JP4253976B2

JP4253976B2 - Flow sensor

Info

Publication number: JP4253976B2
Application number: JP36646399A
Authority: JP
Inventors: 隆雄岩城; 山本　　敏雅; 信之加藤
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1999-12-24
Filing date: 1999-12-24
Publication date: 2009-04-15
Anticipated expiration: 2019-12-24
Also published as: JP2001183203A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体の流量を検出するフローセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体基板に膜構成のヒータ（発熱体）と測温体を設けて、ヒータおよび測温体に流れる流体の流量を測定するようにしたフローセンサが種々提案されている（特公平６−４３９０６号公報、特開平７−１７４６００号公報、特開平９−２４３４２３号公報など）。
【０００３】
図２０に、従来のフローセンサの一例を示す。基板１に空洞部６が形成され、この空洞部６を橋絡するように空洞部６上に薄膜構造のブリッジ２が設けられている。このブリッジ２には、中央にヒータ３が形成され、その両側に上流側測温体５１、下流側測温体５２が形成されている。また、ブリッジ２以外の基板１上で図中の白抜き矢印で示す流体の流れの上流側には、流体の温度を検出するための流体温度計４が形成されている。
【０００４】
このようなフローセンサにおいて、流体温度計４から得られる流体温度よりも一定温度高い温度になるようにヒータ３を加熱駆動する。流体が流れることにより、上流側測温体５１は熱を奪われて温度が下がり、下流側測温体５２はヒータ３から熱が運ばれて温度が上昇し、上流側測温体５１と下流側測温体５２の温度差から流体の流速が計測（検出）される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記した構造のフローセンサにおいて、上流側測温体５１と下流側測温体５２の温度差は、図２１に示すようになる。この図２１からわかるように、低流量域では直線性が良いが、高流量域では直線性が悪化している。これは上流側測温体５１では流速が増すと流体温度程度まで冷却されて流速に対して温度変化が少なくなり、下流側測温体５２では流れによるヒータ３からの加熱よりも流れによる冷却が強まるため、結果として温度差が生じなくなるためである。このため、高流量側で測定に限界が生じる。
【０００６】
本発明は上記問題に鑑みたもので、高流量側の測定限界を高めることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、発熱体と測温体を有し、発熱体の発熱時における測温体の測定値に基づいて流体の流量を検出するようにし、流体の流量に応じて発熱体の温度分布を変更するように構成したフローセンサであって、前記流量が所定の閾値より大きくなる高流量域では、低流量域に比べて、発熱体のうち測温体に近い部分の発熱量が多くなるようにし、少なくとも高流量域において、前記発熱体の発熱量を測温体に近づくにつれて段階的に多くなるようにしたことを特徴としている。
【０００８】
従来のものでは流量にかかわりなく発熱体の温度分布を一定としていたため、高流量側で測定限界が生じやすかったが、この発明のように流量に応じて発熱体の温度分布を変更し、特に高流量になったときに測温体への温度分布を高くするようにすれば、高流量側の測定限界を高めることができる。また、少なくとも高流量域において、発熱体の発熱量を測温体に近づくにつれて段階的に多くなるようにしているので、消費電力の無駄を少なくしつつ流量の測定限界を高めることができる。
【０００９】
なお、発熱体と測温体は、後述する実施形態のように、測温体を発熱体の上流側に配置する、または測温体を発熱体の下流側に配置する、あるいは測温体を発熱体の両側に配置するという、形態をとることができる。また、発熱体と測温体は、空洞部を有する基板に設けられた薄膜構造のブリッジもしくはダイアフラムに形成するのが好ましい。
【００１３】
また、請求項２に記載の発明のように、測温体の測定値が流量に比例するように、流体の流量に応じて発熱体の内部の温度分布が一様でないようにすれば、測温体の温度の線形性を上げることができる。
【００１４】
また、請求項３に記載の発明のように、発熱体の中間端子を有し、少なくとも３つ以上の端子に印加する電圧を制御するようにすれば、発熱体全体の発熱量を多くした場合に比べ消費電力を低減しつつ発熱体の温度分布を変更することができる。
【００１５】
上記した測温体および発熱体は、請求項４に記載の発明のように、１つの連続した抵抗体の配線パターン中の異なる部分で形成することができる。この場合、請求項５に記載の発明のように、抵抗体の配線パターンに複数の端子を接続し、それら複数の端子を選択するようにすれば、抵抗体を、発熱体として利用する部分と測温体として利用する部分に、製造後に使い分けることができる。
【００１６】
また、請求項６に記載の発明のように、抵抗体の配線パターンの一部を未使用領域とすれば、消費電力を少なくすることができる。
【００１７】
また、請求項７に記載の発明のように、発熱体を１つの連続した抵抗体の配線パターンで形成し、その一部を未使用領域とすることもできる。この場合も、抵抗体の配線パターンの一部を未使用領域とすることによって、消費電力を少なくすることができる。また、請求項８に記載の発明のように、抵抗体の配線パターンに複数の端子を接続し、それら複数の端子を選択するようにすれば、抵抗体を、発熱体用として利用する部分と未使用領域用として利用する部分に、製造後に使い分けることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１に、本発明の第１実施形態に係る感熱式フローセンサの斜視図を示し、図２に図１のＡ−Ａ線に沿った断面図を示す。
【００２４】
図１、図２に示すように、基板１（例えばＳｉを用いた半導体基板）には、空洞部６が形成され、この空洞部６を橋架するように電気的絶縁膜でブリッジ２が設けられている。ブリッジ２には、中央に発熱体をなすヒータ３が形成され、その片脇に測温体５が形成されている。ヒータ３および測温体５は、Ｐｔなどの金属膜により形成されている。また、基板１上で図中の白抜き矢印で示す流体（例えば、空気）の流れの上流側には、流体の温度を検出するための流体温度計４が形成されている。なお、図中のＴＲ１、ＴＲ２、Ｔ１、Ｔ２、Ｈ１、Ｈｍ１、Ｈ２は、流体温度計４、測温体５、ヒータ３それぞれの電極端子を示している。
【００２５】
この第１実施形態に係るフローセンサは、１つの測温体５と１つのヒータ３を有し、測温体５がヒータ３よりも上流に配置されたもの（以下、上流側２線式フローセンサという）になっている。
【００２６】
上記した流体温度計４は、金属配線で形成され、その抵抗値変動から温度が測定される。この流体温度計４によって測定された流体温度をもとに、その流体温度よりもΔＴだけ高い温度になるように、ヒータ３が加熱制御される。具体的には、ヒータ３の両端端子Ｈ１、Ｈ２に印加する電圧が、図示しない制御回路によって制御される。通常、ヒータ３は、その両端端子Ｈ１、Ｈ２に電圧をかけ、ヒータ３を流れる電流のジュール熱によって、加熱される。なお、上記したΔＴの値は、例えば２００℃程度の温度である。
【００２７】
そして、このようなヒータ３の加熱制御の下、図示しない処理回路において、上流測温体５で測定された温度（上流測温体５の測定値、すなわち上流測温体５の抵抗値から求められたもの）と流体温度計４で測定された温度との差に基づいて流体の流量が測定（検出）される。
【００２８】
ここで、無風時には図３（ａ）に示すように上流測温体５で温度Ｔ₀が測定され、低流量時には図３（ｂ）に示すように上流測温体５で温度Ｔ_Lが測定され、高流量時には図３（ｃ）に示すように上流測温体５で温度Ｔ_Hが測定される。しかし、高流量時には測定される温度Ｔ_Hは、低流量時に測定される温度Ｔ_Lより低いため、その測定に限界が生じる。このようなフローセンサの流量の測定限界は、上流測温体５が流体温度程度まで冷却されて、流速に対して温度変化がなくなることによって決まる。
【００２９】
そこで、この実施形態では、ヒータ３に中間端子Ｈｍ１を設け、その中間端子Ｈｍ１に印加する電圧を制御して、流量の測定限界を高めることができるようにしている。
【００３０】
