JPH0476412B2 - - Google Patents
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- JPH0476412B2 JPH0476412B2 JP60012064A JP1206485A JPH0476412B2 JP H0476412 B2 JPH0476412 B2 JP H0476412B2 JP 60012064 A JP60012064 A JP 60012064A JP 1206485 A JP1206485 A JP 1206485A JP H0476412 B2 JPH0476412 B2 JP H0476412B2
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- heating element
- semiconductor substrate
- fluid
- flow velocity
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
- G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
- G01F1/684—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
- G01F1/6845—Micromachined devices
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
- G01P5/10—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring thermal variables
- G01P5/12—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring thermal variables using variation of resistance of a heated conductor
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Description
【発明の詳細な説明】
［産業上の利用分野］
本発明は流速検出用半導体センサ、特に流体の
流速を電気的に検出するセンサの改良に関する。
流速を電気的に検出するセンサの改良に関する。
［従来の技術］
流体の流速を検出するセンサとして、従来より
半導体基板上に発熱体を設けた流速検出用半導体
センサが周知であり、このセンサは、流体の流速
に応じて変化する発熱体からの放熱量を電気的に
測定した流速を検出することができることから、
気体または液体等の流速測定に幅広く用いられて
いる。
半導体基板上に発熱体を設けた流速検出用半導体
センサが周知であり、このセンサは、流体の流速
に応じて変化する発熱体からの放熱量を電気的に
測定した流速を検出することができることから、
気体または液体等の流速測定に幅広く用いられて
いる。
［発明が解決しようとする問題点］
しかし、従来のセンサは、発熱体とシリコン基
板とが熱的に遮蔽されておらず、シリコン基板や
センサのマウント部分が発熱体に対し熱容量の大
きな熱負荷となつて作用してしまうため、発熱体
の発熱量は流速に敏感に反応して変化せず、応答
性の良い正確な測定を行うことができないという
欠点があつた。
板とが熱的に遮蔽されておらず、シリコン基板や
センサのマウント部分が発熱体に対し熱容量の大
きな熱負荷となつて作用してしまうため、発熱体
の発熱量は流速に敏感に反応して変化せず、応答
性の良い正確な測定を行うことができないという
欠点があつた。
更に、前記発熱体が設けられたシリコン半導体
基板は、極めて熱伝導率が良い材料であるため、
従来のようにシリコン半導体基板上に発熱体を設
けると、シリコン半導体基板全体が加熱されてし
まい、このため、温度変化に敏感な半導体で構成
されるセンサの周辺回路を発熱体の同一の半導体
基板上に設けることができず、センサを集積化す
ることができないという問題があつた。
基板は、極めて熱伝導率が良い材料であるため、
従来のようにシリコン半導体基板上に発熱体を設
けると、シリコン半導体基板全体が加熱されてし
まい、このため、温度変化に敏感な半導体で構成
されるセンサの周辺回路を発熱体の同一の半導体
基板上に設けることができず、センサを集積化す
ることができないという問題があつた。
発明の目的
本発明は、このような従来の課題に鑑み為され
たものであり、その目的は、流速を応答性良く正
確に測定することができ、かつ回路の集積度の高
い流速検出用半導体センサを提供することにあ
る。
たものであり、その目的は、流速を応答性良く正
確に測定することができ、かつ回路の集積度の高
い流速検出用半導体センサを提供することにあ
る。
［問題点を解決するための手段］
本発明のセンサは、半導体基板上に通電発熱体
を設け、この発熱体の発熱量に基づき流体の流速
を検出する流速検出用半導体センサにおいて、半
導体基板と通電発熱体との間に熱伝達を遮蔽する
熱絶縁体を設け、発熱体からの熱伝達が遮蔽され
た半導体基板上にセンサの周辺回路を設けること
を特徴とする。
を設け、この発熱体の発熱量に基づき流体の流速
を検出する流速検出用半導体センサにおいて、半
導体基板と通電発熱体との間に熱伝達を遮蔽する
熱絶縁体を設け、発熱体からの熱伝達が遮蔽され
た半導体基板上にセンサの周辺回路を設けること
を特徴とする。
ここにおいて、前記半導体基板は、例えば、シ
リコン、GaAs又はその他の半導体材料を用いて
形成することができる。
リコン、GaAs又はその他の半導体材料を用いて
形成することができる。
前記半導体基板は、一部を薄板構造とし、その
一部又は全部を熱絶縁体で構成することにより、
通電発熱体から基板への熱の遮蔽をより効果的に
できる。
一部又は全部を熱絶縁体で構成することにより、
通電発熱体から基板への熱の遮蔽をより効果的に
できる。
また、前記熱絶縁体は、各種熱絶縁材料を用い
て形成することが可能であるが、半導体基板とし
てシリコンを用いた場合には、この熱絶縁体とし
て多孔質シリコン酸化膜を用いることが好適であ
る。
て形成することが可能であるが、半導体基板とし
てシリコンを用いた場合には、この熱絶縁体とし
て多孔質シリコン酸化膜を用いることが好適であ
る。
これは、多孔質シリコン酸化膜は、熱伝導率が
