JPH0645209Y2 - 半導体差圧流量計 - Google Patents

半導体差圧流量計

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JPH0645209Y2
JPH0645209Y2 JP1988006690U JP669088U JPH0645209Y2 JP H0645209 Y2 JPH0645209 Y2 JP H0645209Y2 JP 1988006690 U JP1988006690 U JP 1988006690U JP 669088 U JP669088 U JP 669088U JP H0645209 Y2 JPH0645209 Y2 JP H0645209Y2
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聡 福原
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Yokogawa Electric Corp
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Description

【考案の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本考案は、流体通路に形成された絞りの上下に生じる差
圧を測定することにより流量を検出する差圧流量計に係
り、特に微少流量を測定することが出来る差圧流量計の
改良に関する。
〈従来の技術〉 微少流量を測定する流量計としては差圧流量計、熱式流
量計、面積式流量計などがある。このうちオリフイスと
変換器が一体となっているインテグラルタイプの差圧流
量計はそのオリフイスの穴径が0.5mm程度のものが市販
されている。
第3図に従来の公知の差圧流量計の原理構成を示す。1
0、11は流体管路であり、その各端面にはフランジ部1
2、13が設けられている。このフランジ部12、13の間に
中央に円形の孔が開けられた円板状のオリフィス板14が
挿入固定されている。
そして、オリフイス板14に対して流体管路10、11の上下
流の管壁には圧力取出孔15,16が開けられ、ここから差
圧変換器17に各圧力が導入されてこれ等の差圧hが測定
される。
第3図では差圧変換器を簡単のためU字管式の差圧変換
器で代表して示してあるが、実際には例えば両端がダイ
ヤフラムでシールされ中央にセンタダイヤフラムが配置
されシリコン液でこの中が満たされた2つの部屋を持つ
差圧検出部の各ダイヤフラムに差圧取出孔15,16で取り
出された各圧力が印加され、これによって生じた差圧に
基づいてセンタダイヤフラムが変位してこの変位を変換
部で静電容量の変化として電気的に検出するように構成
されている。そして、この検出原理はサイズの大小に関
係せず同じである。
しかしながら、微少流量を測定する微少流量計としては
熱式流量計、面積式流量計などでは精度が充分でなかっ
たり、取り扱いが面倒であるなどの欠点を持ち、また差
圧流量計では変換部は小サイズでも大サイズでもその大
きさに差異はないので、小サイズの差圧流量計ほど相対
的に変換部の大きさが大きくなり、微少流量の流量計と
してはその形状も、その重量も大きくなり簡便さに欠
け、コストも上昇する欠点を持つ。
そこで、これ等の問題点を解決するために本出願人は実
願昭62-153035号「考案の名称:差圧流量計」を提案し
ている。第4図はこの出願で提案されている差圧流量計
の構成を示す射視図であり、これに基づいてその概要を
説明する。
18は外形が矩形状のシリコン基板であり、その内部はそ
の断面が長手方向にコの字形の凹部状にエッチングされ
てこの凹部19が流体通路20の1部を形成し、その残りの
部分が脚部21、22を形成している。また、シリコン基板
18の凹部19の長手方向の中央部にはこの流体通路の1部
を絞るようにオリフィス板23がこの流体通路を直角に横
切って一体に形成されている。
このオリフィス板23の近傍であってその上下流のシリコ
ン基板18の外面にはピエゾ抵抗素子24、25が例えば拡散
などの半導体技術で形成されている。
26は外形が矩形状のシリコン基板であり、その内部はそ
の断面が長手方向にコの字形の凹部状にエッチングされ
てこの凹部27が流体通路20の1部を形成し、その残りの
部分が脚部28、29を形成している。また、シリコン基板
26の凹部27の長手方向の中央部にはこの流体通路の1部
を絞るようにオリフィス板30がこの流体通路を直角に横
切って一体に形成されている。
31、32は矩形状のガラス板であり、シリコン基板18の脚
部21(22)はシリコン基板26の脚部28(29)とこのガラ
ス板31(32)を介して例えば陽極接合などにより相互に
接合され測定流体の流量Qを流すための流体通路20を形
成している。
これ等の流体通路20、オリフイス板23、30などはいずれ
もシリコンの異方性エッチングにより形成され、結果と
してオリフイス板23と30とで絞り33を形成している。
