JP2000206134A - 熱線式流速センサ - Google Patents

熱線式流速センサ

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JP2000206134A
JP2000206134A JP11004192A JP419299A JP2000206134A JP 2000206134 A JP2000206134 A JP 2000206134A JP 11004192 A JP11004192 A JP 11004192A JP 419299 A JP419299 A JP 419299A JP 2000206134 A JP2000206134 A JP 2000206134A
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JP
Japan
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flow velocity
temperature sensor
pair
flow
wire
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Pending
Application number
JP11004192A
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English (en)
Inventor
Kazumitsu Nukui
一光 温井
Michinori Komaki
充典 小牧
Takeshi Tashiro
健 田代
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Tokyo Gas Co Ltd
Original Assignee
Tokyo Gas Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】測定流速レンジが広く、且つ低速域での検出精
度が高い流速センサを提供する。 【解決手段】本発明の流速センサは、熱線Rhの両側に
高流速域用の一対の温度センサ線Ru1,Rd1を配置
し、更にその外側に低流速域用の一対の温度センサ線R
u2,Rd2を配置し、それぞれの温度センサ線対を利
用して、流速を検出する。外側の温度センサ線対Ru
2,Rd2により低流速域での流速を分解能高く測定
し、内側の温度センサ線対Ru1,Rd1により高流速
域での流速を測定することで、低流速域で分解能(精
度)が高く、且つ広いレンジにわたり流速を測定するこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、熱線式の流速セン
サに係り、特に測定レンジを低速から高速まで広くする
ことができる流速センサに関する。
【0002】
【従来の技術】熱線式の流速センサは、熱線を流体中に
置いたとき、その放熱によって熱エネルギが奪われ、熱
線の温度が下がると共に電気抵抗値が変化することを利
用する。流体の流れが早ければ冷却はさらに早められ、
温度が低下する。
【0003】より感度の高い熱線式の流速センサは、熱
線の両側に温度センサ線を配置し、流 体の流速に依存
して熱線から放射される熱による等温線が上流側と下流
側とで変化することを、両側の温度センサ線が検出し、
両温度センサ線の電気抵抗値の変化を差動増幅器で検出
する。特に、シリコンチップ上に熱線と両側の温度セン
サ線を設けたマイクロマシニング技術は、センサ自体が
小型化され、流体の中においてもその流れを乱すことが
なく、高い感度と高い応答性を有し、ガスの流量測定な
どの利用が提案されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】かかるマイクロフロー
センサは、低流速域から高流速域までの広い測定レンジ
を要求される。そのため、その測定出力をA・D変換回
路を利用して一定の分解能を有するデジタル出力に変換
すると、低流速域における分解能が細かくとれず、測定
精度が低下する。そこで、低流速域用のセンサチップと
高流速域用のセンサチップとを同時に流体内に置くこと
で、かかる問題を解決することができるが、複数のセン
サチップをパッケージ内に収納することやその駆動回路
などの課題があり、好ましい解決方法ではない。
【0005】そこで、本発明の目的は、1つのセンサチ
ップによって、低流速域で精度が高く分解能の高い出力
を生成することができ、且つ高流速域まで広い測定レン
ジを有する流速センサを提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の流速センサは、熱線の両側に高流速域用
の一対の温度センサ線を配置し、更にその外側に低流速
域用の一対の温度センサ線を配置し、それぞれの温度セ
ンサ線対を利用して、流速を検出する。外側の温度セン
サ線対により低流速域での流速を分解能高く測定し、内
側の温度センサ線対により高流速域での流速を測定する
ことで、低流速域で分解能(精度)が高く、且つ広いレ
ンジにわたり流速を測定することができる。
【0007】上記の目的を達成するために、本発明の流
速センサは、所定の電流を供給される熱線と、前記熱線
の両側であって第1の距離の位置に配置された第1及び
第2の温度センサ線と、前記熱線の両側であって前記第
1の距離より大きい第2の距離の位置に配置された第3
及び第4の温度センサ線とを有し、前記第3及び第4の
温度センサ線から第1の流速範囲内の流速を検出し、前
記第1及び第2の温度センサ線から前記第1の流速範囲
よりも広い第2の流速範囲内の流速を検出することを特
徴とする。
【0008】上記の温度センサ線対は、熱線の両側に3