シリコンの1/50〜1/100と小さく、熱絶縁体とし
て好適であるとともに、シリコン半導体基板内に
短時間で10ミクロン以上の厚みで形成され、極め
て優れた熱絶縁性能を発揮することができるため
である。
シリコンの1/50〜1/100と小さく、熱絶縁体とし
て好適であるとともに、シリコン半導体基板内に
短時間で10ミクロン以上の厚みで形成され、極め
て優れた熱絶縁性能を発揮することができるため
である。
また、この多孔質シリコン酸化膜は、電気絶縁
性にも優れているため、通電発熱体から半導体基
板への漏れ電流を極めて小さくすることができ、
更に通電発熱体の表面にスパツタ等でSi3N4等の
保護膜を形成するだけで発熱体を被測定流体から
電気的に良好に絶縁し導電性流体内でもその流速
測定を行うこのが可能となる。
性にも優れているため、通電発熱体から半導体基
板への漏れ電流を極めて小さくすることができ、
更に通電発熱体の表面にスパツタ等でSi3N4等の
保護膜を形成するだけで発熱体を被測定流体から
電気的に良好に絶縁し導電性流体内でもその流速
測定を行うこのが可能となる。
また、前記通電発熱体は、各種の発熱材料を用
いて形成することができる。例えば、前記熱絶縁
体を半導体基板内に選択的に形成する際に、熱絶
縁体の内部に基板の一部を選択的に残しておき、
これをそのまま通電発熱体として用いることがで
きる。また、これ以外にも熱絶縁体の内部に選択
的に残した半導体基板内に不純物拡散を行つて、
抵抗、トランジスタを形成し、これを通電発熱体
として用いることもできる。また、これ以外にも
基板に熱絶縁体を選択的に形成し、この表面に薄
膜抵抗や薄膜トラジスタを形成し、これを通電発
熱体として用いることも可能である。
いて形成することができる。例えば、前記熱絶縁
体を半導体基板内に選択的に形成する際に、熱絶
縁体の内部に基板の一部を選択的に残しておき、
これをそのまま通電発熱体として用いることがで
きる。また、これ以外にも熱絶縁体の内部に選択
的に残した半導体基板内に不純物拡散を行つて、
抵抗、トランジスタを形成し、これを通電発熱体
として用いることもできる。また、これ以外にも
基板に熱絶縁体を選択的に形成し、この表面に薄
膜抵抗や薄膜トラジスタを形成し、これを通電発
熱体として用いることも可能である。
［作用］
以上の構成とすることにより、本発明の半導体
センサを用いて流体の流速を測定する場合には、
まず、センサを被測定流体に設置し、その発熱体
を通電加熱する。ここにおいて、発熱体の周囲に
流体の流れが存在すると、この発熱体から奪われ
る熱量は流体の流速に応じて変動し、流体により
奪われる発熱体からの熱量は流速が大きい程大き
く、また流速が小さい程小さいものとなる。
センサを用いて流体の流速を測定する場合には、
まず、センサを被測定流体に設置し、その発熱体
を通電加熱する。ここにおいて、発熱体の周囲に
流体の流れが存在すると、この発熱体から奪われ
る熱量は流体の流速に応じて変動し、流体により
奪われる発熱体からの熱量は流速が大きい程大き
く、また流速が小さい程小さいものとなる。
従つて、本発明のセンサでは、発熱体の発熱量
を電気的に演算することにより、センサ周囲を流
れる流体の流速を測定することができる。
を電気的に演算することにより、センサ周囲を流
れる流体の流速を測定することができる。
このような流速検出時におけるセンサの応答特
性は、発熱体の熱負荷が小さい程高いものとな
る。本発明のセンサはこの発熱体と半導体基板と
が熱絶縁体により良好に熱絶縁されているため、
半導体基板及びそのマウントが発熱体に対し熱負
荷として作用せず発熱体の熱負荷が極めて小さい
ものとなる。すなわち、本発明のセンサでは、発
熱体からの放熱はほとんど全て被測定流体により
吸収されるため、発熱体の発熱量は流体の流速に
極めて応答性良く反応し流体の流速を高精度で測
定することが可能となる。
性は、発熱体の熱負荷が小さい程高いものとな
る。本発明のセンサはこの発熱体と半導体基板と
が熱絶縁体により良好に熱絶縁されているため、
半導体基板及びそのマウントが発熱体に対し熱負
荷として作用せず発熱体の熱負荷が極めて小さい
ものとなる。すなわち、本発明のセンサでは、発
熱体からの放熱はほとんど全て被測定流体により
吸収されるため、発熱体の発熱量は流体の流速に
極めて応答性良く反応し流体の流速を高精度で測
定することが可能となる。
更に、本発明のセンサでは、前述したように熱
絶縁体により発熱体と半導体基板とが良好に熱絶
縁されるため、半導体基板の温度センサの設置さ
れている周囲の流体の温度とほぼ等しくなり、従
来のセンサのように高温に加熱されることがな
い。このため、発熱体と同一の半導体基板上に、
温度変化に敏感で高温に弱いセンサの各種周辺回
路を設けることができ、センサの集積度を高める
ことが可能となる。
絶縁体により発熱体と半導体基板とが良好に熱絶
縁されるため、半導体基板の温度センサの設置さ
れている周囲の流体の温度とほぼ等しくなり、従
来のセンサのように高温に加熱されることがな
い。このため、発熱体と同一の半導体基板上に、
温度変化に敏感で高温に弱いセンサの各種周辺回
路を設けることができ、センサの集積度を高める
ことが可能となる。
このように、発熱体と同一の半導体基板状には
各種の周辺回路を必要に応じて適宜設けることが
可能であり、例えば、発熱体の駆動回路、センサ
出力の直線化回路、流体の温度や圧力を測定して
センサ出力を補償する流体温度補償回路及び流体
圧力補償回路を必要に応じ設けることが効果的で
ある。
各種の周辺回路を必要に応じて適宜設けることが
可能であり、例えば、発熱体の駆動回路、センサ
出力の直線化回路、流体の温度や圧力を測定して
センサ出力を補償する流体温度補償回路及び流体
圧力補償回路を必要に応じ設けることが効果的で
ある。
特に、センサの半導体基板上に前記補償回路を
設けることにより、流体の流速とその圧力及び温
度をほぼ同一測定点で同時に測定しセンサの出力
を補償することができるため、温度や圧力が複雑
に変化している流体に対してもその流速を正確に
測定することができる。このような効果は、半導
体技術を用いた微細加工によつて半導体センサを
小型化すればする程大きくなり、流体の温度や圧
力がより複雑に変化している場合でもその流速を
正確に測定することが可能となる。
設けることにより、流体の流速とその圧力及び温
度をほぼ同一測定点で同時に測定しセンサの出力
を補償することができるため、温度や圧力が複雑
