JPH03277973A - 半導体式流速計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は半導体式流速計に関し、更に詳しくは、管路内
の流速測定に適した小形で取扱いが容易な半導体式流速
計に関する。

〈従来の技術〉 従来から、管路内の流速測定にあたっては、熱線式やピ
トー管式等が用いられている。

熱線式流速計は電流で加熱されている白金線を流体にさ
らすと熱が奪われて温度が下がって白金線の電気抵抗が
減少することを利用したものであり、主に気体の流速測
定に用いられている。具体的には、加熱電圧を一定に保
っておいて白金線の抵抗値変化に起因する不平衡電流の
変化から流速を求める定電圧方式と、白金線の温度を一
定に維持するために印加すべき電流の変化から流速を求
める定温度方式とがある。

一方、ピトー管式流速計はベルヌーイの定理を応用した
ものであり、気流や水流の測定に用いられる。例えば両
端が開放されたパイプの一端をＬ字形に曲げて水流中に
浸してその端部を流れの上流側に向けると、流れがせき
とめられてパイプ内部には水流の動圧と静圧を加えた圧
力（総圧）が作用し、パイプ内の水面は水流の水面より
も流速に比例した動圧分だけ高くなる。従って、水流の
場合には両端が開放されて一端がＬ字形に曲げられたパ
イプよりなるピトー管だけで流速を測定できる。なお、
気流の流速（動圧）を測定する場合には、静圧を測定す
る静圧管を組み合わせて総圧と静圧の差圧を求めること
が行われている。

〈発明が解決しようとする課題〉 しかし、これら従来の流速計は、いずれも比較的大形で
、取扱いは簡単ではなく、価格も高いという問題がある
。

本発明はこのような点に着目してなされたものであり、
その目的は、小形で軽量で取扱いが容易で安価な半導体
式流速計を提供することにある。

〈課題を解決するための手段〉 上記課題を解決する本発明は、 受圧面が被測定流体の流れ方向に沿って配置されるシリ
コンダイアフラムと、 該シリコンダイアフラムに配設され、該シリコンダイア
フラムの変位を検出するピエゾ抵抗素子と、 前記のシリコンダイアフラムの上流側端部近傍に配設さ
れ、前記シリコンダイアフラムの受圧面に被測定流体の
流速に応した圧力分布を生じさせる流れ剥離体とを具備
したことを特徴とするものである。

く作用〉 本発明の半導体式流速計によれば、シリコンダイアフラ
ムは被測定流体からの力を受は変位し、ピエゾ抵抗素子
はその変位を検出する。

これにより、ピエゾ抵抗素子の出力信号から被測定流体
の流速を求めることができる。

〈実施例〉 以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する
。

第１図は本発明の一実施例の構成図、第２図は第１図の
簡略断面図、第３図は圧力分布を示す図である。図にお
いて、シリコンダイアフラム１の一端近傍の表面にはブ
リッジを構成するように複数のピエゾ抵抗素子（ゲージ
）２が配設され、該ピエゾ抵抗素子２近傍のシリコンダ
イアフラム１の端部には例えばガラスで構成された流れ
剥離体３が配設されている。該シリコンダイアフラム１
は例えば異方性エツチングで形成されるものであり、流
れ剥離体３が上流側に位置するようにして被測定流体の
流れ方向に沿って例えばガラスよりなる支持体４を介し
て管５の底面に固定配置されている。なお、この受圧面
の幅はｂであり、長さはＬである。流れ剥離体３や支持
体４はシリコンダイアフラム１に陽極接合や低融点ガラ
ス等で接合される。シリコンダイアフラム１の内部の圧
力は大気圧や真空等の一定の値Ｐ、に保たれている。

管５内における被測定流体の深さＤと流れ剥離体３とシ
リコンダイアフラム１と支持体４を重ね合わせた高さＨ
の関係は、Ｈ＜Ｄを満たすようにする。

このような構成において、シリコンダイアフラム１は被
測定流体からの力を受けてピエゾ抵抗素子２はその力を
検出することになり、ピエゾ抵抗素子２の出力信号から
被測定流体Ｆの流速を求めることができる。

