JPH0989619A

JPH0989619A - 感熱式流量計

Info

Publication number: JPH0989619A
Application number: JP8010922A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Horiguchi; 浩幸堀口; Yoshinobu Nakayama; 義宣中山
Original assignee: Ricoh Seiki Co Ltd; Ricoh Elemex Corp; Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Seiki Co Ltd; Ricoh Elemex Corp; Ricoh Co Ltd
Priority date: 1995-07-19
Filing date: 1996-01-25
Publication date: 1997-04-04
Also published as: US5703288A

Abstract

(57)【要約】【課題】Ｓ／Ｎの向上を図り、低流量域においても正
確な測定を可能にすると共に、省電力化を図る【解決手段】流体温度より高い一定温度で等しく加熱
されている上流側の発熱体Ｒｈ₁ と下流側の発熱体Ｒｈ
₂ との出力値の差分、即ち、電位差から流体の流量を決
定することで、ノイズ成分が除去された流量の信号成分
のみを取り出すので、Ｓ／Ｎを向上させることができ、
出力−流量曲線の線形性を低流量域でも改善でき、か
つ、発熱体Ｒｈ₁ ，Ｒｈ₂ 自身の出力を利用するため、
低電圧駆動も可能で省電力化を図れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流体の流量を測定
する感熱式流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、感熱式流量計として、半導体基板
を用い、この基板に形成された堀の上部に発熱体を設
け、この発熱体の流体により冷却される温度を測定する
ことによって流体の流量を測定する方式が提案されてい
る（特開昭５５−１１９３８１号公報、特公平３−５２
０２８号公報、特公平６−４３９０６号公報等参照）。

【０００３】図１４は、その半導体基板を用いた感熱式
流量計の構成例を示す（特公平３−５２０２８号公報参
照）。半導体基板として（１００）面を有するＳｉの基
板１を用い、その基板１の（１００）面には堀２が形成
され、その堀２の上部に＜１１０＞軸方向に対して４５
°方向に沿って２本の橋３，４が架橋されている。これ
ら橋３，４上には、発熱体を構成する抵抗素子５，６が
各々配線されている。また、図１５は、図１４の駆動回
路を示す。抵抗素子５，６はアンプ７，８に各々接続さ
れ、アンプ７とアンプ８との出力電圧の差がアンプ９の
出力電圧Ｖｏとして現われる。

【０００４】そして、基板１の堀２の上部においてＸ方
向に流体の流れが生じると、上流側の橋３上の抵抗素子
５が冷却されるのに対して、下流側の橋４上の抵抗素子
６はその上流側から熱が供給されるためほぼ一定の温度
を保つ。このとき、アンプ７には流量に比例した値が出
力電圧として現われ、アンプ８には流量依存性の小さい
出力電圧が現われるため、アンプ９において両者の電圧
差を求めることによって出力電圧Ｖｏには抵抗素子５，
６の熱的なゆらぎ等のノイズ成分が相殺された流量の成
分が検出される。これにより、Ｓ／Ｎを向上させて流量
測定を行うことができ、また、橋３，４の長手方向Ｙを
基板１の＜１１０＞軸方向に対して４５°方向に設定し
ていることから、堀２を異方性エッチングにより容易に
作製することが可能である。

【０００５】また、特公平６−４３９０６号公報によれ
ば、気体が流れる上流から下流に向けて順に、第１の測
温抵抗体→断熱手段→第１の発熱体→断熱手段→第２の
発熱体→断熱手段→第２の測温抵抗体を設け、第１の測
温抵抗体と第２の測温抵抗体との電圧差が流量に比例す
る点を利用して流量を決定する方式が示されている。