すなわち、流量がある閾値よりも低い領域（以下、低流量域という）では、中間端子Ｈｍ１を、例えばフローティングもしくはヒータ３全体の電流が一様となるような電圧にして、通常の場合と同様、ヒータ３全体に一様な電流が流れるようにする。この場合、流量がある閾値よりも低いか否かは、例えば測温体５によって測定された温度がある閾値より高いか否かによって判定することができる。
【００３１】
また、流量がある閾値以上である高い領域（以下、高流量域という）では、中間端子Ｈｍ１に所定の電圧を与えることによって、ヒータ３の温度分布を変更し、ヒータ３の上流部の温度を上げる。ここで、流量の測定限界は、測温体５の温度が流体温度付近まで冷却されることによって生じるので、ヒータ３の上流部の温度を上げる（すなわち高流量時の測定温度を図３（ｄ）に示すようにＴ_H’に上げる）ことにより、流量の測定限界を高めることができる。
【００３２】
この場合、流量検出を行う処理回路側では、中間端子Ｈｍ１への電圧印加状態を考慮して、低流量および高流量のいずれの場合においても正確に流量検出ができるようにしている。なお、以下に示す実施形態においても、中間端子に電圧を印加して高流量側の測定限界を高めるようにした場合には、それを考慮して流量検出を行うようにしている。
【００３３】
上記した実施形態においては、ヒータ３に中間端子Ｈｍ１を設けて流量の測定限界を高めるものを示したが、流量がある閾値以上になったときにヒータ３の両端Ｈ１、Ｈ２にかける電圧を大きくし、ヒータ３全体に流れる電流を大きくして、ヒータ３全体の温度を上げるようにしてもよい。このようにしても、上流測温体５が冷やされるのを防ぐことができるため、流量の測定限界を高めることができる。但し、この方法と上記した中間端子Ｈｍ１を用いる方法とを比較すると、中間端子Ｈｍ１を用いる方法の方が消費電力が少なくなるため、中間端子Ｈｍ１を用いる方法の方が好ましい。
【００３４】
また、上記した実施形態では、低流量域において、ヒータ３全体に流れる電流を一定にし、ヒータ３の温度分布をほぼ一様にするものを示したが、ヒータ３の温度分布を変えるようにしてもよい。例えば、上流側の端子Ｈ１と中間端子Ｈｍ１との間の電圧と下流側の端子Ｈ２と中間端子Ｈｍ１との間の電圧の比を、低流量のときも上流側の温度が下流側の温度よりも高くなるように設定してもよい。この場合、高流量域においては、上流側の温度と下流側の温度の差がさらに大きくなるように、上流側の端子Ｈ１と中間端子Ｈｍ１との間の電圧と下流側の端子Ｈ２と中間端子Ｈｍ１との間の電圧の比を変化させる。具体的には、上流側の端子Ｈ１と中間端子Ｈｍ１との間の電圧を、下流側の端子Ｈ２と中間端子Ｈｍ１との間の電圧より大きくする。
【００３５】
また、上記した実施形態では、中間端子Ｈｍ１を１つ設けるものを示したが、中間端子を複数設けて、高流量時の温度分布を細かく制御できるようにしてもよい。図４に、複数個の中間端子Ｈｍ１、Ｈｍ２、Ｈｍ３を設けた例を示す。この場合、高流量時に上流側から下流側に向かって電圧端子間で発生する熱量が段々低くなる、言い換えればヒータ３の発熱量が測温体５に向かって段階的に多くなるように制御すれば、消費電力の無駄を少なくしつつ、流量の測定限界を高めることができる。なお、高流量時だけでなく、低流量時にも同じような制御をしてもよい。
【００３６】
また、上記した制御において、流量に対する測温体５の温度の線形性が最も良くなるように、中間端子に印加する電圧を細かく制御するようにしてもよい。ここで、測温体５の温度の線形性を上げることには、次のようなメリットがある。一般に、フローセンサには、流体の脈動を検出することが要求される。脈動とは、流体の流量が周期的に変化することをいう。脈動が存在する場合のフローセンサの挙動を示す図５を用いて、線形性のメリットを説明する。
【００３７】
実際のフローセンサでは、応答遅れが必ず存在するため、実際の脈動による流量の変化と比較して必ず信号がなまる（脈動の振幅よりも、検出される振幅が小さくなる）。このとき、脈動の平均流量を正しく検出することが重要となる。これは、脈動の平均流量さえ正しく検出できれば、流れた流体の全流量を正しく検出することが可能だからである。図５（ａ）に、温度が流量に比例する場合の特性を示す。この場合には、実際の平均流量と見かけの平均流量（センサが検出する平均流量）が一致している。図５（ｂ）に、温度が流量に比例しない場合の特性を示す。この場合は、見かけの平均流量が実際の平均流量を下まわっている。なお、見かけの平均流量が実際の平均流量を下まわるのは、温度−流量曲線が上に凸だからである。逆に、温度−流量曲線が下に凸の場合は、見かけの平均流量が実際の平均流量を上まわる。従って、温度が流量に比例する線形なフローセンサが好ましい。
【００３８】
なお、ヒータ３上の温度分布は、流量が０の場合、厳密には一定にならず、中心部付近で最も高くなり、端部で最も低くなる。しかし、上記した多端子抵抗体構造とすることによって、温度分布を一様にすることもできる。すなわち、多くの抵抗体の端部のみ若干電圧を高くして、端部の発熱量が中心部の発熱量に対して大きくなるように設定すれば、温度分布を一様にすることができる。
【００３９】
なお、フローセンサとしては、ブリッジ構造のものに限らず、例えば図６および図７（図６のＢ−Ｂ線に沿った断面図）に示すように、ダイアフラム２０を有するダイアフラム構造のものであってもよい。以下の実施形態においては、ブリッジ構造のフローセンサについて説明するが、それをダイアフラム構造に変更することは可能である。
（第２実施形態）
上記した第１実施形態では、測温体５をヒータ３の上流側に設けるものを示したが、図８に示すように、測温体５をヒータ３の下流側に設け、１つの測温体５と１つのヒータ３を有し、測温体５がヒータ３よりも下流に配置されたもの（以下、下流側２線式フローセンサという）としてもよい。
【００４０】
この実施形態のように、測温体５をヒータ３の下流に配置した場合には、流れによってヒータ３の熱が測温体５を加熱する効果よりも、流れによる測温体５の冷却効果の方が大きくなることにより、高流量側の流量の測定限界が決まる。そこで、この実施形態では、次のような制御を行う。
（１）低流量域では、第１実施形態と同様に、中間端子Ｈｍ１を、例えばフローティングもしくはヒータ３全体の電流が一様となるような電圧にして、ヒータ３全体に一様な電流を流す。
（２）高流量域では、中間端子Ｈｍ１に電圧を与え、ヒータ３の下流部の温度を上げる。このことにより、測温体５付近の加熱を強めることができ、測定限界を高めることができる。
（第３実施形態）
上記した第１、第２実施形態では、測温体５の位置をヒータ３の上流、下流とするものを示したが、測温体５はそれ以外の位置に配置することもできる。例えば、図９に示すように、測温体５をヒータ３の真横に配置するようにしてもよい。この場合の制御方法は、第１実施形態と同様である。
（第４実施形態）
第１ないし第３実施形態では、１つの測温体５と１つのヒータ３を有する２線式のフローセンサを示したが、２つの測温体と１つのヒータを有し、２つの測温体をそれぞれヒータの上流と下流に配置したもの（以下、３線式フローセンサという）とすることもできる。
【００４１】
図１０に、この実施形態に係る３線式フローセンサの斜視図を示す。
【００４２】
流体温度計４によって測定された流体温度をもとに、その流体温度よりもΔＴだけ高い温度になるように、ヒータ３が加熱制御される。そして、このようなヒータ３の加熱制御の下、図示しない処理回路において、上流測温体５１で測定された温度と下流測温体５２で測定された温度との差に基づいて流体の流量が測定される。
【００４３】
この実施形態に係る３線式フローセンサ場合、流量の測定限界は、上流測温体５１の温度が流体温度付近まで冷却されること、および流れによる下流測温体５２の冷却がヒータ３による下流測温体５２の加熱を上回ることによって決まる。そこで、この実施形態では、次のような制御を行う。
（１）低流量域では、中間端子Ｈｍ１、Ｈｍ２、Ｈｍ３を、例えばフローティングにして、通常の場合と同様、ヒータ３全体に一様な電流が流れるようにする。
（２）高流量域では、上流中間端子Ｈｍ１と下流中間端子Ｈｍ３に所定の電圧を与えることによって、ヒータ３の温度分布を変更し、ヒータ３の上流部および下流部の温度を上げる。流量の測定限界は、上記したように、上流測温体５１の温度が流体温度付近まで冷却されること、および流れによる下流測温体５２の冷却がヒータ３による下流測温体５２の加熱を上回ることによっているので、ヒータ３の上流部および下流部の温度を上げることによって、流量の測定限界を高めることができる。
【００４４】
なお、上記した実施形態では、測温体５１、５２の位置を上流および下流としたが、２つの測温体５１、５２が流れに対して完全に真横の状態になければ、測温体５１、５２は、図１０に示す以外の位置に配置することもできる。
（第５実施形態）