に変化している流体に対してもその流速を正確に
測定することができる。このような効果は、半導
体技術を用いた微細加工によつて半導体センサを
小型化すればする程大きくなり、流体の温度や圧
力がより複雑に変化している場合でもその流速を
正確に測定することが可能となる。
尚、実際の測定においては、流体の圧力変化に
比し流体の温度変化がセンサの出力におよぼす影
響が極めて大きいため、周辺回路としては流体温
度補償回路を半導体基板上に設け、センサの集積
化を図ることが効果的である。
比し流体の温度変化がセンサの出力におよぼす影
響が極めて大きいため、周辺回路としては流体温
度補償回路を半導体基板上に設け、センサの集積
化を図ることが効果的である。
また、これ以外にも本発明のセンサでは、基板
として半導体を用いているため、前述以外にも各
種複雑な周辺回路を基板上に設けその集積度を高
めることが可能となる。
として半導体を用いているため、前述以外にも各
種複雑な周辺回路を基板上に設けその集積度を高
めることが可能となる。
［発明の効果］
以上説明したように、本発明によれば、半導体
基板と通電発熱体との間に熱絶縁体を設けること
により、発熱体の熱負荷を低減し流体の流速を高
感度で検出することが可能となり、しかも半導体
基板の温度上昇を有効に抑制し該基板上にセンサ
の各種周辺回路を設けセンサの集積度を高めるこ
とが可能となる。
基板と通電発熱体との間に熱絶縁体を設けること
により、発熱体の熱負荷を低減し流体の流速を高
感度で検出することが可能となり、しかも半導体
基板の温度上昇を有効に抑制し該基板上にセンサ
の各種周辺回路を設けセンサの集積度を高めるこ
とが可能となる。
［実施例］
次に本発明の好適な実施例を図面に基づき説明
する。
する。
第１実施例
構 成
第１図及び第２図には本発明にかかる流速検出
用半導体センサの好適な第１実施例が示されてお
り、実施例のセンサは、厚さ400ミクロンのＰ型
シリコン半導体基板１０の表面中央部に通電発熱
体１２を設け、更にこの発熱体１２と基板１０と
の間に厚さ50ミクロンの熱絶縁体１４を設けてい
る。
用半導体センサの好適な第１実施例が示されてお
り、実施例のセンサは、厚さ400ミクロンのＰ型
シリコン半導体基板１０の表面中央部に通電発熱
体１２を設け、更にこの発熱体１２と基板１０と
の間に厚さ50ミクロンの熱絶縁体１４を設けてい
る。
実施例において、前記熱絶縁体１４は、Ｐ型シ
リコン半導体基板１０を選択的に多孔質化した後
これを酸化して多孔質シリコン酸化膜とすること
により基板１０内に形成される。
リコン半導体基板１０を選択的に多孔質化した後
これを酸化して多孔質シリコン酸化膜とすること
により基板１０内に形成される。
また、本実施例において、前記通電発熱体１２
は、この熱絶縁体１４の表面中央に設けられた多
孔質化されていないＮ型シリコンをもつて形成さ
れている。
は、この熱絶縁体１４の表面中央に設けられた多
孔質化されていないＮ型シリコンをもつて形成さ
れている。
ここにおいて、前記熱絶縁体１４を形成する多
孔質シリコン酸化膜は従来より周知の方法により
形成することができるが、以下にその概略を説明
する。
孔質シリコン酸化膜は従来より周知の方法により
形成することができるが、以下にその概略を説明
する。
まず、Ｐ型シリコン半導体基板１０の表面を
HF溶液中に浸漬し、半導体基板１０を陽極、
HF溶液を負極として電流を流すと、Ｐ型シリコ
ン半導体基板の表面側に電流の経路に従つて多孔
質領域が形成される。この時、多孔質化を欲しな
い部分はSi3N4膜を形成しておくかあるいはＮ型
化しておけば良く、このようなSi3N4あるいはＮ
型化部分を適宜設けることにより、半導体基板１
０表面の選択的な多孔質化を行うことができる。
HF溶液中に浸漬し、半導体基板１０を陽極、
HF溶液を負極として電流を流すと、Ｐ型シリコ
ン半導体基板の表面側に電流の経路に従つて多孔
質領域が形成される。この時、多孔質化を欲しな
い部分はSi3N4膜を形成しておくかあるいはＮ型
化しておけば良く、このようなSi3N4あるいはＮ
型化部分を適宜設けることにより、半導体基板１
０表面の選択的な多孔質化を行うことができる。
なお、シリコン半導体基板１０の表面にＮ型領
域を設けた場合でも、十分長時間をかけて前記多
孔質化を行うことによりＮ型領域の下部をも多孔
質化することができる。
域を設けた場合でも、十分長時間をかけて前記多
孔質化を行うことによりＮ型領域の下部をも多孔
質化することができる。
従つて、本実施例のセンサは、予めＰ型シリコ
ン半導体基板１０の表面中央にＮ型シリコン領域
を発熱体１２として設けておき、このようにして
形成された半導体基板１０を前述したように十分
時間をかけて多孔質化しその後酸化することによ
り、発熱体１２とシリコン半導体基板１０との間
に多孔質シリコン酸化層からなる熱絶縁体１４を
所望の膜厚で形成することができる。
ン半導体基板１０の表面中央にＮ型シリコン領域
を発熱体１２として設けておき、このようにして
形成された半導体基板１０を前述したように十分
時間をかけて多孔質化しその後酸化することによ
り、発熱体１２とシリコン半導体基板１０との間
に多孔質シリコン酸化層からなる熱絶縁体１４を
所望の膜厚で形成することができる。
従つて、そのようにして形成された熱絶縁体１
４により通電発熱体１２から半導体基板１０への
熱伝達は効果的に遮蔽され、半導体基板１０の温
度上昇が防止される。
４により通電発熱体１２から半導体基板１０への
熱伝達は効果的に遮蔽され、半導体基板１０の温
度上昇が防止される。
また、本発明においては、このように発熱体１
２からの熱伝達が遮蔽された半導体基板１０の表
面に、センサ周辺回路としてのＮ型シリコン抵抗
１６が設けられている。このＮ型シリコン抵抗１
６は流体温度補償回路として用いられるものであ
り、その抵抗値は自己発熱することがないよう発
熱体１２の抵抗値より十分に大きく、実施例にお
いては約100倍程度の抵抗値をもつように形成さ
れている。更に、このＮ型シリコン抵抗１６の抵
抗温度係数は、流速の温度測定を効果的に行うこ
とができるよう発熱体１２の抵抗温度係数とほぼ
等しくなるよう形成されている。
２からの熱伝達が遮蔽された半導体基板１０の表
面に、センサ周辺回路としてのＮ型シリコン抵抗
１６が設けられている。このＮ型シリコン抵抗１
６は流体温度補償回路として用いられるものであ
り、その抵抗値は自己発熱することがないよう発