【０００６】さらに、そのような２つの出力値（出力電
圧）の差分値を求めてＳ／Ｎの向上を図った他の感熱式
流量計として、特公平７−３３５１号公報、特開平３−
２４８０１８号公報等がある。特公平７−３３５１号公
報の例では、支持部材の表裏両面に各々発熱体を配線し
てこれらを直列に接続し、支持部材の例えば表側を流れ
に直交して上流側に向ける。表裏（上流・下流）両者の
発熱温度の平均値が流体温度より常に一定温度高くなる
ように加熱しておき、流体の流れが生じたときのこれら
の２つの発熱体の電圧差から流量を測定する方式であ
る。また、特開平３−２４８０１８号公報の例では、流
体が流れる導管の上流及び下流にヒータを設け、これら
ヒータの抵抗又は温度が等しくなるように電力制御を行
うことによって、各ヒータに加えられた電力差から流量
を測定する方式である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図１４（特公
平３−５２０２８号公報）のようなＳｉ基板１の（１０
０）面に堀２を作製する場合、以下に述べるような問題
が生じる。通常、堀２の作製は、アルカリ液（ＫＯＨ
等）によるエッチング速度が結晶面の方向により異なる
原理を応用して行われているが、各結晶面（１００），
（１１０），（１１１）に対するエッチング速度には、（１００）＞（１１０）≫（１１１） …（１）のいわゆる異方性エッチングの関係がある。図１６
（ａ）に示すように、（１００）面にアルカリ液を用い
て堀２を作製する場合、堀２の側面方向Ｙ（橋３，４の
長手方向）へのエッチング速度は、（１００）面である
堀２の深さ方向Ｚへのエッチング速度とほぼ等しいた
め、橋３，４の熱絶縁性を高くするために堀２の深さを
深くしようとすると、堀２の側面方向Ｙへのサイドエッ
チ部１０が大きく形成されることになる。

【０００８】このようにサイドエッチ部１０が形成され
ると、図１６（ｂ）に示すように、設計上の橋３，４の
長さＬａよりも実際の長さＬｂの方が大幅に長くなって
しまい、これにより橋３，４の強度が弱められ、しか
も、異方性エッチングのばらつきによりサイドエッチ部
１０の大きさもばらつく。これにより橋３，４の熱絶縁
性もばらついてしまうので、量産時の工程管理をより厳
しくする必要がある。また、橋３，４は流量増加によっ
て冷されるので、抵抗素子５，６の抵抗値は流量増加に
より減少する。一般に感熱式フローセンサの感度は発熱
体の温度に依存する。従って、抵抗素子５，６間の出力
電圧の差分値と流量との間には線形性がなく、この従来
方式では正確な流量測定は困難である。

【０００９】また、特公平６−４３９０６号公報等に記
載されている従来例では、基板に形成した堀に架橋した
上流側の橋の測温抵抗体と下流側の橋の測温抵抗体との
電圧差から流量を決定しているが、これらの測温抵抗体
の電圧差、即ち、橋の温度差を測定するために、一般
に、その出力が低い。このため、精度よく流量を測定す
るためには、発熱体の温度を高くする必要がある。この
結果、感熱式流量計を低電圧駆動できず、消費電力を少
なくすることの妨げとなっている。さらに、このような
上流側の測温抵抗体と下流側の測温抵抗体との電圧差
は、図１７に示すように、低流量域で流量と線形な関係
にあるものの、高流量域になるほど、電圧差と流量との
関係が線形でなくなってくるので、高流量域での高精度
な測定が困難でもある。