被測定流体の流れの一部は流れ剥離体３の前面の角部で
全体の流れの中から剥離させられる。剥離させられた流
れの先端は第３図（イ）に示すように一定距離ｇだけ流
速Ｖで移動した後、シリコンダイアフラム１の表面に付
着する。この距離ｐは流速Ｖに比例する。すなわち、 ｉ　ｏｃｖ、　　　　、、Ｉ−に−ｖ　　　　　　　−
（１）（Ｋ：定数） の関係が成立する。

本実施例を第３図（イ）の如く配置した場合、シリコン
ダイアフラム１の上面側での圧力Ｐ。の分布は第３図（
ロ）で示され、シリコンダイアフラム１のした面側での
圧力Ｐ、の分布は第３図（ハ）で示される如く一定であ
る。したがって、シリコンダイアフラム１の流れ剥離体
３の後端からほぼＩ／２及びＩ　＋（ｔ　■２）の各位
置にそれぞれ次式で示される力Ｆ及びＦ′が作用するこ
とになる。

Ｆ　”（Ｐｏ　−Ｐ＋　）　　・Ｄ−ｂ　　　　　　−
（２）Ｆ″”ｌＰｏ　−Ｋｏ　’　（１／２）　　’　
Ｐ　”　Ｖ　２−Ｐｔ　ｌ・ｇ゛　・ｂ ＝（Ｋ＋−に２・ｖ２）　　　ｂ・（Ｌ−１）／２−（
３）但し、Ｋ、、に、、に、：定数 Ｐｏ　：距離ｇ内でのシリコンダイアフラム１の上面の
圧力 ρ：流体密度 これらの力Ｆ及びＦ′によりシリコンダイアフラム１の
固定端近傍のピエゾ抵抗素子２には曲げモーメントＭ及
び曲げモーメントＭに基づく応力σが作用し、ゲージ出
力Ｅは、 Ｅｏｃσ ｅＭ ｃＸ：Ｆ　−ｊ＋Ｆ’　−（１４（ｊ　’／２）１”１
）　２”（Ｋ　Ｉ　−に２　・Ｖ２）・＋　ｏ、−ｊ）
／２１・　（（Ｌ＋１　）／２＋ｃ１ｃＶ２＋（Ｋｌ−
に２−Ｖ２）（Ｌ２−Ｋ）−Ｖ２）ｓ”Ｋ、６Ｖ４　＋
に、６Ｖ２　＋に６、’、Ｅ＝に４　　・Ｖ’　＋に５
　・Ｖ２＋に６−（４）但し、Ｋ３．に４．に、、に６
　：定数になる。

すなわち、ゲージ出力Ｅから流速Ｖを求めることができ
る。なお、定数に４．に５．に６は予め校正して求めて
おく。また、流れ剥離体３の高さＨ（０も含む）や流れ
の方向に沿った長さＣなどは最適値を選ぶようにする。

このように構成される流速計は、小形で取扱いは容易で
ある。そして、半導体製造プロセスで大量生産できるの
で、安価である。

また、ピエゾ抵抗素子とともにシリコンダイアフラムの
固定部分に信号処理回路を形成することにより、信号処
理された出力を得ることができる。

〈発明の効果〉 以上詳細に説明したように、本発明によれば、小形で軽
量で取扱いが容易で安価な半導体式流速計を提供するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成図、 第２図は第１図の簡略断面図、 第３図は圧力分布説明図である。 １・・・シリコンダイアフラム ２・・・ピエゾ抵抗素子（ゲージ） ３・・・流れ剥離体 ４・・・支持体 第 図 第 図 ２ビニＶ砿仇畢士鳳グーンＪ 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 受圧面が被測定流体の流れ方向に沿って配置されるシリ
   コンダイアフラムと、 該シリコンダイアフラムに配設され、該シリコンダイア
   フラムの変位を検出するピエゾ抵抗素子と、 前記のシリコンダイアフラムの上流側端部近傍に配設さ
   れ、前記シリコンダイアフラムの受圧面に被測定流体の
   流速に応じた圧力分布を生じさせる流れ剥離体とを具備
   したことを特徴とする半導体式流速計。