この実施形態では、図１１に示すように、ヒータ３に多数の端子Ｈ１〜Ｈ１３を設け、使用できる最大電圧をＶｍａｘ［Ｖ］としたときに、端子Ｈ１、Ｈ３、Ｈ５、Ｈ７、Ｈ９、Ｈ１１、Ｈ１３にＶｍａｘ［Ｖ］の電位を印加し、端子Ｈ２、Ｈ４、Ｈ６、Ｈ８、Ｈ１０、Ｈ１２に０Ｖの電位を与えるものである。
【００４５】
このヒータ３の全抵抗値をＲ［Ω］としたとき、従来のように、ヒータ３の両端（図１１に示すＨ１、Ｈ１２）にＶｍａｘ［Ｖ］の電圧をかけた場合、流れる電流はＶｍａｘ／Ｒ［Ａ］、発熱量は、Ｖｍａｘ²／Ｒ［Ｗ］となる。しかし、図１１のように、多数の中間端子を設けて抵抗体をｎ等分（図１１では１２等分）に分割した場合には、流れる電流はｎ×Ｖｍａｘ／Ｒ［Ａ］、発熱量は、ｎ²×Ｖｍａｘ²／Ｒ［Ｗ］となり、電流値、発熱量は、それぞれ、単に両端Ｈ１、Ｈ１２に電圧をかけた場合のｎ倍、ｎ²倍となる。
【００４６】
従って、十分な電流を得ることが可能で、かつ最大電圧が制限される場合には、この実施形態のように、多数の端子を設けることによって、ヒータ３の温度を上げることができ、高流量側の測定限界を高めることができる。
（第６実施形態）
上記した第５実施形態のように、１つの連続した配線パターンで形成され多数の端子Ｈ１〜Ｈ１３を有する抵抗体は、複数の抵抗体と見なし得る。従って、複数の抵抗体のどれかをヒータとして利用し、他のどれかを測温体として利用することも可能である。そこで、この実施形態では、図１２に示すように、上流側のいくつかの抵抗体を測温体５として利用し、その下流側のいくつかの抵抗体をヒータ３として利用している。なお、図中の未使用領域７はあってもなくてもよい。
【００４７】
この場合、端子Ｈ１を測温体５の測定端子として用い、低流量域では、端子Ｈ３を０Ｖ、端子Ｈ１１をＶｍａｘ、その他の端子をフローティングとして、流量検出を行い、高流量域では、低流量域の状態に対し、例えば端子Ｈ７に２／３Ｖｍａｘの電圧を印加するようにすれば、第１実施形態と同様に、流量の測定限界をあげた流量検出を行うことができる。
【００４８】
同様に、図１３に示すように、下流側を測温体５とし、上流側をヒータ３として用いるようにすることもできる。この場合、端子Ｈ１３を測温体５の測定端子として用い、低流量域では、端子Ｈ３をＶｍａｘ、端子Ｈ１１を０Ｖ、その他の端子をフローティングとして、流量検出を行い、高流量域では、低流量域の状態に対し、例えば端子Ｈ７に２／３Ｖｍａｘの電圧を印加するようにすれば、第２実施形態と同様に、流量の測定限界をあげた流量検出を行うことができる。
【００４９】
同様に、下流側、上流側を測温体とし、中間部分をヒータとすることも可能である。このようにすれば、第４実施形態と同様に制御可能なフローセンサとなる。
【００５０】
これらの場合の制御方法は、それぞれ第１ないし第４施形態と同じであるが、この実施形態の場合、製造後に、測温体５とヒータ３の長さや位置関係を変更できるというメリットがある。
【００５１】
例えば、上流測温体５を持つ２線式フローセンサにおいて、低速低流量のみを測定したい場合には、ヒータ３の幅は狭くてもよいことがわかっているため、図１２に示すように、上流側から測温体５、ヒータ３、それから未使用領域７というように抵抗体を分配する。この場合、測温体５から遠い側の抵抗体を未使用領域７としヒータ３として用いないため、消費電力の無駄を省くことができる。逆に、高流量も含めて測定したい場合には、未使用領域７を少なくあるいは無くして、ヒータ３の幅をできるだけ広くしたり、第１実施形態と同様の制御をすることによって、高流量側の測定限界を高めることができる。
【００５２】
また、未使用領域７は、ヒータ３の劣化を判断（例えば、自己診断）するのに利用することもできる。すなわち、各端子Ｈ１〜Ｈ１３を同じ間隔で配置し、抵抗体を同じ幅にしておけば、抵抗体は同じ抵抗値を持つはずである。従って、未使用領域７が劣化しないとすると、未使用領域７とヒータ３の抵抗値の差を求めれば、ヒータ３が劣化したかどうかがわかる。また、各端子Ｈ１〜Ｈ１３を同じ間隔に配置したり、抵抗体を同じ幅にしたりしなくても、処理回路側の演算処理で、未使用領域７とヒータ３の抵抗値を比較すれば、ヒータ３の劣化を検出することができる。また、未使用領域７を用いなくても、ヒータ３と測温体５の抵抗値を比較してヒータ３の劣化を検出するようにすることも可能である。
【００５３】
また、上記した実施形態において、測温体５を別の抵抗線で形成してもよい。例えば、図１２に示す実施形態に対し、図１４に示すように、構成してもよい。この場合、第１実施形態と同様の構成になるが、製造後に未使用領域７を設定することが可能となり、使用目的に応じて消費電力の無駄のないフローセンサとして使用することができる。
（第７実施形態）
この実施形態では、図１５に示すように、多数の端子Ｈ１〜Ｈ２１を有する抵抗体で構成され、上流側から第１のヒータ３１、測温体５、第２のヒータ３２、未使用領域７となっている。このフローセンサは、上流側２線式フローセンサと同様に働く。
【００５４】
この実施形態の特徴とするところは、測温体５のさらに上流にもヒータ３１が存在することにある。このことによって、高流量域において、測温体５の温度が流体温度と同程度にまで、下がってしまうことをある程度防ぐことが可能で、高流量側の測定限界を高めることが可能である。
【００５５】
さらに、高流量側の測定限界を高める場合には、第１実施形態と同様の制御を行うようにすればよい。例えば、端子Ｈ４を測温体５の測定端子として用い、低流量域では、端子Ｈ１、Ｈ１５を０Ｖ、端子Ｈ３、Ｈ５をＶｍａｘ、その他の端子をフローティングとして、流量検出を行い、高流量域では、低流量域の状態に対し、例えば端子Ｈ９に１／２Ｖｍａｘの電圧を印加するようにすれば、第１実施形態と同様に、流量の測定限界をあげた流量検出を行うことができる。
【００５６】
この実施形態は、上流側２線式フローセンサに限らず、図１６に示すような下流側２線式ヒータにも同様に適用することができる。この場合、端子Ｈ１８を測温体５の測定端子として用い、低流量域では、端子Ｈ１７、Ｈ１９をＶｍａｘ、端子Ｈ７、Ｈ２１を０Ｖ、その他の端子をフローティングとして、流量検出を行い、高流量域では、低流量域の状態に対し、例えば端子Ｈ１３に１／２Ｖｍａｘの電圧を印加するようにすれば、第２実施形態と同様に、流量の測定限界をあげた流量検出を行うことができる。
【００５７】
なお、ヒータ３１、３２の幅は、必ずしもヒータ３２（あるいは３１）の方が広くなっている必要はなく、その幅は任意に設定可能である。
（第８実施形態）
上記した第７実施形態では、２線式ヒータに適用するものを示したが、３線式ヒータにも同様に適用することができる。この場合のフローセンサの平面構成を図１７に示す。
【００５８】
図に示すように、この実施形態に係るフローセンサは、多数の端子Ｈ１〜Ｈ２１を有する抵抗体で構成され、上流側から第１のヒータ３１、上流測温体５１、第２のヒータ３２、下流測温体５２、第３のヒータ３３、未使用領域７となっている。このフローセンサは、３線式フローセンサと同様に働く。
【００５９】
この実施形態の特徴とするところは、ヒータ３２以外に上流測温体５１の上流にヒータ３１が存在し下流測温体５２の下流にヒータ３３が存在することにある。このことによって、高流量域において、上流測温体５１、下流測温体５２の温度が流体温度と同程度にまで、下がってしまうことをある程度防ぐことが可能で、高流量側の測定限界を高めることが可能である。
【００６０】
さらに、高流量側の測定限界を高める場合には、第４実施形態と同様の制御を行うようにすればよい。例えば、端子Ｈ４、Ｈ１６を測温体５の測定端子として用い、低流量域では、端子Ｈ１、Ｈ１５、Ｈ１７を０Ｖ、端子Ｈ３、Ｈ５、Ｈ１９をＶｍａｘ、その他の端子をフローティングとして、流量検出を行い、高流量域では、低流量域の状態に対し、例えば端子Ｈ７に２／３Ｖｍａｘの電圧を、端子Ｈ１３に１／２Ｖｍａｘの電圧を印加するようにすれば、第４実施形態と同様に、流量の測定限界をあげた流量検出を行うことができる。
【００６１】
なお、ヒータ３１、３２、３３の幅は、必ずしもヒータ３２の幅が最も広くなっている必要はなく、その幅は任意に設定可能である。
（フローセンサの製造方法）
上記したフローセンサは、次に説明する製造方法によって製造することができる。なお、上記した各実施形態は、ヒータ３（３１、３２、３３）、流体温度計４、測温体５（５１、５２）の配線パターンが異なるのみであるので、第１実施形態を代表して、その製造方法を説明する。図１８に、その製造工程を示す。
［図１８（ａ）の工程］