【００１０】さらに、特公平７−３３５１号公報に記載
されている従来例では、２つの発熱体の電圧差から流量
を測定している。しかし、上流側の発熱体の抵抗値変化
が大きく下流側の発熱体の抵抗値変化が小さいため、２
つの発熱体を直列に接続し等しい電流で温度制御を行う
方式では、各発熱体の温度は流体流があるときには必ず
しも等しくならず、しかも、発熱体の抵抗値変化は流量
により著しく異なるため、発熱体温度が流量依存を示す
ようになり、これにより、出力（発熱体電圧差）−流量
曲線が非線形となって精度良い測定を行うことが困難と
なる。また、特開平３−２４８０１８号公報に記載され
ている従来例では、導管に設けられた各ヒータの電力差
から流量を測定する測定方式（マスフローコントローラ
用）をとっているが、流体に大きな圧力損失を生じるこ
とや、電力消費が大きいことから、微小流量域を低消費
電力で測定する方式としては必ずしも適したものではな
い。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明で
は、基板自身又は基板上に形成された熱絶縁部と、流体
の流れ方向に対して上流側と下流側とに位置させて前記
熱絶縁部上に設けられた複数の発熱体と、これらの発熱
体の温度を測定する発熱体温度測温体と、前記発熱体の
温度に影響されない部位に設けられた流体温度測温体
と、少なくとも前記発熱体温度測温体と前記流体温度測
温体とを含んで構成され前記発熱体の温度を一定に保つ
発熱体温度制御部と、上流側に設けられた前記発熱体の
出力値と下流側に設けられた前記発熱体の出力値との差
分値を求め流体の流量を決定する流量検出部とを備えて
いる。

【００１２】従って、流体の流れが発生すると、上流側
の発熱体及び発熱体温度測温体は流速に比例して冷却さ
れるのに対して、下流側の発熱体及び発熱体温度測温体
は逆に上流側から熱が供給されるため流速に関係なくほ
ぼ一定温度を保った状態とされる。これにより、上流側
の発熱体では、その発熱体の温度を一定に保つように流
量０の時よりも高い電圧が印加されその流速に比例した
印加電圧値が発熱体の出力値として現われ、一方、下流
側の発熱体では、その発熱体の温度はほぼ一定に保たれ
ているため印加電圧は殆ど変化せずにその流速に無関係
な印加電圧値が発熱体の出力値として現われる。そし
て、このようにして流速に比例した上流側の発熱体の出
力値（印加電圧）と、流速に無関係な下流側の発熱体の
出力値（印加電圧）との差分値を求めることによって、
オフセット等のノイズ成分を除去して流量の信号成分の
みを取出すことができる。また、低流量域から高流量域
にわたって発熱体出力と流速とが線形性を示すので、広
域にわたって高精度な測定が可能となる。このために
も、発熱体自身の出力を利用しているので低電圧駆動に
て測定を行える。

【００１３】請求項２記載の発明では、基板自身又は基
板上に形成された熱絶縁部と、流体の流れ方向に対して
上流側と下流側とに位置させて前記熱絶縁部上に設けら
れた複数の発熱体と、これらの発熱体の温度に影響され
ない部位に設けられた流体温度測温体と、少なくとも前
記発熱体と前記流体温度測温体とを含んで構成され前記
発熱体の温度を一定に保つ発熱体温度制御部と、上流側
に設けられた前記発熱体の出力値と下流側に設けられた
前記発熱体の出力値との差分値を求め流体の流量を決定
する流量検出部とを備えている。

【００１４】従って、請求項１記載の感熱式流量計の場
合と同様に、流速に比例した上流側の発熱体の出力値
（印加電圧）と、流速に無関係な下流側の発熱体の出力
値（印加電圧）との差分値を求め、オフセット等のノイ
ズ成分を除去して流量の信号成分のみを取出すことがで
きると共に、ここでは、各発熱体の温度測定をその発熱
体自身による抵抗値変化で測定することによって、短時
間で発熱体の温度を一定に保つことが可能となる。ま
た、低流量域から高流量域にわたって発熱体出力と流速
とが線形性を示すので、広域にわたって高精度な測定が
可能となる。このためにも、発熱体自身の出力を利用し
ているので低電圧駆動にて測定を行える。

【００１５】請求項３記載の発明では、請求項１又は２
記載の感熱式流量計における熱絶縁部を、基板に形成さ
れた堀の上部に架橋された橋としている。従って、発熱
体等はこの橋の上に配設されて流体の流れの中に晒され
るので、感度のよい測定が可能となる。