熱体１２の抵抗値より十分に大きく、実施例にお
いては約100倍程度の抵抗値をもつように形成さ
れている。更に、このＮ型シリコン抵抗１６の抵
抗温度係数は、流速の温度測定を効果的に行うこ
とができるよう発熱体１２の抵抗温度係数とほぼ
等しくなるよう形成されている。
そして、このようにして形成されたセンサの表
面には、発熱体１２及びＮ型シリコン抵抗１６へ
電気的に接続されたAIリード１８，２０が形成
されている。
面には、発熱体１２及びＮ型シリコン抵抗１６へ
電気的に接続されたAIリード１８，２０が形成
されている。
作 用
次に本発明のセンサを用いて行う流体の流速検
出動作を説明する。
出動作を説明する。
まず、本発明の検出センサを流体内に設置し、
発熱体１２の表面における温度が一定になるよう
に発熱体１２を通電加熱する。
発熱体１２の表面における温度が一定になるよう
に発熱体１２を通電加熱する。
この時、発熱体１２から奪われる熱量は流体１
００の流速ｖの１／ｎ乗に比例するため、この発
熱体１２から発生するジユール熱Ｑを電気的に演
算測定することにより流速ｖを測定することがで
きる。なお、ｎはセンサの形状等によつて決まる
定数である。
００の流速ｖの１／ｎ乗に比例するため、この発
熱体１２から発生するジユール熱Ｑを電気的に演
算測定することにより流速ｖを測定することがで
きる。なお、ｎはセンサの形状等によつて決まる
定数である。
ここにおいて、本発明のセンサは、発熱体１２
から半導体基板１０へ向け伝達する熱が熱絶縁体
１４により効果的に遮蔽されているため、発熱体
１２の熱負荷は極めて軽く発熱量は流体１００の
流速ｖに敏感に反応して変化する。従つて、本発
明のセンサによれば、流体１００の流速ｖを極め
て応答性良く正確に測定することができる。
から半導体基板１０へ向け伝達する熱が熱絶縁体
１４により効果的に遮蔽されているため、発熱体
１２の熱負荷は極めて軽く発熱量は流体１００の
流速ｖに敏感に反応して変化する。従つて、本発
明のセンサによれば、流体１００の流速ｖを極め
て応答性良く正確に測定することができる。
このとき、本実施例のセンサにおいては、熱絶
縁体１４が半導体基板１０内に設けられているた
め、基板１０の表面はほぼ滑かとなり流体１００
の流れを乱すことがないめ、流体１００の流速ｖ
を更に精度良く測定することができる。
縁体１４が半導体基板１０内に設けられているた
め、基板１０の表面はほぼ滑かとなり流体１００
の流れを乱すことがないめ、流体１００の流速ｖ
を更に精度良く測定することができる。
尚、このようにして発熱体１２から流体１００
により奪われる熱量Ｑに基づきその流速測定を行
う場合には、流体１００の温度が一定である場合
には奪われる熱量は流速と正確に対応するが、同
一の流速でも流体温度が変わると発熱体１２から
奪われる熱量が変動し正確な測定を行うことがで
きなくなる。
により奪われる熱量Ｑに基づきその流速測定を行
う場合には、流体１００の温度が一定である場合
には奪われる熱量は流速と正確に対応するが、同
一の流速でも流体温度が変わると発熱体１２から
奪われる熱量が変動し正確な測定を行うことがで
きなくなる。
従つて、このように流体温度が変化する場合に
は、発熱体１２の発熱温度を常に流体温度と一定
の温度差に制御することが必要となる。
は、発熱体１２の発熱温度を常に流体温度と一定
の温度差に制御することが必要となる。
このため、本実施例のセンサにおいては、半導
体基板１０の表面に温度センサとして機能するＮ
型シリコン抵抗１６を設けており、このシリコン
抵抗１６の検出する温度に基づき発熱体１２の通
電加熱量を制御し、その表面温度を流体温度と一
定の温度差となるようにしている。
体基板１０の表面に温度センサとして機能するＮ
型シリコン抵抗１６を設けており、このシリコン
抵抗１６の検出する温度に基づき発熱体１２の通
電加熱量を制御し、その表面温度を流体温度と一
定の温度差となるようにしている。
このようにすることにより、本実施例のセンサ
では、流体１００の流速ｖをその温度変化を考慮
して正確に測定することが可能となる。
では、流体１００の流速ｖをその温度変化を考慮
して正確に測定することが可能となる。
更に、本実施例のセンサでは、熱絶縁体１４に
より発熱体１２からの半導体基板１０へ向けた熱
の伝達が効果的に遮蔽されるため、半導体基板１
０の温度は流体の温度とほぼ等しいものとなる。
従つて、このような半導体基板状１０にセンサの
周辺回路として、例えば実施例のごとくＮ型シリ
コン抵抗１６を設けその集積度を高めた場合でも
このようなセンサ周辺回路の安定した動作を得る
ことが可能となる。
より発熱体１２からの半導体基板１０へ向けた熱
の伝達が効果的に遮蔽されるため、半導体基板１
０の温度は流体の温度とほぼ等しいものとなる。
従つて、このような半導体基板状１０にセンサの
周辺回路として、例えば実施例のごとくＮ型シリ
コン抵抗１６を設けその集積度を高めた場合でも
このようなセンサ周辺回路の安定した動作を得る
ことが可能となる。
次に定温度法を用いて本発明のセンサを駆動す
る駆動回路の具体的な実施例を説明する。
る駆動回路の具体的な実施例を説明する。
センサ駆動回路
第３図には、測定法として定温度法を用いたと
きのセンサの駆動回路が示されており、実施例の
駆動回路は、発熱体１２を形成するＮ型シリコン
抵抗R1と、流体温度補償回路１６として機能す
るＮ型シリコン抵抗R2と、抵抗R3、R4とにより
ブリツジ回路を構成しており、このブリツジ回路
の出力を増幅して該ブリツジ回路の電源とする差
動増幅器２０が図示のごとく接続され、フイード
バツク回路が形成されているものである。
きのセンサの駆動回路が示されており、実施例の
駆動回路は、発熱体１２を形成するＮ型シリコン
抵抗R1と、流体温度補償回路１６として機能す
るＮ型シリコン抵抗R2と、抵抗R3、R4とにより
ブリツジ回路を構成しており、このブリツジ回路
の出力を増幅して該ブリツジ回路の電源とする差
動増幅器２０が図示のごとく接続され、フイード
バツク回路が形成されているものである。
この構成の駆動回路は、ホツトワイヤやホツト
フイルムセンサの定温度差駆動回路として一般的
に周知のものであるが、以下にその動作を概略説
明する。
フイルムセンサの定温度差駆動回路として一般的
に周知のものであるが、以下にその動作を概略説
明する。
例えば本発明のセンサを被測定流体１００内に
設置し流速測定を行う場合には、センサ周囲の流
体の流速が増しセンサの発熱体１２、すなわちＮ
