(57)【要約】【課題】流体が流れる方向および速度に加えて、流体の温度を高精度に測定可能とし、極めて安価にて製造可能で、応答速度が早い超小型の流体センサを提供する。【解決手段】半導体基板２により形成された薄膜部３と、この薄膜部３の周囲に位置する厚肉部４とを有し、この薄膜部３の中心部にパターン形成された発熱素子５と、この発熱素子５の周囲にパターン形成された３個以上の感熱素子６とを設けた。【選択図】　　　図１
2004061412.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板により形成された薄膜部と、この薄膜部の周囲に位置する厚肉部とを有し、
この薄膜部の中心部にパターン形成された発熱素子と、
この発熱素子の周囲にパターン形成された３個以上の感熱素子とを設けたことを特徴とする流体センサ。
【請求項２】
前記感熱素子が温度係数の高い抵抗体であり、厚肉部にその感熱素子と同一の感熱素子としてパターン形成された比較用感熱素子を有する請求項１に記載の流体センサ。
【請求項３】
前記感熱素子がそれぞれ薄膜部から厚肉部に渡るように形成されたサーモパイルセンサである請求項１に記載の流体センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体センサに関するものであり、とりわけ超小型化および省エネルギーが可能であり例えば気象観測に用いられる流体センサに関するものである。
【０００２】
【従来技術】
図１２は従来から風向および風速を測定するために用いられる気象計測器２１を示す図である。図１２において、２２は例えば全体的に飛行機の胴体に似た形状で風向に合わせて水平方向に回動自在に形成された計測器本体、２３は計測器本体２２の前方に設けられたプロペラ、２４は尾翼、２５はプロペラ２３の回転力が伝達される計測器本体２２内の発電機、２６はロータリーエンコーダである。したがって、発電機２５の起電力を用いて風速を測定可能とし、ロータリーエンコーダ２６で風向を計測可能としている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の気象計測器２１は、大がかりな計測器本体２２やプロペラ２３に加えて発電機２５やロータリーエンコーダ２６などの構成が必要であり、これらが気象計測器２１の製造コストを引き上げるものとなっていた。さらには、気象観測のためには周囲温度を分析する必要があるので、別途の温度センサを用いて周囲温度を測定したり、前記気象計測器２１内に温度センサを組み込む必要があるので、この点も製造コストの引き上げの原因となっていた。
【０００４】
また、従来の気象計測器２１を用いた測定では、計測器本体２２やプロペラ２４などの稼動部分が多くあるために、これらの慣性が感度や応答速度を低下させるものとなっていた。すなわち、風速が小さいときに風向が急に変わったとしても計測器本体２２の回動がこれに追従しないことなど、測定誤差の原因となる要素が多くあった。
【０００５】
本発明はこのような実情を考慮に入れてなされたものであって、流体が流れる方向および速度に加えて、流体の温度を高精度に測定可能とし、極めて安価にて製造可能で、応答速度が早い超小型の流体センサを提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上述の課題を解決するための手段を以下のように構成している。すなわち、本発明の流体センサは、半導体基板により形成された薄膜部と、この薄膜部の周囲に位置する厚肉部とを有し、この薄膜部の中心部にパターン形成された発熱素子と、この発熱素子の周囲にパターン形成された３個以上の感熱素子とを設けたことを特徴としている。（請求項１）
【０００７】
すなわち、前記発熱素子に電力を供給すると、この発熱素子から生じた熱は風などの流体によって拡散されるが、流体の流れの下流側に配置された感熱素子の温度を上昇させる。このとき、感熱素子および発熱素子は薄膜部の上に形成されており、この薄膜部の熱容量は極めて小さいため、発熱素子から生じた熱は薄膜部を熱伝導で伝わることは少なく、むしろ風などの流体を介して熱が効率よく感熱素子の温度を上昇させる。そして、感熱素子の温度上昇から流速を求めることができ、各感熱素子の温度上昇の比率を用いて流体が流れる方向を求めることができる。