【００１６】請求項４記載の発明では、請求項１，２又
は３記載の感熱式流量計に加えて、上流側の発熱体の出
力値と、下流側の発熱体の出力値との差分値の正負によ
り流体の流れ方向を判断する流れ方向検出部を設けてい
る。従って、発熱体の出力値から得られた差分値の正負
を調べることによって、流路の下流側に例えば燃焼部が
存在した場合、その下流側から上流側に向かって逆方向
に流れが生じていることを容易に判断することができ、
これにより、各発熱体からの出力値を上・下流逆の立場
で取扱って、流量の算出を行うことが可能となる。

【００１７】請求項５記載の発明では、請求項３記載の
感熱式流量計における橋を２本とし、基板に形成された
堀に対して流体の流れの方向に対して上流側及び下流側
に位置させるとともに、上流側の橋の長手方向と下流側
の橋の長手方向とが互いに交差する角度で架橋するよう
にした。従って、上流側の橋の長手方向と下流側の橋の
長手方向とが互いに交差するような角度、例えば、上流
側の橋の長手方向を流体の流れ方向に対して略直交して
架橋し、下流側の橋の長手方向を流体の流れ方向に対し
て平行になるように架橋することによって、下流側での
流速に対する検出感度に比べて、上流側での流速に対す
る検出感度を一層高めることができる。

【００１８】請求項６記載の発明では、請求項１，２，
３，４又は５記載の感熱式流量計にける発熱体及び測温
体を、白金薄膜抵抗体により形成している。従って、量
産性が向上して安価に作製し得る上に、例えば、３Ｖの
ような低電圧駆動が可能となり、適用範囲が拡がる。

【００１９】請求項７記載の発明では、請求項６記載の
感熱式流量計において、発熱体温度制御部が、少なくと
も発熱体と流体温度測温体と温度設定用抵抗とを含むホ
イートストンブリッジ回路と、前記流体温度測温体に基
づき流体温度を測定する温度測定手段と、前記発熱体の
抵抗値を測定するための電流供給源と、測定された流体
温度と前記発熱体の抵抗値とを記憶して流量検出部の出
力を補正する流量補正手段とを備えて構成されている。
従って、高温度で駆動されることにより発熱体が示す経
時的な抵抗値変化があっても、このような発熱体の経時
的変化が補正されるので、長期に渡って精度のよい測定
が可能となる。

【００２０】請求項８記載の発明では、請求項３又は５
記載の感熱式流量計において、基板として（１１０）面
を有する半導体基板を用い、その（１１０）面に堀が形
成され、その堀の上部に架橋される橋の長手方向が、前
記半導体基板の＜１００＞軸の方向に対して略平行又は
略５５°の方向に設定されている。従って、橋が固定さ
れる基板との接続部下方における堀側面のアンダーエッ
チをなくすことができる。

【００２１】請求項９記載の発明では、基板の堀の上部
に位置し流体の流れ方向に対して上流及び下流に架橋さ
れた第１，第２の橋と、前記上流側の第１の橋と前記下
流側の第２の橋との間で交差しかつ流れ方向に沿って架
橋された第３の橋と、前記第１，第２，第３の各橋上に
設けられた発熱体と、この発熱体の温度に影響されない
部位に設けられた流体温度測温体と、少なくとも前記発
熱体と前記流体温度測温体とにより構成され前記発熱体
の温度を一定に保つ発熱体温度制御部と、前記第１又は
第２の橋上に設けられた前記発熱体の出力値と前記第３
の橋上に設けられた前記発熱体の出力値との差分値を求
め流体の流量と流れ方向を決定する流量・流れ方向検出
部とを備えている。