型シリコン抵抗R1から奪われる熱量が増え抵抗
R1の温度が下がると、その温度の低下が抵抗R1
の抵抗値の減少となつて現れ、この結果抵抗R1
と抵抗R3との接続部２２における電位が上昇す
る。
設置し流速測定を行う場合には、センサ周囲の流
体の流速が増しセンサの発熱体１２、すなわちＮ
型シリコン抵抗R1から奪われる熱量が増え抵抗
R1の温度が下がると、その温度の低下が抵抗R1
の抵抗値の減少となつて現れ、この結果抵抗R1
と抵抗R3との接続部２２における電位が上昇す
る。
この接続部２２は差動増幅器２０の正入力端子
に接続されているため、該増幅器２０の出力電圧
は上昇しブリツジ回路への入力電圧が上昇する。
に接続されているため、該増幅器２０の出力電圧
は上昇しブリツジ回路への入力電圧が上昇する。
これにより、発熱体１２へ加わる電圧が上昇
し、その分発熱体１２の発するジユール熱による
熱エネルギが上昇し、その抵抗R1の発熱温度が
上昇することになる。
し、その分発熱体１２の発するジユール熱による
熱エネルギが上昇し、その抵抗R1の発熱温度が
上昇することになる。
この結果、抵抗R1の抵抗値が上昇し流速が増
加する前の抵抗値に戻り、ブリツヂ回路が平衡す
ることになる。
加する前の抵抗値に戻り、ブリツヂ回路が平衡す
ることになる。
このようにして、実施例の駆動回路において
は、流体の流速が変動してもフイードバツク回路
の働きにより抵抗R1の発熱温度が一定に保たれ、
抵抗R1、すなわち発熱体１２から発生するジユ
ール熱の熱量Ｑは差動増幅器２０の出力電圧に対
応することになる。
は、流体の流速が変動してもフイードバツク回路
の働きにより抵抗R1の発熱温度が一定に保たれ、
抵抗R1、すなわち発熱体１２から発生するジユ
ール熱の熱量Ｑは差動増幅器２０の出力電圧に対
応することになる。
従つて、このようにして求めた差動増幅器２０
の出力に基づき流体の流速ｖを測定することがで
きる。
の出力に基づき流体の流速ｖを測定することがで
きる。
なお、以上が流体の温度が一定の場合の測定動
作であるが、流体１００の温度が変動する場合に
おいても抵抗R2の抵抗値の変化により、同様に
してその流速ｖを正確に測定することができる。
作であるが、流体１００の温度が変動する場合に
おいても抵抗R2の抵抗値の変化により、同様に
してその流速ｖを正確に測定することができる。
すなわち、実施例において、温度補償回路とし
て機能するＮ型シリコン抵抗１６の抵抗値R2は、
前述したように発熱体１２の抵抗値R1より十分
大きく設定してあるため、第３図に示すようなブ
リツヂ回路を形成しても抵抗１６は自己加熱しな
い。従つて、流体１００の温度が下がるとこの温
度の低下は抵抗R2の抵抗値の減少として現れ、
この結果抵抗R2とR4との接続部２４における電
位が上昇する。
て機能するＮ型シリコン抵抗１６の抵抗値R2は、
前述したように発熱体１２の抵抗値R1より十分
大きく設定してあるため、第３図に示すようなブ
リツヂ回路を形成しても抵抗１６は自己加熱しな
い。従つて、流体１００の温度が下がるとこの温
度の低下は抵抗R2の抵抗値の減少として現れ、
この結果抵抗R2とR4との接続部２４における電
位が上昇する。
ここにおいて、抵抗R2の抵抗温度係数は発熱
体１２として機能する抵抗R1の抵抗温度係数と
ほぼ等しく設定されているため、流体１００の温
度が低下することにより発生する各接続部２４，
２２における電位の上昇は一定の割合で発生す
る。実施例において、接続部２４は差動増幅器２
０の負入力端子に接続されているため、温度の低
下によつて発生する接続部２２の電位の上昇分は
接続部２４の電位の上昇分により打ち消され、差
動増幅器２０より出力されることになる。
体１２として機能する抵抗R1の抵抗温度係数と
ほぼ等しく設定されているため、流体１００の温
度が低下することにより発生する各接続部２４，
２２における電位の上昇は一定の割合で発生す
る。実施例において、接続部２４は差動増幅器２
０の負入力端子に接続されているため、温度の低
下によつて発生する接続部２２の電位の上昇分は
接続部２４の電位の上昇分により打ち消され、差
動増幅器２０より出力されることになる。
このようにして、実施例の駆動回路において
は、流体１００の温度が変動しても抵抗R2及び
フイードバツク回路の働きにより、発熱体１２の
発熱温度が流体１００の温度と常に一定の温度差
となるように保たれ、この結果、差動増幅器２０
からは流体１００の温度変化にかわりなく、常に
その流速ｖに対応した出力電圧Ｖを出力すること
ができる。
は、流体１００の温度が変動しても抵抗R2及び
フイードバツク回路の働きにより、発熱体１２の
発熱温度が流体１００の温度と常に一定の温度差
となるように保たれ、この結果、差動増幅器２０
からは流体１００の温度変化にかわりなく、常に
その流速ｖに対応した出力電圧Ｖを出力すること
ができる。
従つて、このようにして出力される電圧Ｖを演
算することにより、流体１００の流速ｖをその温
度変化にかかわりなく正確に測定することができ
る。
算することにより、流体１００の流速ｖをその温
度変化にかかわりなく正確に測定することができ
る。
第２実施例
第４図及び第５図には、本発明にかかる半導体
センサの好適な第２実施例が示されている。
センサの好適な第２実施例が示されている。
本発明の半導体センサにおいて、発熱体１２と
半導体基板１０との間の熱絶縁体を更に効果的に
行うためには、半導体基板１０の一部を薄板構造
に形成し、この薄板構造部の一部または全部を熱
絶縁体とすることが好適である。
半導体基板１０との間の熱絶縁体を更に効果的に
行うためには、半導体基板１０の一部を薄板構造
に形成し、この薄板構造部の一部または全部を熱
絶縁体とすることが好適である。
このために、本実施例の半導体センサは、表面
が正方形をした半導体基板１００の中央部をその
裏面側からエツチング加工し、その中央部にほぼ
正方形状をした薄板構造部３０を形成している。
が正方形をした半導体基板１００の中央部をその
裏面側からエツチング加工し、その中央部にほぼ
正方形状をした薄板構造部３０を形成している。
そして、この薄板構造部３０を、前記第１の実
施例と同様にして選択的に多孔質化した後、これ
を酸化して多孔質シリコン酸化層からなる熱絶縁
体１２を形成する。なお、この際薄板構造部３０
の表面中央部には、前記第１実施例と同様にして
Ｎ型シリコン抵抗を発熱体１２として予め形成し
ておき、このＮ型シリコン抵抗部以外の領域を熱