まず、半導体基板１として単結晶のシリコン基板を用い、その上に下部膜１１を形成する。この下部膜１１は、Ｓｉ₃Ｎ₄膜とＳｉＯ₂膜とを組み合わせた２層の絶縁膜となっており、圧縮応力膜と引っ張り応力膜の組み合わせによって下部膜１１に生じる応力を緩和するようにしている。この後、ヒータ３、流体温度膜４、測温体５を構成する膜として、Ｐｔ膜を真空蒸着機により２００℃で２０００Å堆積させる。そのとき、接着層としてＴｉ層をＰｔ膜と下部膜１１の間に５０Å堆積させる。そして、エッチングにより、ヒータ３、流体温度計４、測温体５の形状にパターニングする。このパターニングにより、ヒータ３、流体温度計４、測温体５の各端子（図では電極取り出し部１２として図示する）も同時に形成される。
［図１８（ｂ）の工程］
下部膜１１と同様に、Ｓｉ₃Ｎ₄膜とＳｉＯ₂膜からなる２層膜の上部膜１３を形成する。ここで、ヒータ３を膜構造のほぼ膜中心に配置し、かつ上部膜１３および下部膜１１における膜構成をヒータ３を中心として対称に配置することで、温度変化しても反り変動が生じず、熱ストレスに対して強い構造が形成できる。そして、空洞部６を形成する領域、およびヒータ３、流体温度計４、測温体５の電極取り出し部１２をエッチングにより開口する。
［図１８（ｃ）の工程］
全面に５０００ÅのＡｕを蒸着した後、エッチングを行い、電極取り出し部１２を覆うようにエッチング保護膜１４を形成する。このエッチング保護膜１４は、次工程で用いるＳｉエッチング溶液に対して電極取り出し部１２を保護し、かつ外部配線としてＡｕ線を用いた場合にそれとの密着性を高めるために用いられる。
［図１８（ｄ）の工程］
ＴＭＡＨ溶液によって表面側からシリコンの異方性エッチングを行い、空洞部６を形成する。
【００６２】
以上のようにして図１、図２に示すフローセンサを製造することができる。
【００６３】
また、フローセンサとして、図６、図７に示すようなダイアフラム構造のものとする場合には、以下のような製造方法により製造することができる。図１９に、その製造工程を示す。
［図１９（ａ）の工程］
図１８（ａ）の工程と同様に、シリコン基板１の上に下部膜１１を形成し、その上にヒータ３、流体温度膜４、測温体５をパターニング形成する。
［図１９（ｂ）の工程］
下部膜１１と同様に、Ｓｉ₃Ｎ₄膜とＳｉＯ₂膜からなる２層膜の上部膜１３を形成し、ヒータ３、流体温度計４、測温体５の電極取り出し部１２をエッチングにより開口する。また、シリコン基板１の裏面に形成された膜の所定の位置をエッチングによって取り除く。
［図１９（ｃ）の工程］
シリコン基板１の裏面側を下部膜１１が露出するまで異方性エッチングして空洞部６を形成する。
【００６４】
このようにして、図６、図７に示すフローセンサを製造することができる。
【００６５】
なお、図１８、図１９に示す製造方法において、ヒータ３、流体温度計４、測温体５を形成する膜としては、Ｐｔ膜以外に、ポリシリコン、ＮｉＣｒ、ＴａＮ、ＳｉＣ、Ｗなどを用いることができる。また、下部膜１１、上部膜１３としては、ヒータ３等を保護できるものであれば、ＴｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｔａ₂Ｏ₅、ＭｇＯ膜などの、単一膜あるいは多層膜を用いることができる。また、エッチング保護膜１４は、露出した電極取り出し部１２がエッチング溶液に対して耐性があればなくてもよく、またＡｕ以外の材料でもエッチング耐性があり、接続配線と接着できる材料であれば他のものでもよい。また、空洞部６を形成するためのエッチングは、空洞部６が形成できれば、ＴＭＡＨ溶液による異方性エッチング以外のものを用いてもよい。
【００６６】
また、上記した種々の実施形態において、フローセンサは、空気等の気体の流量を検出することの他、種々の流体の流量検出に適用することができる。また、ブリッジ２もしくはダイアフラム２０の上にヒータ３、測温体５等の配線を構成するものを示したが、必ずしもそのようなブリッジ構造もしくはダイアフラム構造としなくても、基板１の上に直接それらを配置するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る感熱式フローセンサの斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図３】無風時、低流量時、高流量時に測定される温度を示す図である。
【図４】図１に示す実施形態に対し、複数個の中間端子を設けた実施形態を示す図である。
【図５】脈動が存在する場合のフローセンサの挙動を示す図である。
【図６】図１に示すブリッジ構造のものダイアフラム構造にした感熱式フローセンサの斜視図である。
【図７】図６のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係る感熱式フローセンサの平面図である。
【図９】本発明の第３実施形態に係る感熱式フローセンサの平面図である。
【図１０】本発明の第４実施形態に係る感熱式フローセンサの斜視図である。
【図１１】本発明の第５実施形態に係る感熱式フローセンサのブリッジ部分の平面構成を示す図である。
【図１２】本発明の第６実施形態に係る感熱式フローセンサで、上流側を測温体とし下流側をヒータとして用いたもののブリッジ部分の平面構成を示す図である。
【図１３】本発明の第６実施形態に係る感熱式フローセンサで、下流側を測温体とし上流側をヒータとして用いたもののブリッジ部分の平面構成を示す図である。
【図１４】図１２に示す実施形態に対し、測温体を別の抵抗線で形成した例を示す図である。
【図１５】本発明の第７実施形態に係る感熱式フローセンサで、上流側２線式フローセンサに適用したもののブリッジ部分の平面構成を示す図である。
【図１６】本発明の第７実施形態に係る感熱式フローセンサで、下流側２線式フローセンサに適用したもののブリッジ部分の平面構成を示す図である。
【図１７】本発明の第８実施形態に係る感熱式フローセンサのブリッジ部分の平面構成を示す図である。
【図１８】ブリッジ構造のフローセンサの製造方法を示す工程図である。
【図１９】ダイアフラム構造のフローセンサの製造方法を示す工程図である。
【図２０】従来の感熱式フローセンサの斜視図である。
【図２１】図２０に示す従来のフローセンサにおいて上流側測温体と下流側測温体の温度差の特性を示す図である。
【符号の説明】
１…基板、２…ブリッジ、３、３１、３２…ヒータ、４…流体温度計、
５、５１、５２…測温体、６…空洞部、７…未使用領域。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a flow sensor that detects a flow rate of a fluid.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, various flow sensors have been proposed in which a film-structured heater (heating element) and a temperature measuring element are provided on a semiconductor substrate and the flow rate of the fluid flowing through the heater and the temperature measuring element is measured (Japanese Patent Publication No. 6-6). 43906, JP-A-7-174600, JP-A-9-243423, etc.).
[0003]
FIG. 20 shows an example of a conventional flow sensor. A hollow portion 6 is formed in the substrate 1, and a bridge 2 having a thin film structure is provided on the hollow portion 6 so as to bridge the hollow portion 6. In the bridge 2, the heater 3 is formed in the center, and an upstream temperature measuring body 51 and a downstream temperature measuring body 52 are formed on both sides thereof. A fluid thermometer 4 for detecting the temperature of the fluid is formed on the upstream side of the fluid flow indicated by the white arrow in the figure on the substrate 1 other than the bridge 2.