【００２２】従って、流体の流れが上流から下流に向け
て順方向に流れていると判断した場合には、第１の橋上
の発熱体の出力値（印加電圧）と、第３の橋上の出力値
（印加電圧）とから差分値が求められ、また、流体の流
れが下流から上流に向けて逆方向に流れていると判断し
た場合には、第２の橋上の発熱体の出力値（印加電圧）
と、第３の橋上の出力値（印加電圧）とから差分値が求
められる。この場合、第３の橋は流体の流れ方向に沿っ
て架橋されているため、順方向・逆方向の何れの方向に
も、流速に対する検出感度を極めて低く設定することが
でき、これにより、出力値の差分値からオフセット等の
ノイズ成分を除去して流量の信号成分のみを一層精度良
く取出すことができる。

【００２３】請求項１０記載の発明では、請求項３，５
又は９記載の感熱式流量計において、流体温度測温体
が、発熱体による熱的な影響を受けない位置の堀の上部
に架橋された橋上に設けられている。従って、その流体
温度測温体を基板から断熱させ、熱容量を小さくするこ
とが可能となる。

【００２４】

【発明の実施の形態】本発明の実施の第一の形態を図１
ないし図５に基づいて説明する（請求項１，３，４，６
及び８記載の発明に対応する）。図１は、本実施の形態
の感熱式流量計のセンサチップの構成を示す。このセン
サチップは、（１１０）面を有するＳｉの基板１１（半
導体の単結晶基板）により構成されている。その（１１
０）面方向である深さ方向Ｚには、堀１２が形成されて
いる。この堀１２の中央部上空には、流体の流れ方向Ｘ
に略直交させて、熱絶縁部となる２本の橋１３，１４が
架橋されている。橋１３は流体の流れの方向Ｘに対して
上流側に位置し、橋１４は下流側に位置している。これ
ら橋１３，１４の長手方向Ｙは、基板１１の＜１００＞
軸方向に対して略５５°（又は、略平行でもよい）の方
向に設定されている。

【００２５】上流側の橋１３上には、発熱体Ｒｈ₁ とこ
の発熱体Ｒｈ₁ の温度を測定するための発熱体温度測温
体Ｒｓ₁ とが配線されている。下流側の橋１４上には、
発熱体Ｒｈ₂ とこの発熱体Ｒｈ₂ の温度を測定するため
の発熱体温度測温体Ｒｓ₂ とが配線されている。また、
堀１２の周囲の発熱体Ｒｈ₁ ，Ｒｈ₂ の温度に影響され
ない基板１１の面上には、流体温度測温体Ｒｆ₁ ，Ｒｆ
₂ が各々配線されている。これらの発熱体Ｒｈ₁ ，Ｒｈ
₂ 及び測温体Ｒｓ₁ ，Ｒｓ₂ ，Ｒｆ₁ ，Ｒｆ₂は、何れ
も白金薄膜抵抗体によりパターン形成されている。

【００２６】図２は、図１に示したセンサチップの駆動
回路の構成を示す。まず、上流側に関して、発熱体温度
測温体Ｒｓ₁ と流体温度測温体Ｒｆ₁ と固定抵抗Ｒ₁₁，
Ｒ₂₁と温度設定用抵抗Ｒｔ₁ とによりホイートストンブ
リッジ回路１５が構成されている。このホイートストン
ブリッジ回路１５はＯＰアンプ１６に接続され、ＯＰア
ンプ１６はトランジスタ１７のベースに接続されてい
る。そのトランジスタ１７のエミッタには、発熱体Ｒｈ
₁ が接続されている。下流側に関しても同様に、発熱体
温度測温体Ｒｓ₂ と流体温度測温体Ｒｆ₂ と固定抵抗Ｒ
₁₂，Ｒ₂₂と温度設定用抵抗Ｒｔ₂ とによりホイートスト
ンブリッジ回路１８が構成されている。このホイートス
トンブリッジ回路１８はＯＰアンプ１９を介してトラン
ジスタ２０のベースに接続され、そのエミッタには発熱
体Ｒｈ₂ が接続されている。これらのホイートストンブ
リッジ回路１５，１８とＯＰアンプ１６，１９とトラン
ジスタ１７，２０とにより、各発熱体Ｒｈ₁ ，Ｒｈ₂ の
温度を一定に保つための発熱体温度制御部２１が構成さ
れている。