【０００８】
すなわち、発熱素子の位置を原点として、各感熱素子を配置した方向にその温度から流速を表す長さのベクトルをそれぞれ求め、これらベクトルのベクトル和を演算することにより、流体の流れる方向および流速を同時に測定することができる。また、感熱素子は温度を計測するものであるから、その出力から周囲温度を求めることも可能であるから、別途の温度センサを設ける必要性がない。
【０００９】
そして、前記感熱素子の数が３個以上あれば流体が流れる二次元の方向を特定することができる。なお、感熱素子の数は多ければ多いほど流体の流れる方向を的確に求めることができる。また、発熱素子から各感熱素子までの距離を等距離にすることにより、発熱素子からの熱の影響を同じ条件で受けるので、これらの感熱素子を用いた流れの方向を容易に、また正確に求めることができる。
【００１０】
前記感熱素子が温度係数の高い抵抗体であり、厚肉部にその感熱素子と同一の感熱素子としてパターン形成された比較用感熱素子を有する場合（請求項２）には、比較用感熱素子を熱容量の高い厚肉部に形成しているので、この比較用感熱素子によって測定できる温度は発熱素子による影響を受けることがない。したがって、比較用感熱素子を用いて周囲温度を精度良く測定できる。また、この比較用感熱素子によって測定される周囲温度を、流量測定用の各感熱素子が流量零であるときに検出する温度（すなわち零点）とすることができる。
【００１１】
前記感熱素子がそれぞれ薄膜部から厚肉部に渡るように形成されたサーモパイルセンサである場合（請求項３）には、各感熱素子の温度を起電力によって検出することができる。このサーモパイルは抵抗値によって温度を測定するものに比べて感度が高く、それだけ流速および流れの方向の検出感度が高くなる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の流体センサ１の平面構成の一例を示す図であり、図２は図１に示した流体センサ１のＩＩ−ＩＩ断面図である。以下の各例に示す流体センサは流体としての大気を測定するものであり、その流速は風速とし、流れの方向は風向として説明する。
【００１３】
図１において、流体センサ１は例えば厚さ３００〜４００μｍのシリコンなどの半導体基板２を有し、この基板２の一部（例えば中心部分）をＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏ　Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ）を用いたパターン形成を用いて裏面側からくり抜くことで、薄膜部３と、この薄膜部３の周囲に位置する厚肉部４とを形成してなる。一方、基板２の表面側には例えば白金によって発熱素子５と、風測定用の感熱素子６と、比較用の感熱素子７とをＭＥＭＳ等の半導体製造プロセスによってパターン形成している。また、８は両感熱素子６，７に電気的に接続されて、ブリッジ回路および増幅器を組み込んだ信号処理回路である。
【００１４】
前記ＭＥＭＳを用いたパターン形成（すなわち、フォトリソ技術を用いたエッチングおよびマイクロマシニング技術を用いた異方性エッチングなどの既存の技術）によって形成された薄膜部３や各素子６，７は、その製造コストを削減でき量産性に優れると共に、その大きさ（特に膜厚）を高精度にそろえることができる。したがって、本発明の流体センサ１の特性が非常に揃ったバラツキの少ないものとなり、流体センサ１の特性を個々に補正する必要性が少なくなる。さらに、流体センサ１の全体的な大きさを可及的に小型化できるので、それだけ応答速度を早くすることができる。
【００１５】
前記薄膜部３の膜厚は例えば１μｍ程度であり、この厚みは薄ければ薄いほど、薄膜部３自体の熱伝達および熱容量を小さくすることができるので、薄膜部からの熱伝導を可及的に抑えつつ、風のみにより発熱素子５から発生する熱を効率よく感熱素子６に伝達することができる。なお、本例では、薄膜部３の膜厚をより正確に揃えるために基板２が絶縁膜２ａを有するＳＯＩ基板である例を示しているが、本発明は基板２の種類を限定するものではなく、絶縁層２ａのないシリコン半導体基板であってもよい。