[0004]
In such a flow sensor, the heater 3 is heated and driven so as to reach a temperature higher than the fluid temperature obtained from the fluid thermometer 4. As the fluid flows, the upstream temperature sensing element 51 is deprived of heat and the temperature is lowered, and the downstream temperature sensing element 52 is heated by the heat from the heater 3 and the temperature rises. The fluid flow velocity is measured (detected) from the temperature difference of the side temperature measuring element 52.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In the flow sensor having the above-described structure, the temperature difference between the upstream temperature measuring body 51 and the downstream temperature measuring body 52 is as shown in FIG. As can be seen from FIG. 21, the linearity is good in the low flow rate region, but the linearity is deteriorated in the high flow rate region. This is because the upstream side temperature sensing element 51 is cooled to about the fluid temperature when the flow rate is increased, and the temperature change is less with respect to the flow rate, and the downstream side temperature sensing element 52 is cooled by the flow rather than the heating from the heater 3 by the flow. This is because the difference in temperature does not occur as a result. For this reason, the measurement is limited on the high flow rate side.
[0006]
The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to increase the measurement limit on the high flow rate side.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, the invention described in claim 1 includes a heating element and a temperature measuring element, and detects the flow rate of the fluid based on the measured value of the temperature measuring element when the heating element generates heat.,It was configured to change the temperature distribution of the heating element according to the flow rate of the fluidA flow sensor, wherein in a high flow rate region where the flow rate is greater than a predetermined threshold value, a heat generation amount in a portion close to the temperature sensing element in the heating element is larger than in a low flow rate region, and at least in a high flow rate region. In the above, the amount of heat generated by the heating element was increased step by step as the temperature measuring element was approached.It is characterized by that.
[0008]
  In the conventional one, the temperature distribution of the heating element was constant regardless of the flow rate, so the measurement limit was likely to occur on the high flow rate side, but the temperature distribution of the heating element was changed according to the flow rate as in this invention, If the temperature distribution to the temperature measuring element is increased when the flow rate becomes high, the measurement limit on the high flow rate side can be increased.In addition, at least in the high flow rate region, the heat generation amount of the heating element is increased stepwise as it approaches the temperature measuring body, so that the measurement limit of the flow rate can be increased while reducing waste of power consumption.
[0009]
The heating element and the temperature measuring element are arranged on the upstream side of the heating element, or the temperature measuring element is arranged on the downstream side of the heating element, or the temperature measuring element It can take the form of being arranged on both sides of the heating element. Further, the heating element and the temperature measuring element are preferably formed in a thin-film bridge or diaphragm provided on a substrate having a cavity.
[0013]
  Claims2As in the invention described in, the heating element of the heating element according to the flow rate of the fluid,InsideTemperature distributionIs not uniformBy doing so, it is possible to increase the linearity of the temperature of the temperature measuring element.
[0014]
  Claims3The intermediate terminal of the heating element as in the invention described inControl voltage applied to at least three or more terminalsBy doing so, it is possible to change the temperature distribution of the heating element while reducing the power consumption as compared with the case where the heating value of the entire heating element is increased.
[0015]
  The temperature measuring element and heating element described above are claimed in the claims.4As in the invention described in 1, the wiring pattern of one continuous resistorDifferent parts insideCan be formed. In this case, the claim5If a plurality of terminals are connected to the wiring pattern of the resistor and the plurality of terminals are selected, the resistor is used as a heating element and a temperature measuring element. The parts can be used properly after production.
[0016]
  Claims6As in the invention described in (1), if a part of the wiring pattern of the resistor is set as an unused area, power consumption can be reduced.
[0017]
  Claims7As described in the invention described above, the heating element can be formed by one continuous resistor wiring pattern, and a part thereof can be used as an unused area. Also in this case, the power consumption can be reduced by setting a part of the wiring pattern of the resistor as an unused area. Claims8If a plurality of terminals are connected to the wiring pattern of the resistor and the plurality of terminals are selected, the resistor is used as a part for use as a heating element and as an unused area. It can be properly used for the part to be used after manufacturing.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
FIG. 1 is a perspective view of a thermal flow sensor according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG.
[0024]
As shown in FIGS. 1 and 2, a cavity 1 is formed in a substrate 1 (for example, a semiconductor substrate using Si), and a bridge 2 is provided with an electrically insulating film so as to bridge the cavity 6. ing. In the bridge 2, a heater 3 that forms a heating element is formed at the center, and a temperature measuring body 5 is formed on one side of the heater 3. The heater 3 and the temperature measuring body 5 are formed of a metal film such as Pt. Further, a fluid thermometer 4 for detecting the temperature of the fluid is formed on the upstream side of the flow of the fluid (for example, air) indicated by the white arrow in the drawing on the substrate 1. Note that TR 1, TR 2, T 1, T 2, H 1, Hm 1, and H 2 in the figure indicate electrode terminals of the fluid thermometer 4, the temperature measuring body 5, and the heater 3, respectively.
[0025]
The flow sensor according to the first embodiment has one temperature measuring element 5 and one heater 3, and the temperature measuring element 5 is disposed upstream of the heater 3 (hereinafter, upstream two-wire flow). Sensor).
[0026]
The fluid thermometer 4 described above is formed of metal wiring, and the temperature is measured from the resistance value fluctuation. Based on the fluid temperature measured by the fluid thermometer 4, the heater 3 is controlled to be heated so as to be higher than the fluid temperature by ΔT. Specifically, the voltage applied to both terminals H1 and H2 of the heater 3 is controlled by a control circuit (not shown). Usually, the heater 3 is heated by the Joule heat of the current flowing through the heater 3 by applying a voltage to the both terminals H1 and H2. The value of ΔT described above is a temperature of about 200 ° C., for example.
[0027]
Then, under such heating control of the heater 3, in a processing circuit (not shown), the temperature measured by the upstream temperature sensing element 5 (the measured value of the upstream temperature sensing element 5, that is, the resistance value of the upstream temperature sensing element 5 is obtained. The flow rate of the fluid is measured (detected) based on the difference between the measured temperature and the temperature measured by the fluid thermometer 4.
[0028]
Here, when there is no wind, as shown in FIG.₀When the flow rate is low, the temperature T is measured by the upstream temperature sensing element 5 as shown in FIG._LWhen the flow rate is high, the temperature T is measured by the upstream temperature measuring element 5 as shown in FIG._HIs measured. However, the temperature T measured at high flow rates_HIs the temperature T measured at low flow rates_LBecause it is lower, its measurement is limited. The measurement limit of the flow rate of such a flow sensor is determined by the fact that the upstream temperature sensing element 5 is cooled to about the fluid temperature and the temperature does not change with respect to the flow velocity.
[0029]
Therefore, in this embodiment, the heater 3 is provided with the intermediate terminal Hm1, and the voltage applied to the intermediate terminal Hm1 is controlled to increase the measurement limit of the flow rate.
[0030]
That is, in a region where the flow rate is lower than a certain threshold value (hereinafter referred to as a low flow rate region), the intermediate terminal Hm1 is set to a voltage such that the current of the entire floating or heater 3 is uniform, for example, as in a normal case. A uniform current flows through the entire heater 3. In this case, whether or not the flow rate is lower than a certain threshold value can be determined by whether or not the temperature measured by the temperature measuring body 5 is higher than a certain threshold value, for example.
[0031]
Further, in a high region where the flow rate is equal to or higher than a certain threshold (hereinafter referred to as a high flow region), a predetermined voltage is applied to the intermediate terminal Hm1, thereby changing the temperature distribution of the heater 3 so increase. Here, the flow rate measurement limit occurs when the temperature of the temperature sensing element 5 is cooled to near the fluid temperature, so the temperature of the upstream portion of the heater 3 is increased (that is, the measurement temperature at the time of high flow rate is shown in FIG. T) as shown in_HBy increasing it to ', the measurement limit of the flow rate can be increased.
[0032]
In this case, on the processing circuit side that performs flow rate detection, in consideration of the voltage application state to the intermediate terminal Hm1, the flow rate can be accurately detected in both cases of low flow rate and high flow rate. In the embodiment described below, when a voltage is applied to the intermediate terminal to increase the measurement limit on the high flow rate side, the flow rate detection is performed in consideration thereof.