【００２７】また、発熱体Ｒｈ₁ ，Ｒｈ₂ が各々接続さ
れたトランジスタ１７，２０のエミッタは、流量検出部
としてのＯＰアンプ２２に接続されている。このＯＰア
ンプ２２は、発熱体Ｒｈ₁ を発熱させるための印加電圧
Ｖ₁ （出力値）と、発熱体Ｒｈ₂ を発熱させるための印
加電圧Ｖ₂ （出力値）との差分値である電圧差Ｖ₁₂を求
める。この電圧差Ｖ₁₂を演算回路（図示せず）に送るこ
とにより出力−流量曲線を用いて流量が決定される。ま
た、ここでは、ＯＰアンプ２２の電圧差Ｖ₁₂の正負を調
べて流体の流れ方向を判断する流れ方向検出部（図示せ
ず）が設けられている。

【００２８】このような構成において、本装置の動作に
ついて述べる。まず、発熱体Ｒｈ₁，Ｒｈ₂ は図２に示
したような駆動回路による制御で、各々流体の温度より
も高い一定温度に制御される。このような状態で、Ｘ方
向に流体の流れが生じると、上流側の橋１３は冷却され
るため、発熱体温度測温体Ｒｓ₁ の抵抗値は下がる。こ
れにより、ホイートストンブリッジ回路１５のバランス
が崩れてその出力差がＯＰアンプ１６により検出され、
トランジスタ１７が駆動されて発熱体Ｒｈ₁ は前記一定
温度に戻るまで発熱する。このとき、発熱体Ｒｈ₁ に印
加される印加電圧Ｖ₁ は、発熱体温度測温体Ｒｓ₁ の抵
抗値が流速０の状態に戻るまでの抵抗値変化に比例す
る。一方、下流側の橋１４には、上流側の発熱体Ｒｈ₁
によって暖められた流体が導かれるため、橋１４上の発
熱体Ｒｈ₂ の温度は流体の流速が遅い場合は極めて僅か
しか変化せず、また、流体の流速が速くなってもこの発
熱体Ｒｈ₂ の冷される度合いは上流側の発熱体Ｒｈ₁ の
場合よりも極めて少ない。

【００２９】図３及び図４は、図２に示したような駆動
回路を３Ｖの電池を用いて駆動させ、橋１３，１４の加
熱温度を室温（流体温度）よりも５０℃上昇させた場合
における発熱体印加電圧（駆動電圧）Ｖ₁ ，Ｖ₂ 、発熱
体電圧差Ｖ₁₂の出力−流速曲線の測定結果を示す。図３
の出力−流速曲線に示すように、上流側の発熱体Ｒｈ₁
の印加電圧Ｖ₁ は流速の増大に比例して増加するのに対
して、下流側の発熱体Ｒｈ₂ の印加電圧Ｖ₂ は流速が増
大しても殆ど変化せず、特に低流量域では流量依存性を
示さない。これに対して、電圧差Ｖ₁₂は、Ｖ₁₂＝Ｖ₁ −Ｖ₂ …（２）として表わされることから、図４の出力−流速曲線に示
すように、流速に対して低流量域から高流量域まで優れ
た線形性を示すことがわかる。

【００３０】よって、印加電圧Ｖ₁ とＶ₂ の差をとるこ
とにより、素子の経時変化、オフセット、電源電圧変動
等に起因するＶ₁ ，Ｖ₂ の同相ノイズやドリフトがキャ
ンセルでき、流量成分のみの信号を取り出すことができ
る。この流量成分のみを取り出すことが線形性の良さに
現われることになり、これにより、Ｓ／Ｎを従来に比べ
て格段に向上させることができるため、特に低流量域で
の流量の測定精度を良くすることができる。また、この
ような測定を３Ｖといった低電圧駆動の下に低消費電力
状態で行えるものである。