次に、以上のように構成された差圧流量計の動作につい
て説明する。
測定流体の流量Qが流体通路20に流入すると、オリフイ
ス23と30で構成された絞り33で流量Qが絞られ、この絞
り33により圧力損失ΔP=aρV2/2(a:定数、ρ:流体
密度、V:流速)を生じるが、ピエゾ抵抗素子25、24は流
量Qからの力F1、F2による流体通路20からのわずかな変
形による応力で出力V1、V2を出す。この出力V1、V2は、 V1−V2∝F1−F2 ∝ΔP=aρV2/2 …(1) で現すことができるので、流速Vは V∝[2(V1−V2)/(aρ)]1/2 …(2) となる。
従って、ピエゾ抵抗素子25、24の各出力V1、V2を用いて
(2)式とこれに断面積を乗じる演算を図示しない例え
ば半導体技術で形成された演算回路で実行することによ
り容易に測定流体の流量を得ることができる。
〈考案が解決しようとする課題〉 しかしながら、この出願で提案されている微少流量を測
定する差圧流量計はオリフイス板23の上流側と下流側に
配置されたピエゾ抵抗素子25、24での流体圧力に起因す
る歪みに起因する各信号の差を演算して流量信号を算出
しているので、各ピエゾ抵抗素子24、25の特性を一致さ
せないと誤差を生じる上に、流体圧力に対する強度を増
そうとするとシリコン基板18の肉厚を厚くしなければな
らず、厚くすると感度が低下し、逆に感度を増すために
シリコン基板18の肉厚を薄くすると流体圧力に対する耐
圧が低下するので、感度か強度かのいずれかを犠牲にし
なければならないという問題点があった。
本考案は、流体の圧力に対する耐圧を増すと共に感度を
も向上させることができる差圧流量計を提供し、さらに
差圧検出つまり流量出力の精度をも向上させ、その上に
微少な流量をも測定することの出来る半導体差圧流量計
を提供することを目的としている。
〈課題を解決するための手段〉 この目的を達成するために、本考案の半導体差圧流量計
においては、第1基板の一方の面にこの第1基板とは所
定の間隔を保って密封接合して空室を形成する第2基板
と、先の第1基板の他方の面にこの第1基板とは所定の
間隔を保って密封接合して流体通路を形成する第3基板
とを有し、先の第1基板は、測定流体の流れの抵抗とな
るようにこの第1基板の先の流体通路側に突出して形成
されたオリフイスと、先の第1基板の先のオリフイスの
上流側に一体として形成され先の空室と先の流体通路と
を連絡する導圧孔と、先のオリフイスの下流側に近接し
て先の第1基板に形成され先の空室の流体圧と先のオリ
フイスの下流側の流体圧との差圧を半導体のピエゾ抵抗
ゲージを用いて検出する差圧検出部とを具備し、これら
の第1・第2・第3基板はシリコン又はガラスで形成さ
れ、この差圧検出部で検出された差圧信号を用いて先の
流体通路を流れる先の測定流体の流量を演算出力するよ
うにしたものである。
〈作用〉 第1基板に形成された差圧検出部で空室側と流体通路側
との双方に流体圧力が加わるので、流量検出感度を任意
に設定することができる。
また流体通路は流量検出感度とは関係なく必要な強度に
なるような厚みとすることができる。
さらに、同一のピエゾ抵抗ゲージで差圧を検出するもの
で差圧検出の誤差をも小さくすることができる。
〈実施例〉 以下、本考案の実施例について図面に基づき説明する。
第1図は本考案の1実施例の構成を示す構成図である。
第1図(イ)は本考案の半導体差圧流量計の全体構成を
示す射視図、第1図(ロ)は(イ)におけるA−A′よ
り見た断面を示す縦断面図、第1図(ハ)は(イ)にお
けるB−B′から矢印の方向を見た流体通路を示す表面
図である。
34は外形が矩形状のシリコンの基板であり、この上側に
外形が矩形状のガラス製の基板35、下側に外形が矩形状
のガラス製の基板36が例えば陽極接合などにより密封接
合されている。
基板36はその内面の長手方向の中央には、所定の深さに
コの字形の流体通路37の一部をなす溝38が形成されてい
る。
また、基板35の内面は所定の深さで矩形状の空室39が形
成されている。
基板34の基板36側は流体通路37の一部を構成しており、
溝38に対向して流体Qの流れの抵抗となるオリフィス40
が例えば異方性エッチングなどの半導体技術により形成
されている。また、オリフイス40の前方には流体通路37
と空室39とを連通する導圧孔41が異方性エッチングで形
成されている。さらに、オリフイス40の下流側の溝37に
対向する基板34の一部は異方性エッチングにより薄肉の
起歪部42とされこの起歪部42の一部にピエゾ抵抗ゲージ
43が例えば拡散などにより形成されている。起歪部42、
ピエゾ抵抗ゲージ43などで差圧検出部44を形成する。
なお、第1図(ハ)に示すように導圧孔41、オリフイス
40、起歪部42などの周辺がテーパになっているのは、こ
れ等を異方性エッチングで形成する際にシリコンの基板
34の結晶面との関係でエッチング速度が異なるからであ
る。
次に、以上のように構成された実施例の動作について説
明する。測定しようとする流体Qが流体通路37の左端か