[0033]
In the embodiment described above, the heater 3 is provided with the intermediate terminal Hm1 to increase the flow rate measurement limit. However, when the flow rate exceeds a certain threshold, the voltage applied to both ends H1 and H2 of the heater 3 is increased. Then, the current flowing through the entire heater 3 may be increased to raise the temperature of the entire heater 3. Even if it does in this way, since it can prevent that the upstream temperature sensing element 5 is cooled, the measurement limit of flow volume can be raised. However, if this method is compared with the method using the intermediate terminal Hm1, the method using the intermediate terminal Hm1 is preferable because the method using the intermediate terminal Hm1 consumes less power.
[0034]
In the above-described embodiment, the current flowing through the entire heater 3 is made constant and the temperature distribution of the heater 3 is made almost uniform in the low flow rate region. However, the temperature distribution of the heater 3 is changed. Also good. For example, the ratio of the voltage between the upstream terminal H1 and the intermediate terminal Hm1 and the voltage between the downstream terminal H2 and the intermediate terminal Hm1 is set so that the upstream temperature is lower than the downstream temperature even at a low flow rate. May be set to be higher. In this case, in the high flow rate region, the voltage between the upstream terminal H1 and the intermediate terminal Hm1, the downstream terminal H2 and the intermediate terminal are set so that the difference between the upstream temperature and the downstream temperature is further increased. The ratio of the voltage to Hm1 is changed. Specifically, the voltage between the upstream terminal H1 and the intermediate terminal Hm1 is made larger than the voltage between the downstream terminal H2 and the intermediate terminal Hm1.
[0035]
In the embodiment described above, one intermediate terminal Hm1 is provided. However, a plurality of intermediate terminals may be provided so that the temperature distribution at a high flow rate can be finely controlled. FIG. 4 shows an example in which a plurality of intermediate terminals Hm1, Hm2, and Hm3 are provided. In this case, the amount of heat generated between the voltage terminals gradually decreases from the upstream side to the downstream side at a high flow rate, in other words, the amount of heat generated by the heater 3 is controlled to increase stepwise toward the temperature measuring body 5. Thus, the measurement limit of the flow rate can be increased while reducing waste of power consumption. The same control may be performed not only at a high flow rate but also at a low flow rate.
[0036]
In the above-described control, the voltage applied to the intermediate terminal may be finely controlled so that the linearity of the temperature of the temperature measuring element 5 with respect to the flow rate becomes the best. Here, raising the linearity of the temperature of the temperature sensing element 5 has the following merit. Generally, a flow sensor is required to detect fluid pulsation. Pulsation means that the flow rate of fluid changes periodically. The merit of linearity will be described with reference to FIG. 5 showing the behavior of the flow sensor when pulsation exists.
[0037]
Since an actual flow sensor always has a response delay, the signal is always less than the change in flow rate due to actual pulsation (the detected amplitude is smaller than the amplitude of the pulsation). At this time, it is important to correctly detect the average flow rate of pulsation. This is because if the average flow rate of pulsation can be detected correctly, the total flow rate of the flowing fluid can be detected correctly. FIG. 5A shows characteristics when the temperature is proportional to the flow rate. In this case, the actual average flow rate matches the apparent average flow rate (average flow rate detected by the sensor). FIG. 5B shows characteristics when the temperature is not proportional to the flow rate. In this case, the apparent average flow rate is lower than the actual average flow rate. The apparent average flow rate is lower than the actual average flow rate because the temperature-flow rate curve is convex upward. Conversely, when the temperature-flow rate curve is convex downward, the apparent average flow rate exceeds the actual average flow rate. Therefore, a linear flow sensor in which the temperature is proportional to the flow rate is preferable.
[0038]
It should be noted that the temperature distribution on the heater 3 is not strictly constant when the flow rate is 0, and is highest near the center and lowest at the end. However, the temperature distribution can be made uniform by using the multi-terminal resistor structure described above. That is, the temperature distribution can be made uniform by setting the voltage slightly higher at only the end portions of many resistors and setting the heat generation amount at the end portions to be larger than the heat generation amount at the central portion.
[0039]
Note that the flow sensor is not limited to a bridge structure, and has a diaphragm structure having a diaphragm 20 as shown in FIGS. 6 and 7 (cross-sectional view taken along line BB in FIG. 6). May be. In the following embodiments, a flow sensor having a bridge structure will be described, but it is possible to change it to a diaphragm structure.
(Second Embodiment)
In the above-described first embodiment, the temperature measuring body 5 is provided on the upstream side of the heater 3. However, as shown in FIG. 8, the temperature measuring body 5 is provided on the downstream side of the heater 3 and one temperature measurement is performed. It is good also as what has the body 5 and the one heater 3, and the temperature measuring body 5 is arrange | positioned downstream from the heater 3 (henceforth a downstream 2 wire type flow sensor).
[0040]
When the temperature measuring body 5 is arranged downstream of the heater 3 as in this embodiment, the cooling effect of the temperature measuring body 5 by the flow is greater than the effect of the heat of the heater 3 heating the temperature measuring body 5 by the flow. As this becomes larger, the measurement limit of the flow rate on the high flow rate side is determined. Therefore, in this embodiment, the following control is performed.
(1) In the low flow rate region, as in the first embodiment, the intermediate terminal Hm1 is set to a voltage, for example, that is floating or the current of the entire heater 3 becomes uniform, and a uniform current flows through the entire heater 3. .
(2) In the high flow rate region, a voltage is applied to the intermediate terminal Hm1 to raise the temperature of the downstream portion of the heater 3. As a result, heating in the vicinity of the temperature sensing element 5 can be increased, and the measurement limit can be increased.
(Third embodiment)
In the first and second embodiments described above, the temperature measuring body 5 is positioned upstream and downstream of the heater 3, but the temperature measuring body 5 can be arranged at other positions. For example, as shown in FIG. 9, the temperature measuring body 5 may be disposed directly beside the heater 3. The control method in this case is the same as in the first embodiment.
(Fourth embodiment)
In the first to third embodiments, the two-wire flow sensor having one temperature measuring body 5 and one heater 3 is shown. However, the temperature sensor has two temperature measuring bodies and one heater, and two temperature measuring elements are provided. The body may be disposed upstream and downstream of the heater (hereinafter referred to as a three-wire flow sensor).
[0041]
FIG. 10 is a perspective view of a three-wire flow sensor according to this embodiment.
[0042]
On the basis of the fluid temperature measured by the fluid thermometer 4, the heater 3 is controlled to be heated so as to be higher than the fluid temperature by ΔT. Under such heating control of the heater 3, the flow rate of the fluid is determined based on the difference between the temperature measured by the upstream temperature measuring body 51 and the temperature measured by the downstream temperature measuring body 52 in a processing circuit (not shown). Measured.
[0043]
In the case of the three-wire flow sensor according to this embodiment, the flow rate measurement limit is that the temperature of the upstream temperature measuring body 51 is cooled to near the fluid temperature, and the cooling of the downstream temperature measuring body 52 by the flow is downstream by the heater 3. It is determined by exceeding the heating of the temperature measuring body 52. Therefore, in this embodiment, the following control is performed.
(1) In the low flow rate region, the intermediate terminals Hm1, Hm2, and Hm3 are floated, for example, so that a uniform current flows through the heater 3 as in the normal case.
(2) In the high flow rate region, by applying a predetermined voltage to the upstream intermediate terminal Hm1 and the downstream intermediate terminal Hm3, the temperature distribution of the heater 3 is changed, and the temperatures of the upstream and downstream portions of the heater 3 are increased. As described above, the flow rate measurement limit is that the temperature of the upstream temperature measuring body 51 is cooled to near the fluid temperature, and the cooling of the downstream temperature measuring body 52 by the flow causes the heating of the downstream temperature measuring body 52 by the heater 3. Therefore, the measurement limit of the flow rate can be increased by increasing the temperatures of the upstream and downstream portions of the heater 3.
[0044]
In the above-described embodiment, the temperature measuring bodies 51 and 52 are positioned upstream and downstream. However, if the two temperature measuring bodies 51 and 52 are not completely in a state of being directly next to the flow, the temperature measuring body 51 , 52 can be arranged at positions other than those shown in FIG.
(Fifth embodiment)
In this embodiment, as shown in FIG. 11, when the heater 3 is provided with a large number of terminals H1 to H13 and the maximum usable voltage is Vmax [V], the terminals H1, H3, H5, H7, H9, H11 , H13 is applied with a potential of Vmax [V], and a potential of 0 V is applied to the terminals H2, H4, H6, H8, H10, and H12.