【００３１】ところで、Ｓｉウェハ等の半導体基板は、
一般にその結晶面方向によりエッチング速度に差がある
ことが知られている。アルカリ液としてＫＯＨ溶液をエ
ッチャントとして用いた場合、前述した（１）式の関係
から、（１１１）面は極めてエッチング速度が小さい。
本実施の形態では、（１１０）面を有するＳｉの基板１
１を用い、その（１１０）面の深さ方向Ｚに堀１２が形
成され、橋１３，１４の長手方向Ｙを基板１１の＜１０
０＞軸に対して略５５°の方向に設定していることか
ら、流体の流れ方向Ｘに沿った堀１２の側面１２ａ，１
２ｂを（１１１）面で構成することができる。

【００３２】このようなことから、ＫＯＨ溶液を用いて
異方性エッチングを行った場合、堀１２の底面方向、即
ち、深さ方向Ｚである（１１０）面に対するエッチング
速度に比べて、堀１２の側面１２ａ，１２ｂの長手方向
Ｙの（１１１）面に対するエッチング速度を極めて遅く
することができる。これにより、図５（ａ）に示すよう
に、堀１２を深く形成したような場合でも、堀１２の側
面１２ａ，１２ｂを基板１１の底面に対してほぼ垂直に
形成することができるため、橋１３，１４の長手方向Ｙ
の長さをエッチング時間に関係なく設計図通りの長さＬ
ａに設定することができる。従って、従来例（図１６参
照）のようなアンダーエッチによるサイドエッチ部１０
の形成を防ぐことができるため、堀１２を十分深くする
ことができ、これにより、橋１３，１４の熱絶縁性を大
きくすることができ、駆動回路の静特性を安定化して測
定精度を高めることが可能となる。

【００３３】橋１３，１４の長手方向Ｙを基板１１の＜
１００＞軸に対して略平行に設定した場合であれば、堀
１２の底面を（１１１）面で構成することができる。そ
して、前記同様、ＫＯＨ溶液を用いて異方性エッチング
を行うと、深さ方向Ｚに対するエッチング速度に比べて
長手方向Ｙのエッチング速度を遅くすることができるた
め、図５（ｂ）に示すように、堀１２をＶ字形に形成す
ることができる。この場合にも、堀１２のアンダーエッ
チを防ぐことができるため、橋１３，１４の長手方向Ｙ
の長さを設計図通りの長さＬａに設定することができ
る。

【００３４】また、図３に示した特性からも分かるよう
に、流体の流れにより上流側の橋１３は冷却されるた
め、発熱体Ｒｈ₁ の印加電圧は流速に比例して上昇する
のに対して、下流側の橋１４は流速が大きくなっても殆
ど温度変化が生じないため、発熱体Ｒｈ₂ の印加電圧は
低流速域では殆どなく、高流速域になっても低い電圧し
か示さない。このようなことから、発熱体Ｒｈ₁ の印加
電圧と発熱体Ｒｈ₂ の印加電圧との差が正であれば、流
体は橋１３から橋１４の順方向に流れ、これらの印加電
圧の差が負であれば、流体は橋１４から橋１３の逆方向
に流れていることになる。従って、流れ方向検出部にお
いてＯＰアンプ２２の出力値である電圧差Ｖ₁₂の正負を
判断することによって、流体が順方向に流れているの
か、逆方向に流れているのかを容易に判断することがで
きる。これにより、流速を測定して積分により流量を求
める場合における逆方向の流れによる測定誤差をなくす
ことができる。