ら流入すると、この流体Qはオリフイス40で絞られてオ
リフイス40の上流側と下流側に圧力差ΔPを生じる。こ
の圧力差ΔPは流量Qと所定の関係にあり、流量Qに対
応するように薄肉の起歪部42を変位させる。
この起歪部42の変位は図示しない変換部でその抵抗変化
が流量Qに対応した電気信号に変換される。この変換部
は、基板34に一体に拡散などの半導体技術で構成しても
良く、またこれとは別に構成しても良い。
第2図は本考案の第2の実施例の構成を示す縦断面図で
ある。この断面は第1図(ロ)に対応する。
45は外径が矩形状のガラス製の基板であり、この上部に
外径が矩形状のシリコンの基板46、下側に外径が矩形状
のシリコンの基板47が例えば陽極接合などにより密封接
合されている。
基板46、47は材質を除けば第1図における基板35、36と
基本的に同一の形状である。
基板47はその内面の長手方向の中央には、所定の深さに
コの字形の流体通路48の一部をなす溝49が形成されてい
る。
また、基板46の内面は所定の深さで矩形状の空室50が形
成されている。
基板45の基板47側は流体通路48の一部を構成しており、
溝49に対向して流体Qの流れの抵抗となるオリフィス51
が形成されている。また、オリフイス51の前方には流体
通路48と空室50とを連通する導圧孔52が、オリフイス51
の後方には基板45を貫通する貫通孔53がそれぞれ形成さ
れている。
この貫通孔53を覆うようにシリコンの差圧検出部54が例
えば陽極接合などにより基板45に接合されている。
差圧検出部54は例えば矩形のシリコンの単結晶で出来た
シリコンチップ55の中央の一部が異方性エッチングなど
により薄肉とされた円形の起歪部56とされ、この上面に
ピエゾ抵抗ゲージ57が例えば拡散などにより形成されて
いる。
従って、起歪部56の両面にはオリフイス51で生じた差圧
が印加される。差圧が検出された後の信号処理について
は第1図に示す場合と同様である。
〈考案の効果〉 以上、実施例と共に具体的に説明したように本考案によ
れば、(イ)流体圧力に対する耐圧に関係する流体通路
の厚さと検出感度に関係する差圧検出部の起歪部の厚さ
とを分離して任意に決定することができるので、高感度
で高耐圧の差圧流量計を実現することができ、(ロ)し
かも、これ等は金属を用いず半導体技術により一体に形
成することができるので、小形化、軽量化、微少流量の
測定が可能であり、(ハ)さらにオリフイスと一体に差
圧検出部が形成されるので、過大圧保護機構を別に必要
とせず、(ニ)その上、差圧検出部を1個用いるだけで
良いので、差圧検出部相互の特性のバラツキによる誤差
がなく高精度が期待できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本考案の1実施例の構成を示す構成図、第2図
は本考案の第2の実施例の構成を示す縦断面図、第3図
は従来の公知の差圧流量計の構成を示す縦断面図、第4
図は従来の先願に係る半導体差圧流量計の構成を示す射
視図である。 10、11……流体管路、14……オリフイス板、17……差圧
変換器、18……シリコン基板、20……流体通路、23……
オリフイス板、24、25……ピエゾ抵抗素子、26……シリ
コン基板、30……オリフイス板、34、35、36……基板、
37……流体通路、39……空室、40……オリフイス、41…
…導圧孔、42……起歪部、43……ピエゾ抵抗ゲージ、44
……差圧検出部、45、46、47……基板、48……流体通
路、50……空室、51……オリフイス、52……導圧孔、53
……貫通孔、54……差圧検出部、57……ピエゾ抵抗ゲー
ジ。

Claims (1)

    【実用新案登録請求の範囲】
  1. 【請求項1】第1基板の一方の面にこの第1基板とは所
    定の間隔を保って密封接合して空室を形成する第2基板
    と、前記第1基板の他方の面にこの第1基板とは所定の
    間隔を保って密封接合して流体通路を形成する第3基板
    とを有し、前記第1基板は、測定流体の流れの抵抗とな
    るようにこの第1基板の前記流体通路側に突出して形成
    されたオリフイスと、 前記第1基板の前記オリフイスの上流側に一体として形
    成され前記空室と前記流体通路とを連絡する導圧孔と、 前記オリフイスの下流側に近接して前記第1基板に形成
    され前記空室の流体圧と前記オリフイスの下流側の流体
    圧との差圧を半導体のピエゾ抵抗ゲージを用いて検出す
    る差圧検出部と を具備し、 これらの第1・第2・第3基板はシリコン又はガラスで
    形成され、この差圧検出部で検出された差圧信号を用い
    て前記流体通路を流れる前記測定流体の流量を演算出力
    することを特徴とする半導体差圧流量計。
JP1988006690U 1988-01-22 1988-01-22 半導体差圧流量計 Expired - Lifetime JPH0645209Y2 (ja)

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