【００１６】
前記発熱素子５および感熱素子６，７は例えば、幅数μｍの線状のパターンを蛇行させたような抵抗体を形成するパターンであり、その外形はほゞ円形である。なお、図１には図示可能な程度に簡略化して示している。また、発熱素子５に電力を供給するための電源線５ａ，５ｂのパターンは例えば幅１００μｍ程度に形成されており、好ましくは上下左右対称の形状（各感熱素子７から発熱素子５を見てほゞ同じ形状）とする。これによって発熱素子５から発生する熱を全方向に均等に拡散させることができる。また、５ｃ，５ｄは外部回路の電源に対して流体センサ１を接続するためのランドである。
【００１７】
前記感熱素子６，７および信号処理回路８は上下左右にそれぞれ一つずつ全て同一に形成されており、各感熱素子６Ｎ，６Ｓ，６Ｗ，６Ｅは発熱素子５から同じ距離だけ離れた位置に形成している。なお、どの感熱素子６Ｎ，６Ｓ，６Ｗ，６Ｅも全て薄膜部３内で発熱素子５に近い部分（中心に近い位置）に設けられる。なお、前記感熱素子６，７を同一の感熱素子で構成することにより、検出感度のばらつきを防止し、測定精度の向上を図ることができる。
【００１８】
一方、比較用の感熱素子７は、それぞれ前記感熱素子６Ｎ，６Ｓ，６Ｗ，６Ｅに近い位置で、薄膜部３に比べて熱容量の高い厚肉部４に形成されており、本例では例えば４つの比較用感熱素子７Ｎ，７Ｓ，７Ｗ，７Ｅを設けている。また、各感熱素子６，７へのリード線６ａ，７ａは感熱素子６，７のパターンに比べて十分に太く形成する。
【００１９】
図３は前記信号処理回路８の具体的な構成を示す図である。図３において、Ｖｃｃは電源、Ｒ…はそれぞれ同じ抵抗値を有し各感熱素子６，７に適宜の電圧降下Ｖｒ，Ｖｓを生じさせる電流を流すために調整された抵抗値を有する抵抗、９は増幅器、１０はＡＤ変換器である。本例のように信号処理回路８を半導体製造プロセスを用いて流体センサ１上に作り込むことにより、製造コストをほとんど全く引き上げることなく、より精度の高い測定値の検出を行うことが可能となる。なお、この信号処理回路８の出力は比較用の感熱素子７と比較した感熱素子６の温度を表すものであるから、発熱素子５からの熱による温度上昇を示している。
【００２０】
また、前記比較用の感熱素子７による電圧降下Ｖｒは周囲温度を測定するために用いることができる。したがって、前記信号処理回路８のうちの少なくとも一つは仮想線で示すように、感熱素子７による電圧降下Ｖｒを直接的に検出するためのＡＤ変換器１１を設けることが望ましい。なお、ＡＤ変換器１０を一つにしてマルチプレクサによって切り換えてＡＤ変換してもよい。もちろん、全ての信号処理回路８において電圧降下Ｖｒを検出可能とし、各感熱素子７Ｎ，７Ｓ，７Ｗ，７Ｅによって得られた周囲温度の平均を計算して精度を向上することも可能である。
【００２１】
つまり、本例は単なる一例を示すものであるから、種々の変形が可能であり、信号処理回路８からＡＤ変換器１０、さらには増幅器９を省略して、信号処理回路８の実装面積を小さくしてもよい。この場合、流体センサ１の小型化を達成でき、増幅器９などの流体センサ１上で発熱する部分を無くすことで、測定精度を向上させることができる。何れにしても、信号処理回路８によって感熱素子６，７に近い位置でブリッジ回路を形成することで、両感熱素子６，７の差分を精度良く検出することができる。
【００２２】
しかしながら、本発明は感熱素子６，７の差分をブリッジ回路を用いて検出することに限定するものでもない。図４は前記信号処理回路８の変形例を示す図である。
【００２３】
図４において信号処理回路８’は、感熱素子７，６Ｎ，６Ｓ，６Ｗ，６Ｅを並列して取り込む信号処理を行なう回路であり、１２はアナログマルチプレクサである。すなわち、各感熱素子７，６Ｎ，６Ｓ，６Ｗ，６Ｅに幾らかの電流を流したときの感熱素子７，６Ｎ，６Ｓ，６Ｗ，６Ｅにおける電圧降下の大きさを検出することにより、温度を求めるものである。また、アナログマルチプレクサ１２によって選択した一つの感熱素子７，６Ｎ，６Ｓ，６Ｗ，６Ｅの電圧降下の大きさをＡＤ変換することにより、各部の温度を検出することができる。
