係数αだけにより熱熱起電力が決定される熱電対を使用しており、また、半導体熱電対を用いているので、金属の熱電対に対して
１桁以上の高感度化が望めることからサーモパイルにする必要がなく、更に温度センシング部は、温接点だけである熱電対を用いることができるので、極めてコンパクトで、高感度かつ高精度の温度センサとなる。被測定流体の速度Ｖの存在により温度差が生じる温接点８１Ａと温接点８１Ｂからの二端子で出力できるので、単純な回路構成になり、更に、その出力電圧の正負の符号により流れの方向まで検出できるので、往復の流れがある流路などの被測定流体の速度Ｖや流量を計測する熱型フローセンサとしても好適である。また、被測定流体の速度Ｖや流量が大きい場合には、流路にバイパスを設けて、そのバイパス領域に本発明の熱型フローセンサチップを形成しておくことにより、被測定流体の速度Ｖや流量の計測範囲の拡大が望める。本発明の熱型フローセンサは、気体ばかりでなく液体の被測定流体にも適用できるものである。
【符号の説明】
【００５４】
１  基板
２  下地基板
１０  薄膜
１２  ＳＯＩ層
１３  BOX層
１４  架橋構造
２０  温度センサ
２０Ａ  第１の熱電対
２０Ｂ  第２の熱電対
２０Ｈ  ヒータ部の熱電対
２１  絶対温度センサ
２５  ヒータ
４０  空洞
４１  スリット
４５  熱抵抗部
４８  薄膜領域Ａ
４９  薄膜領域B
５０  シリコン酸化膜
７０ａ、７０ｂ  電極パッド
７１ａ、７１ｂ、７１ｈ  電極パッド
７２ｃ  電極パッド
８１Ａ、８１Ｂ、８１Ｈ  温接点
８２  冷接点
１００  熱フローセンサチップ
１２０、１２０ａ、１２０ｂ  熱電材料
１５０  可変抵抗回路
２００  校正回路手段
２１０  増幅器
２２０  演算回路
２３０  制御回路
２５０  温度可変手段
３１０  切替スイッチ
【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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