絶縁体１４として形成する。
施例と同様にして選択的に多孔質化した後、これ
を酸化して多孔質シリコン酸化層からなる熱絶縁
体１２を形成する。なお、この際薄板構造部３０
の表面中央部には、前記第１実施例と同様にして
Ｎ型シリコン抵抗を発熱体１２として予め形成し
ておき、このＮ型シリコン抵抗部以外の領域を熱
絶縁体１４として形成する。
以上の構成とすることにより、薄板構造部３０
が熱絶縁体１４へ伝達された熱の効果的な放熱フ
インとし機能し、発熱体１２から半導体基板１０
へ向けて伝達される熱を更に効果的に遮蔽するこ
とができる。
が熱絶縁体１４へ伝達された熱の効果的な放熱フ
インとし機能し、発熱体１２から半導体基板１０
へ向けて伝達される熱を更に効果的に遮蔽するこ
とができる。
更に、本実施例のセンサは、このように優れた
熱遮蔽特性を有することから、第５図に示すごと
く、熱絶縁体１４を形成する際に発熱体１２の下
部に位置するＰ型シリコン３６を多孔質化するこ
となく残していてもまた多孔質シリコン酸化膜の
厚みを前記第１実施例より薄く形成しても充分な
熱絶縁性能を発揮することができる。
熱遮蔽特性を有することから、第５図に示すごと
く、熱絶縁体１４を形成する際に発熱体１２の下
部に位置するＰ型シリコン３６を多孔質化するこ
となく残していてもまた多孔質シリコン酸化膜の
厚みを前記第１実施例より薄く形成しても充分な
熱絶縁性能を発揮することができる。
第３実施例
第６図及び第７図には本発明にかかる半導体セ
ンサの好適な第３実施例が示されており、本実施
例の特徴的事項は、前記第３図に示す駆動回路を
センサの周辺回路３４として半導体基板１０の表
面に設け、センサの集積度を更に高めたことにあ
る。
ンサの好適な第３実施例が示されており、本実施
例の特徴的事項は、前記第３図に示す駆動回路を
センサの周辺回路３４として半導体基板１０の表
面に設け、センサの集積度を更に高めたことにあ
る。
ここにおいて、半導体基板１０上へこのような
周辺回路３４の形成は、半導体基板１０上に設け
られたｎウエル３２中に通常のバイポーラプロセ
スを用いて容易に行うことができる。
周辺回路３４の形成は、半導体基板１０上に設け
られたｎウエル３２中に通常のバイポーラプロセ
スを用いて容易に行うことができる。
そして、この半導体基板１０上にはこのように
して形成された周辺回路の電源電力を供給し、か
つその出力を取出すための、Gd、Ｖ＋、Ｖの３
個のALリード３０，４０，４２が設けられてい
る。
して形成された周辺回路の電源電力を供給し、か
つその出力を取出すための、Gd、Ｖ＋、Ｖの３
個のALリード３０，４０，４２が設けられてい
る。
尚、前記実施例においては、半導体基板１０上
にＮ型シリコン抵抗１６又は駆動回路３４等のセ
ンサ周辺回路を設けた場合をにとり説明したが、
本発明に限らず、基板１０として半導体を用いて
いるために、この基板１０上にこれ以外にも各種
複雑な周辺回路を設けその集積度を高めることが
可能となる。
にＮ型シリコン抵抗１６又は駆動回路３４等のセ
ンサ周辺回路を設けた場合をにとり説明したが、
本発明に限らず、基板１０として半導体を用いて
いるために、この基板１０上にこれ以外にも各種
複雑な周辺回路を設けその集積度を高めることが
可能となる。
第１図は本発明にかかる流速検出用半導体セン
サの好適な第１実施例を示す平面図、第２図は第
１図に示すセンサの―断面図、第３図は第１
図及び第２図に示すセンサの駆動回路図、第４図
は本発明の好適な第２実施例を示す平面図、第５
図は第４図に示すセンサの―断面図、第６図
は本発明にかかるセンサの好適な第３実施例を示
す平面図、第７図は第６図に示すセンサの―
断面図。 １０……半導体基板、１２……通電発熱体、１
４……熱絶縁体、１６……周辺回路としてのＮ型
シリコン抵抗、３０……薄板構造部、３４……周
辺回路としての駆動回路。
サの好適な第１実施例を示す平面図、第２図は第
１図に示すセンサの―断面図、第３図は第１
図及び第２図に示すセンサの駆動回路図、第４図
は本発明の好適な第２実施例を示す平面図、第５
図は第４図に示すセンサの―断面図、第６図
は本発明にかかるセンサの好適な第３実施例を示
す平面図、第７図は第６図に示すセンサの―
断面図。 １０……半導体基板、１２……通電発熱体、１
４……熱絶縁体、１６……周辺回路としてのＮ型
シリコン抵抗、３０……薄板構造部、３４……周
辺回路としての駆動回路。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 半導体基板上に通電発熱体を設け、この発熱
体の発熱量に基づき流体の流速を検出する流速検
出用半導体センサにおいて、半導体基板と通電発
熱体との間に熱伝達を遮蔽する熱絶縁体を設け、
発熱体からの熱伝達が遮蔽された半導体基板上に
センサの周辺回路を設けることを特徴とする流速
検出用半導体センサ。 ２ 特許請求の範囲１記載のセンサにおいて、 半導体基板の一部を薄板構造に形成し、この薄
板構造部の一部または全部を熱絶縁体として形成
したことを特徴とする流速検出用半導体センサ。 ３ 特許請求の範囲１、２のいずれかに記載のセ
ンサにおいて、 半導体基板はＰ型又はＮ型シリコンを用いて形
成し、熱絶縁体は多孔質シリコン酸化膜を用いて
形成したことを特徴とする流速検出用半導体セン
サ。 ４ 特許請求の範囲１〜３のいずれかに記載のセ
ンサにおいて、 周辺回路は、流体温度補償回路から成ることを
特徴とする流速検出用半導体センサ。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60012064A JPS61170618A (ja) | 1985-01-24 | 1985-01-24 | 流速検出用半導体センサ |
| US06/820,703 US4680963A (en) | 1985-01-24 | 1986-01-21 | Semiconductor flow velocity sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60012064A JPS61170618A (ja) | 1985-01-24 | 1985-01-24 | 流速検出用半導体センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61170618A JPS61170618A (ja) | 1986-08-01 |