【００２４】
本例では比較用の感熱素子７をひとつだけ設ける例を示しており、これによって周囲温度を検出可能であり、感熱素子７を設ける位置は厚肉部４上であれば何処でもよい。しかしながら、図１に示した例のように各感熱素子６Ｎ，６Ｓ，６Ｗ，６Ｅのそれぞれに対応する比較用の感熱素子７Ｎ，７Ｓ，７Ｗ，７Ｅを設けてもよい。
【００２５】
そして、感熱素子７が示す温度が周囲温度であり、各感熱素子６Ｎ，６Ｓ，６Ｗ，６Ｅの示す温度から周囲温度を減算することにより、発熱素子５の影響によって上昇した温度を検出することができる。つまり、本例の場合は、以後の信号処理によって風速および風向を検出すると共に、周囲温度も同じ感熱素子７を用いて同時に検出することができる。
【００２６】
上述した流体センサ１は発熱素子５と感熱素子６との間の距離が極めて短いので、風などの流体の流れを例えば数十ミリ秒など、極めて高速に検出することができる。また、発熱素子５と感熱素子６との間の距離が極めて短いので、測定対象となる流体の熱容量や風速にもよるが、発熱素子５によって発生させる熱量を少なくすることができ、それだけ省エネルギーに貢献できる。
【００２７】
また、前記流体センサ１はその大きさを非常に小さくすることができ、部品点数も少ないので、図１２に示したような従来の気象計測器２１に比べて、生産コストが安く、それだけあらゆる部分に取付け可能である。
【００２８】
図５は前記流体センサ１の変形例である流体センサ１’の構成を示す図である。図５において、図１〜４と同じ符号を付した部分は同一または同等の部分であるから、その詳細な説明を省略する。
【００２９】
図５に示す例は、感熱素子６を、サーモパイルセンサ１２で構成したものであり、このサーモパイルセンサ１２は異なる２つの金属部分１２Ａ，１２Ｂによって形成され、薄膜部３上の感温部Ｔ１　と厚肉部４上の感温部Ｔ２　との間の温度差を起電力に変換するものであって、前記感熱素子６Ｎ，６Ｓ，６Ｗ，６Ｅに対応する４つの位置にそれぞれ同一形状のサーモパイルセンサ１２Ｎ，１２Ｓ，１２Ｗ，１２Ｅを設けてなる。
【００３０】
また、１２ａ，１２ｂはサーモパイルセンサ１２を外部の回路に接続するためのランドであり、７ａ，７ｂは感熱素子７を外部の回路に接続するためのランドである。本例の場合は、流体センサ１’内に信号処理回路８を設けておらず、これによって流体センサ１’の構成を簡略化している。
【００３１】
本例のように構成することにより、各サーモパイルセンサ１２は、前記感温部Ｔ１　，Ｔ２　間の温度差を、２つの金属部分１２Ａ，１２Ｂの対数倍した大きさの起電力によって得ることができ、それだけ、検出精度を向上させることができる。また、感温部Ｔ２　の温度は比較用の感熱素子７によって測定可能であるから、感温部Ｔ１　の温度も求めることができる。なお、風速および風向を求める方法は図１〜４を用いて説明した例と同じであるから、その詳細な説明を省略する。
【００３２】
また、本例では、一つの感熱素子７によって周囲温度を検出可能としているが、この感熱素子７をサーモパイルセンサ１２の数だけ設けてもよい。さらに、感熱素子７が複数ある場合には周囲温度は平均値を求めることにより、その精度を向上できる。
【００３３】
図６は本発明の流体センサ１，１’を保持する保持具を示し、図７はこの保持具の平面図である。図６，７において、１３は流体センサ１，１’を設置可能な取付け凹部１３ａを有する偏平な円盤状の保持具であり、この保持具１３は例えば野外において計測点に設置される土台や測定プローブの先端などの台１４に保持される。
【００３４】
この保持具１３の外周部は風の流れの抵抗にならないように滑らかな曲線を描くように成形されている。したがって、矢印Ａに示す方向に流れた風は渦を形成したり、方向を変えることなく、矢印Ｂに示すように流体センサ１，１’の表面を流れ、その風速，風向および周囲温度が同時に測定できる。
【００３５】
図８は前記流体センサ１，１’を洗浄する自動洗浄機構の要部を説明する図であり、図９はこの自動洗浄機構の全体的な構成を示す図であって、図８，９において、１５は洗浄液噴射器、１６はパージエア発生器、１７は洗浄液噴射器１５とパージエア発生器を保持するアームである。