[0045]
When the total resistance value of the heater 3 is R [Ω], when a voltage of Vmax [V] is applied to both ends of the heater 3 (H1 and H12 shown in FIG. 11) as in the prior art, the flowing current is Vmax. / R [A], calorific value is Vmax²/ R [W]. However, when a large number of intermediate terminals are provided and the resistor is divided into n equal parts (12 equal parts in FIG. 11) as shown in FIG. 11, the flowing current is n × Vmax / R [A], and the heat generation amount. Is n²× Vmax²/ R [W], and the current value and the calorific value are simply n times that when voltage is applied to both ends H1 and H12, n²Doubled.
[0046]
Accordingly, when a sufficient current can be obtained and the maximum voltage is limited, the temperature of the heater 3 can be increased by providing a large number of terminals as in this embodiment, and a high flow rate can be obtained. The measurement limit on the side can be increased.
(Sixth embodiment)
As in the fifth embodiment described above, a resistor formed by one continuous wiring pattern and having a large number of terminals H1 to H13 can be regarded as a plurality of resistors. Therefore, any one of the plurality of resistors can be used as a heater, and any other resistor can be used as a temperature measuring body. Therefore, in this embodiment, as shown in FIG. 12, some resistors on the upstream side are used as the temperature measuring element 5, and some resistors on the downstream side are used as the heater 3. The unused area 7 in the figure may or may not be present.
[0047]
In this case, the terminal H1 is used as the measuring terminal of the temperature measuring element 5, and in the low flow rate region, the terminal H3 is set to 0V, the terminal H11 is set to Vmax, and the other terminals are floated to detect the flow rate. If, for example, a voltage of 2/3 Vmax is applied to the terminal H7 with respect to the state of the region, it is possible to perform flow rate detection with an increased flow rate measurement limit, as in the first embodiment.
[0048]
Similarly, as shown in FIG. 13, the downstream side can be used as the temperature measuring body 5 and the upstream side can be used as the heater 3. In this case, the terminal H13 is used as a measurement terminal of the temperature sensing element 5, the terminal H3 is set to Vmax, the terminal H11 is set to 0V in the low flow rate range, and the other terminals are floated to detect the flow rate. In the high flow rate range, the low flow rate is set. For example, if a voltage of 2/3 Vmax is applied to the terminal H7 in the region state, the flow rate detection with the flow rate measurement limit raised can be performed as in the second embodiment.
[0049]
Similarly, the downstream and upstream sides can be temperature measuring elements, and the middle part can be a heater. If it does in this way, it will become a controllable flow sensor similarly to 4th Embodiment.
[0050]
The control methods in these cases are the same as those in the first to fourth embodiments, respectively. However, in this embodiment, there is a merit that the length and the positional relationship between the temperature measuring body 5 and the heater 3 can be changed after manufacturing. .
[0051]
For example, in a two-wire flow sensor having an upstream temperature sensor 5, when it is desired to measure only a low-speed and low-flow rate, it is known that the width of the heater 3 may be narrow, so as shown in FIG. Resistors are distributed from the upstream side such as the temperature measuring element 5, the heater 3, and then the unused area 7. In this case, since the resistor far from the temperature sensing element 5 is not used as the heater 3 in the unused area 7, waste of power consumption can be saved. On the other hand, when it is desired to measure including a high flow rate, the unused region 7 is reduced or eliminated, the width of the heater 3 is increased as much as possible, or the same control as in the first embodiment is performed. The measurement limit can be increased.
[0052]
Moreover, the unused area | region 7 can also be utilized for judging deterioration (for example, self-diagnosis) of the heater 3. FIG. That is, if the terminals H1 to H13 are arranged at the same interval and the resistors have the same width, the resistors should have the same resistance value. Accordingly, if the unused area 7 does not deteriorate, it can be determined whether the heater 3 has deteriorated by obtaining the difference between the resistance values of the unused area 7 and the heater 3. Moreover, even if it does not arrange | position each terminal H1-H13 at the same space | interval, or makes a resistor the same width, if the resistance value of the unused area | region 7 and the heater 3 is compared by the arithmetic processing by the processing circuit side, Deterioration of the heater 3 can be detected. Even if the unused area 7 is not used, it is also possible to detect the deterioration of the heater 3 by comparing the resistance values of the heater 3 and the temperature measuring element 5.
[0053]
In the above-described embodiment, the temperature measuring body 5 may be formed by another resistance wire. For example, the embodiment shown in FIG. 12 may be configured as shown in FIG. In this case, although it becomes the structure similar to 1st Embodiment, it becomes possible to set the unused area | region 7 after manufacture, and it can be used as a flow sensor without wasteful power consumption according to a use purpose.
(Seventh embodiment)
In this embodiment, as shown in FIG. 15, the resistor is composed of a large number of terminals H <b> 1 to H <b> 21, and the first heater 31, the temperature sensor 5, the second heater 32, and the unused area 7 are arranged from the upstream side. It has become. This flow sensor works in the same way as the upstream two-wire flow sensor.
[0054]
The feature of this embodiment resides in that the heater 31 exists further upstream of the temperature sensing element 5. As a result, it is possible to prevent the temperature of the temperature sensing element 5 from dropping to the same level as the fluid temperature in the high flow rate range, and to increase the measurement limit on the high flow rate side.
[0055]
Furthermore, when increasing the measurement limit on the high flow rate side, the same control as in the first embodiment may be performed. For example, the terminal H4 is used as a measurement terminal of the temperature sensing element 5, in the low flow rate range, the terminals H1 and H15 are set to 0V, the terminals H3 and H5 are set to Vmax, and the other terminals are floated to detect the flow rate. If, for example, a voltage of 1/2 Vmax is applied to the terminal H9 in the low flow rate state, the flow rate detection with the flow rate measurement limit raised can be performed as in the first embodiment.
[0056]
This embodiment is applicable not only to the upstream two-wire flow sensor but also to the downstream two-wire heater as shown in FIG. In this case, the terminal H18 is used as the measurement terminal of the temperature measuring element 5, and in the low flow rate range, the terminals H17 and H19 are set to Vmax, the terminals H7 and H21 are set to 0V, and the other terminals are floated to detect the flow rate. If, for example, a voltage of 1/2 Vmax is applied to the terminal H13 in the low flow rate state, the flow rate detection with the flow rate measurement limit raised can be performed as in the second embodiment.
[0057]
Note that the heaters 31 and 32 do not necessarily have to be wider in the heater 32 (or 31), and the width can be arbitrarily set.
(Eighth embodiment)
In the seventh embodiment described above, what is applied to the two-wire heater is shown, but the present invention can be similarly applied to a three-wire heater. A planar configuration of the flow sensor in this case is shown in FIG.
[0058]
As shown in the figure, the flow sensor according to this embodiment is composed of a resistor having a large number of terminals H1 to H21, and from the upstream side, the first heater 31, the upstream temperature measuring body 51, the second heater 32, The downstream temperature measuring body 52, the third heater 33, and the unused area 7 are formed. This flow sensor works in the same way as a three-wire flow sensor.
[0059]
The feature of this embodiment is that, in addition to the heater 32, the heater 31 exists upstream of the upstream temperature measuring body 51 and the heater 33 exists downstream of the downstream temperature measuring body 52. As a result, in the high flow rate region, it is possible to prevent the temperature of the upstream temperature measuring body 51 and the downstream temperature measuring body 52 from dropping to the same level as the fluid temperature to some extent, and the measurement limit on the high flow rate side is reduced. It is possible to increase.
[0060]
Furthermore, when increasing the measurement limit on the high flow rate side, the same control as in the fourth embodiment may be performed. For example, the terminals H4 and H16 are used as measuring terminals of the temperature sensing element 5, and in the low flow rate range, the terminals H1, H15, and H17 are set to 0V, the terminals H3, H5, and H19 are set to Vmax, and the other terminals are floated to detect the flow rate. In the high flow rate region, for example, if a voltage of 2/3 Vmax is applied to the terminal H7 and a voltage of 1/2 Vmax is applied to the terminal H13 with respect to the state of the low flow rate region, as in the fourth embodiment, Flow rate detection can be performed with an increase in the flow rate measurement limit.
[0061]
In addition, the width of the heaters 31, 32, and 33 is not necessarily the widest width of the heater 32, and the width can be arbitrarily set.
(Flow sensor manufacturing method)
The flow sensor described above can be manufactured by a manufacturing method described below. Each embodiment described above represents the first embodiment because only the wiring patterns of the heater 3 (31, 32, 33), the fluid thermometer 4, and the temperature measuring element 5 (51, 52) are different. The manufacturing method will be described. FIG. 18 shows the manufacturing process.