| JPH0476412B2 true JPH0476412B2 (ja) | 1992-12-03 |
Family
ID=11795171
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60012064A Granted JPS61170618A (ja) | 1985-01-24 | 1985-01-24 | 流速検出用半導体センサ |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4680963A (ja) |
| JP (1) | JPS61170618A (ja) |
Families Citing this family (38)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3606851A1 (de) * | 1986-03-03 | 1987-09-10 | Vdo Schindling | Anordnung zur messung der stroemungsgeschwindigkeit |
| DE3606850A1 (de) * | 1986-03-03 | 1987-09-10 | Vdo Schindling | Anordnung zur messung der stroemungsgeschwindigkeit |
| US4888988A (en) * | 1987-12-23 | 1989-12-26 | Siemens-Bendix Automotive Electronics L.P. | Silicon based mass airflow sensor and its fabrication method |
| US4870745A (en) * | 1987-12-23 | 1989-10-03 | Siemens-Bendix Automotive Electronics L.P. | Methods of making silicon-based sensors |
| US4884443A (en) * | 1987-12-23 | 1989-12-05 | Siemens-Bendix Automotive Electronics L. P. | Control and detection circuitry for mass airflow sensors |
| JPH0643906B2 (ja) * | 1988-10-17 | 1994-06-08 | 山武ハネウエル株式会社 | フローセンサ |
| DE8900142U1 (de) * | 1989-01-07 | 1990-05-10 | Robert Bosch Gmbh, 7000 Stuttgart | Träger für Sensoren |
| US5003822A (en) * | 1989-10-02 | 1991-04-02 | Joshi Shrinivas G | Acoustic wave microsensors for measuring fluid flow |
| JPH03176668A (ja) * | 1989-12-05 | 1991-07-31 | Murata Mfg Co Ltd | 風速センサ |
| US5237867A (en) * | 1990-06-29 | 1993-08-24 | Siemens Automotive L.P. | Thin-film air flow sensor using temperature-biasing resistive element |
| FR2670579A1 (fr) * | 1990-12-14 | 1992-06-19 | Schlumberger Ind Sa | Capteur semi-conducteur de debit. |
| US5201221A (en) * | 1991-03-15 | 1993-04-13 | Ford Motor Company | Flow sensor and method of manufacture |
| US5231878A (en) * | 1991-12-23 | 1993-08-03 | Ford Motor Company | Mass air flow sensor |
| US6589433B2 (en) | 1996-06-26 | 2003-07-08 | Simon Fraser University | Accelerometer without proof mass |
| US6182509B1 (en) | 1996-06-26 | 2001-02-06 | Simon Fraser University | Accelerometer without proof mass |
| AU3162297A (en) | 1996-06-26 | 1998-01-14 | Simon Fraser University | Accelerometer without proof mass |
| DE59701822D1 (de) | 1997-02-14 | 2000-07-06 | Fraunhofer Ges Forschung | Strömungssensorkomponente |
| GR1003010B (el) * | 1997-05-07 | 1998-11-20 | "����������" | Ολοκληρωμενος αισθητηρας ροης αεριων χρησιμοποιωντας τεχνολογια πορωδους πυριτιου |
| JP3514666B2 (ja) * | 1999-06-30 | 2004-03-31 | 株式会社日立製作所 | 熱式空気流量センサ |
| US6370307B1 (en) * | 1999-07-15 | 2002-04-09 | Agere Systems Guardian Corp. | Optical device formed on a substrate with thermal isolation regions formed therein |
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| JP2003532099A (ja) | 2000-05-04 | 2003-10-28 | ゼンジリオン アクチエンゲゼルシャフト | 液体用のフローセンサ |