【００３６】
したがって、流体センサ１，１’が粉塵などで汚れて感度が低下するのを防止するために、定期的に前記アーム１７を回動して図９に示す二点仮想線の位置に移動させる。次いで、洗浄液噴射器１５から水、界面活性剤や溶剤などの洗浄液を噴射し、一定時間後にこれをパージエア発生器１６からの空気などで吹き飛ばすと共に乾燥させることで、元の感度に復帰させることができる。そして、洗浄行程が終了するとアーム１７を再び図９に実線で示す元の位置に戻すことで、再び測定を開始することができる。
【００３７】
図１０は前記保持具のさらなる変形例を示す図であり、１８は外形がほゞ球体であり、互いに９０°の角度を有して複数の流体センサ１，１’を保持するように構成している。すなわち、本発明の流体センサ１，１’は極めて小型であるから、これを球体の表面の複数カ所に配置することができ、これによって上下左右あらゆる方向に流れる風の流れを的確に測定することが可能となる。
【００３８】
なお、保持具１８の形状は真球に近ければ近いほど風向に係わりなく滑らかな表面を形成でき、渦流などの誤差要因となる流れを形成しないようにすることが可能であるが、その形状は球に限られるものではない。また、取付ける流体センサ１，１’の数は５個に限られるものではなく、この数を増やせは増やすほど、より正確な風向および風力を測定可能となる。
【００３９】
図１１は図６〜９に示した保持具１３のさらに異なる変形例を示す図であり、１９は外周部に鋭角に尖らせて流体の抵抗を小さくした円盤形状の保持具である。本例のように保持具１９の周囲を尖らせることにより、横方向からの流体の流れに対する抵抗をできるだけ小さくすることができる。
【００４０】
上述した各例では、主に気象観測用に野外で風速と風向と気温を検出可能とした例を示しているが、本発明はこの点を限定する必要はない。すなわち、流体は液体であっても、ガスであってもよいことはいうまでもない。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の流体センサによれば、流体の方向、流速および温度を同時に検出可能であると共に、小型化を達成して製造コストを可及的に削減することができる。さらに、可動部分をなくすとともに小型化を達成することにより、応答速度を極めて高速にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の流体センサの一実施例を示す図である。
【図２】前記流体センサの縦断面図である。
【図３】前記流体センサの一部の回路構成を示す図である。
【図４】前記回路構成の変形例を示す図である。
【図５】前記流体センサの変形例を示す図である。
【図６】前記流体センサを保持する保持具の構成を示す側面図である。
【図７】前記保持具の平面図である。
【図８】流体センサの自動洗浄機構の要部を説明する図である。
【図９】前記自動洗浄機構のより具体的な構成の一例を示す図である。
【図１０】前記保持具の別の例を示す図である。
【図１１】前記保持具のさらに別の例を示す図である。
【図１２】従来の気象計測器の構成を示す図である。
【符号の説明】
１，１’…流体センサ、２…半導体基板、３…薄膜部、４…厚肉部、５…発熱素子、６（６Ｎ，６Ｓ，６Ｗ，６Ｅ）…感熱素子、７（７Ｎ，７Ｓ，７Ｗ，７Ｅ）…比較用感熱素子、１２…サーモパイルセンサ。
【図１】
2004061412.tif 000003
【図２】
2004061412.tif 000004
【図３】
2004061412.tif 000005
【図４】
2004061412.tif 000006
【図５】
2004061412.tif 000007
【図６】
2004061412.tif 000008
【図７】
2004061412.tif 000009
【図８】
2004061412.tif 000010
【図９】
2004061412.tif 000011
【図１０】
2004061412.tif 000012
【図１１】
2004061412.tif 000013
【図１２】
2004061412.tif 000014