[Step of FIG. 18A]
First, a single crystal silicon substrate is used as the semiconductor substrate 1, and a lower film 11 is formed thereon. This lower film 11 is made of Si._ThreeN_FourFilm and SiO₂A two-layer insulating film is formed by combining the films, and the stress generated in the lower film 11 is relieved by the combination of the compressive stress film and the tensile stress film. Thereafter, as a film constituting the heater 3, the fluid temperature film 4, and the temperature measuring body 5, a Pt film is deposited at 2000 ° C. by a vacuum vapor deposition machine. At that time, a Ti layer is deposited as an adhesive layer between the Pt film and the lower film 11 in a thickness of 50 mm. And it patterns to the shape of the heater 3, the fluid thermometer 4, and the temperature measuring body 5 by an etching. By this patterning, the terminals of the heater 3, the fluid thermometer 4, and the temperature measuring body 5 (illustrated as the electrode extraction portion 12 in the figure) are formed at the same time.
[Step of FIG. 18B]
Similar to the lower film 11, Si_ThreeN_FourFilm and SiO₂A two-layer upper film 13 made of a film is formed. Here, the heater 3 is arranged substantially at the center of the film structure, and the film configurations of the upper film 13 and the lower film 11 are arranged symmetrically with respect to the heater 3, so that the warp fluctuation does not occur even if the temperature changes. A structure strong against heat stress can be formed. And the area | region which forms the cavity part 6, and the electrode extraction part 12 of the heater 3, the fluid thermometer 4, and the thermometer 5 are opened by an etching.
[Step of FIG. 18C]
After depositing 5000 Ａｕ of Au on the entire surface, etching is performed to form an etching protective film 14 so as to cover the electrode lead-out portion 12. This etching protective film 14 is used to protect the electrode lead-out portion 12 against the Si etching solution used in the next process and to enhance the adhesion with Au wiring when external wiring is used.
[Step of FIG. 18D]
Cavity 6 is formed by anisotropic etching of silicon from the surface side with a TMAH solution.
[0062]
As described above, the flow sensor shown in FIGS. 1 and 2 can be manufactured.
[0063]
When the flow sensor has a diaphragm structure as shown in FIGS. 6 and 7, it can be manufactured by the following manufacturing method. FIG. 19 shows the manufacturing process.
[Step of FIG. 19A]
Similarly to the process of FIG. 18A, the lower film 11 is formed on the silicon substrate 1, and the heater 3, the fluid temperature film 4, and the temperature measuring element 5 are formed thereon by patterning.
[Step of FIG. 19B]
Similar to the lower film 11, Si_ThreeN_FourFilm and SiO₂A two-layer upper film 13 made of a film is formed, and the heater 3, the fluid thermometer 4, and the electrode lead-out portion 12 of the temperature measuring body 5 are opened by etching. Further, a predetermined position of the film formed on the back surface of the silicon substrate 1 is removed by etching.
[Step of FIG. 19C]
The cavity 6 is formed by anisotropically etching the back side of the silicon substrate 1 until the lower film 11 is exposed.
[0064]
In this way, the flow sensor shown in FIGS. 6 and 7 can be manufactured.
[0065]
In the manufacturing method shown in FIGS. 18 and 19, polysilicon, NiCr, TaN, SiC, W, or the like is used in addition to the Pt film as the film for forming the heater 3, the fluid thermometer 4, and the temperature measuring element 5. be able to. In addition, as the lower film 11 and the upper film 13, any film that can protect the heater 3 or the like can be used.₂, Al₂O_Three, Ta₂O_FiveA single film or a multilayer film such as an MgO film can be used. Further, the etching protective film 14 is not necessarily required if the exposed electrode lead-out portion 12 is resistant to the etching solution, and other materials can be used as long as they are resistant to etching and can be bonded to the connection wiring. It may be. In addition, the etching for forming the cavity 6 may be other than anisotropic etching using a TMAH solution as long as the cavity 6 can be formed.
[0066]
In the various embodiments described above, the flow sensor can be applied to the detection of the flow rate of various fluids in addition to the detection of the flow rate of a gas such as air. Further, although the wirings such as the heater 3 and the temperature sensing element 5 are shown on the bridge 2 or the diaphragm 20, they are not directly provided on the substrate 1 even if the bridge structure or the diaphragm structure is not necessarily used. May be arranged.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view of a thermal flow sensor according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
FIG. 3 is a diagram showing temperatures measured at no flow, low flow, and high flow.
FIG. 4 is a diagram showing an embodiment in which a plurality of intermediate terminals are provided in the embodiment shown in FIG. 1;
FIG. 5 is a diagram showing the behavior of the flow sensor when pulsation exists.
6 is a perspective view of a thermal flow sensor having a diaphragm structure having the bridge structure shown in FIG. 1. FIG.
7 is a cross-sectional view taken along line BB in FIG.
FIG. 8 is a plan view of a thermal flow sensor according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a plan view of a thermal flow sensor according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a perspective view of a thermal flow sensor according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a diagram showing a planar configuration of a bridge portion of a thermal flow sensor according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a diagram showing a planar configuration of a bridge portion of a thermosensitive flow sensor according to a sixth embodiment of the present invention in which an upstream side is a temperature measuring body and a downstream side is used as a heater.
FIG. 13 is a diagram showing a planar configuration of a bridge portion of a thermal flow sensor according to a sixth embodiment of the present invention, in which the downstream side is a temperature measuring element and the upstream side is used as a heater.
14 is a diagram showing an example in which a temperature measuring element is formed by another resistance wire with respect to the embodiment shown in FIG.
FIG. 15 is a diagram showing a planar configuration of a bridge portion of a thermal flow sensor according to a seventh embodiment of the present invention, which is applied to an upstream two-wire flow sensor.
FIG. 16 is a diagram showing a planar configuration of a bridge portion of a thermal flow sensor according to a seventh embodiment of the present invention, which is applied to a downstream two-wire flow sensor.
FIG. 17 is a diagram showing a planar configuration of a bridge portion of a thermal flow sensor according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 18 is a process diagram showing a method of manufacturing a flow sensor having a bridge structure.
FIG. 19 is a process diagram showing a manufacturing method of a flow sensor having a diaphragm structure.
FIG. 20 is a perspective view of a conventional thermal flow sensor.
FIG. 21 is a diagram showing a characteristic of a temperature difference between the upstream side temperature sensor and the downstream side temperature sensor in the conventional flow sensor shown in FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Board | substrate, 2 ... Bridge, 3, 31, 32 ... Heater, 4 ... Fluid thermometer,
5, 51, 52 ... temperature measuring element, 6 ... cavity, 7 ... unused area.

Claims

Having a heating element and temperature sensing element, to detect the flow rate of the fluid based on the measured value of the temperature sensing element at the time of heat generation of the heating element, the temperature distribution of the heating element in accordance with the flow rate of the fluid A flow sensor configured to change ,
In the high flow rate region where the flow rate is greater than a predetermined threshold, the calorific value of the portion close to the temperature sensing element in the heating element is increased compared to the low flow rate region, and at least in the high flow rate region, A flow sensor characterized in that the amount of heat generated by a heating element increases stepwise as it approaches the temperature measuring element .

2. The flow according to claim 1 , wherein the temperature distribution inside the heating element is not uniform according to the flow rate of the fluid so that the measurement value of the temperature measuring element is proportional to the flow rate. Sensor.

The heating element has an intermediate terminal in addition to both terminals to which a voltage is applied, and is configured to change the temperature distribution of the heating element by controlling the voltage applied to at least three or more terminals . The flow sensor according to claim 1 or 2 , wherein

The flow sensor according to any one of claims 1 to 3 , wherein the temperature measuring element and the heating element are formed at different portions in a wiring pattern of one continuous resistor.

A plurality of terminals are connected to the wiring pattern of the resistor, and the plurality of terminals are selectively used for the heating element and the temperature measuring element, and the heating element and the temperature measuring instrument are used. The flow sensor according to claim 4 , wherein a body is formed at different portions in the wiring pattern .

Flow sensor according to claim 4 or 5 part of the wiring pattern of the resistor, characterized in that has a unused area passes no current.

2. The heating element is formed by a wiring pattern of one continuous resistor, and a part of the wiring pattern of the resistor is an unused area where no current flows. Or the flow sensor of 2 .

Wherein the wiring pattern of the resistor, a plurality of terminals are connected, according to claim 7, wherein the plurality of terminals, characterized in that it selectively used for the the heating element and for the unused area The flow sensor described in 1.