| DE10032579B4 (de) * | 2000-07-05 | 2020-07-02 | Robert Bosch Gmbh | Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements sowie ein nach dem Verfahren hergestelltes Halbleiterbauelement |
| DE10053326A1 (de) * | 2000-10-27 | 2002-05-08 | Bosch Gmbh Robert | Mikromechanisches Bauelement und Herstellungsverfahren |
| DE10058009A1 (de) * | 2000-11-23 | 2002-06-06 | Bosch Gmbh Robert | Strömungssensor |
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| DE10117486A1 (de) | 2001-04-07 | 2002-10-17 | Bosch Gmbh Robert | Verfahren zur Herstelung eines Halbleiterbauelements sowie ein nach dem Verfahren hergestelltes Halbleiterbauelement |
| DE10118568A1 (de) | 2001-04-14 | 2002-10-17 | Bosch Gmbh Robert | Verfahren zum Erzeugen von optisch transparenten Bereichen in einem Siliziumsubstrat |
| CN100573058C (zh) * | 2003-02-03 | 2009-12-23 | 印度科学院 | 测量气流速度的方法和使用气体流经固体材料进行能量转换的方法及其所使用的测量设备或转换装置 |
| JP2005241279A (ja) * | 2004-02-24 | 2005-09-08 | Fujikin Inc | 耐食金属製流体用センサ及びこれを用いた流体供給機器 |
| JP4670293B2 (ja) * | 2004-09-27 | 2011-04-13 | パナソニック電工株式会社 | ガスフローセンサ装置 |
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| DE102005061703A1 (de) * | 2005-12-21 | 2007-07-05 | Innovative Sensor Technology Ist Ag | Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgrösse und Verfahren zur Herstellung einer entsprechenden Sensoreinheit |
| WO2012012769A2 (en) * | 2010-07-23 | 2012-01-26 | Fluid Components International Llc | Shield for heat transfer restriction for high flow rate use in a thermal flow rate sensor |
| EP2682720B1 (en) * | 2011-03-02 | 2019-09-18 | Hitachi Automotive Systems, Ltd. | Heat-type flow meter |
| JP5857050B2 (ja) * | 2011-07-13 | 2016-02-10 | 日立オートモティブシステムズ株式会社 | 流量計 |
| US10655994B2 (en) * | 2015-04-30 | 2020-05-19 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | Microfluidic flow sensor |
| WO2020213551A1 (ja) * | 2019-04-16 | 2020-10-22 | 智一 池野 | 流速センサ |
Family Cites Families (8)
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| DE2925975A1 (de) * | 1979-06-27 | 1981-01-15 | Siemens Ag | Mengendurchflussmesser |
| JPS5618750A (en) * | 1979-07-25 | 1981-02-21 | Ricoh Co Ltd | Gas detector |
| US4471647A (en) * | 1980-04-18 | 1984-09-18 | Board Of Regents Of Stanford University | Gas chromatography system and detector and method |
| JPS59147221A (ja) * | 1983-02-11 | 1984-08-23 | Nippon Soken Inc | 半導体式流量検出装置 |
| JPS6094738A (ja) * | 1983-10-28 | 1985-05-27 | Matsushita Electric Works Ltd | 半導体基板 |
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-
1985
- 1985-01-24 JP JP60012064A patent/JPS61170618A/ja active Granted
-
1986
- 1986-01-21 US US06/820,703 patent/US4680963A/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS61170618A (ja) | 1986-08-01 |
| US4680963A (en) | 1987-07-21 |
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