対以上併設されても良い。その場合あは、低流速域の分
解能を更に高くすることができる。
【0009】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態例を説明する。しかしながら、かかる実施の形
態例が、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【0010】図1は、本発明の実施の形態例における流
速センサの平面図である。また、図2は、図1のA−A
の断面図である。図1,2に示された流速センサは、シ
リコン基板10上の中央部に、白金等からなる熱線Rh
を設け、その両側の対称な位置に白金等からなる第1の
温度センサ線対Ru1,Rd1を設ける。そして、更
に、その外側の対称な位置に白金等からなる第2の温度
センサ線対Ru2,Rd2を設ける。熱線Rhと、温度
センサ線Ru1,2,Rd1,2は、その両側にコンタ
クト電極を有し、それぞれ4本平行になるよう配置され
る。
【0011】熱線Rhと、温度センサ線Ru1,2,R
d1,2は、シリコン基板10上に設けた絶縁膜11か
らなるダイアフラム膜上に形成され、シリコン基板10
から熱的に絶縁される。更に、ダイアフラム膜11に
は、熱線Rhと、温度センサ線Ru1,2,Rd1,2
の間の位置に、それぞれ開口13〜18が設けられ、そ
れぞれの線が互いに熱的に絶縁される。ダイアフラム1
1の下には、異方性エッチングにより形成された空洞1
2が形成され、基板10との熱絶縁が高められる。
【0012】この様に、熱線Rh及び温度センサ線は、
それぞれ熱的に絶縁された状態になっており、それぞれ
の熱容量は小さい。従って、熱線Rdは、流体の流速に
対して高い応答特性を有し、また、その流速に応じて変
化する温度分布の変化に対して、温度センサ線も高い応
答特性をもってその温度変化を検出することができる。
【0013】本実施の形態例の流速センサは、質量流量
センサとしても利用できるが、2組の温度センサ線対R
u1,Rd1、Ru2,Rd2を設けたことにより、外
側の温度センサ線対Ru2,Rd2により、低流速域で
は高い感度を有し、デジタル値に変換しても検出値の分
解能、即ち精度を高くすることができ、更に、内側の温
度センサ線対Ru1,Rd1により、より高い流速域ま
で測定することができる。
【0014】図3は、従来の熱線とその両側に1対の温
度センサ線を有する流速センサに対して熱線のパワーを
変化させたときの特性を示す図である。本発明者は、従
来の流速センサの熱線のパワーを、標準、1/2、2倍
にそれぞれした時の、流速v対出力の特性を調べた。そ
れによれば、熱線の電力を1/2にした場合は、より低
速域でその出力が飽和したのに対して、熱線の電力を2
倍にした場合は、より高速域まで出力が飽和しなかっ
た。
【0015】ここで、熱線の電力を小さくすると、熱線
から放射する熱による等温線が狭くしか拡がらないこと
を意味し、逆の言い方をすれば、標準の電力が供給され
た熱線に対して、より遠い位置に一対の温度センサ線を
設けた構成と等価である。その場合は、図3に示される
通り、測定流速レンジが低速域になる。
【0016】一方、熱線の電力を大きくすると、熱線か
ら放射する熱による等温線が広く拡がることを意味し、
逆の言い方をすれば、標準の電力が供給された熱線に対
して、より近い位置に一対の温度センサ線を設けた構成
と等価である。その場合は、図3に示される通り、測定
流速レンジが高速域まで拡がる。
【0017】図4は、本実施の形態例における流速セン
サの動作を説明するための図である。図4(a)には、
流体の流れがない流速ゼロの状態における、熱線Rhが
放射する熱による等温線の例が示される。流速ゼロの状
態では、図面の左側の上流と右側の下流とで、等温線は
対称形をなす。従って、第1の温度センサ線対Ru1,
Rd1の温度は等しくなる。また、第2の温度センサ線
対Ru2,Rd2の温度も等しくなる。
【0018】図4(b)には、流速が低い領域vsの状
態における、熱線Rhが放射する熱による等温線の例が
示される。低速域では、流体の流れが遅いので、その等
温線は僅かに下流側(右側)にずれるのみである。その
結果、外側に設けられた第2の温度センサ線対Ru2,
Rd2の温度には、違いが発生するが、内側に設けられ
た第1の温度センサ対Ru1,Rd1の温度は、熱線R
h近傍の高い温度分布の影響により、ほんのわずかな違
いしか生じない。
【0019】図4(c)には、流速が高い領域vfの状
態における、熱線Rhが放射する熱による等温線の例が
示される。高速域では、流体の流れが早いので、その等
温線は大きく下流側(右側)にずれる。その結果、内側
に設けられた第1の温度センサ対Ru1,Rd1の温度
にも、大きな違いが生じることになる。また、外側に設
けられた第2の温度センサ対Ru2,Rd2に対して
は、もはや流速が大きすぎてその温度差が飽和領域に達
してしまい、それほど変化しなくなる。
【0020】図5は、本実施の形態例における流速セン
サの検出回路を示す図である。20は、高速域検出用の
第1の温度センサ線対Ru1,Rd1を利用したブリッ
ジ回路である。スイッチSW1を閉じることにより、流
速ゼロの状態で抵抗R1、Ru1と抵抗R2、Rd1と
に同じ電流を流す。流速が大きくなると、温度センサ線
Rd1の温度が高くなりその抵抗値が高くなるのに対し
て、上流側の温度センサ線Ru1の温度は低くなりその
抵抗値は下がる。この抵抗値に違いによる電圧の差を、
差動アンプ21で検出し、A/D変換器22によりデジ
タル値に変換する。
【0021】一方、24は、低速域検出用の第2の温度
センサ線対Ru2,Rd2を利用したブリッジ回路であ
る。スイッチSW2を閉じることにより、流速ゼロの状
態で抵抗R3、Ru2と抵抗R4、Rd2とに同じ電流
を流す。そして、上記と同様に、流速が大きくなると、
両温度センサ線Ru2,Rd2間の温度の違いにより抵
抗値に違いが生じ、この抵抗値に違いによる電圧の差
が、差動アンプ25で検出され、A/D変換器26によ
りデジタル値に変換される。
【0022】図6は、本実施の形態例における流速セン
サの流速対出力の特性図である。図6には、図5の2つ
のA/D変換器22,26の出力S22,S26と、流
速vとの関係が示される。前述した通り、低速域用の温
度センサ線対から得られる出力S26は、低い流速域v
sで飽和領域まで達するが、低速域では、その感度が高
く、A/D変換されたデジタル値S26の分解能は十分
高い。一方、高速域用の温度センサ線対から得られる出
力S22は、高い流速域vfまで飽和領域に達しないの
で、より高い流速域までの測定に利用される。
【0023】図5に戻り、出力S22,S26は、スイ
ッチSW3を経由してマイクロプロセッサ28に供給さ
れる。そして、マイクロプロセッサ28は、測定した流
速出力Outを出力する。切替制御部27は、両出力S2
2,S26を監視し、低速域にある時は出力S26側に
スイッチSW3を切り替え、低速域用の温度センサ線対
Ru2,Rd2から検出される流速S26をマイクロプ
ロセッサ28に供給する。また、高速域にある時は、出
力S22側にスイッチSW3を切り替える。
【0024】図5の検出回路では、切替制御部27は、
更に、必要に応じてスイッチSW1,SW2をオフにす
ることにより、ブリッジ回路20,24のいずれか一方
の温度センサ線にしか電流を供給しないようにする。そ
うすることにより、消費電力を節約することができる。
【0025】上記の実施の形態例では、熱線の両側に2
対の温度センサ線を設ける例を説明した。しかしなが
ら、本発明は、それに限定されず、更に3対以上の温度
センサ線対を設けることもできる。その場合は、温度セ
ンサ線対Ru2,Rd2の外側に更に温度センサ線対を
追加するか、或いは、温度センサ線対Ru1,Rd1の
内側に更に温度センサ線対を追加する。それにより、更
に低流速域における分解能を高めることができ、或いは
流速レンジを広くすることができる。
【0026】
【発明の効果】以上、本発明によれば、広い流速レンジ
において流体の流速を検出することができ、低流速域に
おいて精度の高い流速検出を行うことができる流速セン
サを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態例における流速センサの平
面図である。
【図2】図1のA−Aの断面図である。
【図3】従来の熱線とその両側に1対の温度センサ線を
有する流速センサに対して熱線のパワーを変化させたと
きの特性を示す図である。
【図4】本実施の形態例における流速センサの動作を説
明するための図である。
【図5】本実施の形態例における流速センサの検出回路
を示す図である。
【図6】本実施の形態例における流速センサの流速対出
力の特性図である。
【符号の説明】
Rh 熱線 Ru1,Rd1 第1、第2の温度センサ線 Ru2,Rd2 第3、第4の温度センサ線 10 シリコン基板、シリコンチップ 11 ダイヤフラム 12 空洞

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】所定の電流を供給される熱線と、 前記熱線の両側であって第1の距離の位置に配置された
    第1及び第2の温度センサ線と、 前記熱線の両側であって前記第1の距離より大きい第2
    の距離の位置に配置された第3及び第4の温度センサ線
    とを有し、 前記第3及び第4の温度センサ線から第1の流速範囲内
    の流速を検出し、前記第1及び第2の温度センサ線から
    前記第1の流速範囲よりも広い第2の流速範囲内の流速
    を検出することを特徴とする流量センサ。
  2. 【請求項2】請求項1において、 前記熱線、第1乃至第4の温度センサ線が、基板上に設
    けられたダイヤフラム膜上に配置されていることを特徴
    とする流量センサ。
  3. 【請求項3】請求項2において、 前記ダイヤフラム膜の、前記熱線、第1乃至第4の温度
    センサ線の間の位置に、それぞれ開口部が形成されてい
    ることを特徴とする流量センサ。
  4. 【請求項4】請求項1において、 更に、前記熱線の両側であって、前記第2の距離より大
    きい距離の位置にまたは前記第1の距離よりも小さい距
    離の位置に、一対のまたは複数対の温度センサ線が設け
    られることを特徴とする流量センサ。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3470881B2 (ja) 1999-04-19 2003-11-25 矢崎総業株式会社 マイクロフローセンサ
JP2006017724A (ja) * 2004-06-30 2006-01-19 Codman & Shurtleff Inc 非対称デザインを有する熱式流量センサ
JP2017044637A (ja) * 2015-08-28 2017-03-02 株式会社デンソー 流量センサ

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3470881B2 (ja) 1999-04-19 2003-11-25 矢崎総業株式会社 マイクロフローセンサ
JP2006017724A (ja) * 2004-06-30 2006-01-19 Codman & Shurtleff Inc 非対称デザインを有する熱式流量センサ
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