【００３５】次に、本実施の形態に関する各種の変形例
について説明する。まず、発熱体としては、白金薄膜抵
抗体以外に、ＮｉＦｅ合金、或いは、ＮｉＣｒ合金の薄
膜により形成してもよく、又は、トランジスタ発熱体等
の半導体素子を用いてもよい。測温体（発熱体温度測温
体、流体温度測温体）としても、白金薄膜抵抗体以外
に、ＮｉＦｅ合金薄膜により形成してもよく、又は、ト
ランジスタやサーミスタ等の半導体素子を用いてもよ
い。

【００３６】図６に発熱体及び測温体としてトランジス
タを用いた場合の駆動回路の構成例を示す。基本構成は
図２に示した駆動回路構成に準じている。ここに、発熱
体Ｒｈ₁ ，Ｒｈ₂ に代えてトランジスタＴｈ₁ ，Ｔｈ₂
が用いられ、発熱体温度測温体Ｒｓ₁ ，Ｒｓ₂ に代えて
トランジスタＴｓ₁ ，Ｔｓ₂ が用いられ、流体温度測温
体Ｒｆ₁ ，Ｒｆ₂ に代えてトランジスタＴｆ₁ ，Ｔｆ₂
が用いらている。発熱はトランジスタＴｈ₁ ，Ｔｈ₂ の
コレクタ損失を利用し、温度測定はトランジスタＴｓ
₁ ，Ｔｓ₂ ，Ｔｆ₁ ，Ｔｆ₂ のベース・エミッタ電圧が
温度に比例することを利用している。図６において、発
熱体として機能するＴｈ₁ ，Ｔｈ₂ に流れる電流の差
を、各々のエミッタに接続した抵抗Ｒｃ₁ ，Ｒｃ₂ の両
端電圧Ｖｃ₁，Ｖｃ₂ としてＯＰアンプ３１，３２によ
り測定し、上・下流の発熱体の駆動電流差を電圧差Ｖｃ
₁₂＝Ｖｃ₁ −Ｖｃ₂ としてＯＰアンプ２２により求め
る。この電圧差Ｖｃ₁₂が、前述した場合のように流量と
線形な比例関係にあることはいうまでもない。

【００３７】次に、基板としてはＳｉ基板に限らず、例
えば、ガラス、石英などのように電気的かつ熱的に絶縁
性を示す基板（熱絶縁基板）を用い、基板自身を熱絶縁
部として用いるようにしてもよい。或いは、ＳｉＯ₂ ，
Ｓｉ₃Ｎ₄，Ｔａ₂Ｏ₅などのように電気的かつ熱的に絶縁
性を示す絶縁体層で表面を被膜した半導体基板を用いて
もよい。このような半導体基板を用いる場合、前述した
ように、半導体基板をエッチングして堀を形成し、この
堀により空中に浮いた絶縁体層を橋（＝熱絶縁部）とし
てその上に発熱体を設ける他、堀及び橋を形成せず、絶
縁体層のダイヤフラムを利用するようにしてもよい。

【００３８】図７は、このような絶縁体層のダイヤフラ
ムを利用したセンサチップ構成例を示す。図示例では、
絶縁体層３３の反対側から半導体基板３４をエッチング
することにより、熱絶縁部となる絶縁体層３３によるダ
イヤフラム３５を作製し、このダイヤフラム３５上に発
熱体Ｒｈ₁ ，Ｒｈ₂ 、発熱体温度測温体Ｒｓ₁ ，Ｒｓ
₂ 、流体温度測温体Ｒｆが薄膜抵抗体によりパターン形
成されている。この場合、上流側の発熱体Ｒｈ₁ と下流
側の発熱体Ｒｈ₂ との絶縁体層３３を通しての直接的な
熱の干渉をより少なくするため、図８に示すように、発
熱体Ｒｈ₁ ，Ｒｈ₂ 間、或いは、ダイヤフラム３５の端
部にスリット３６を形成して断熱するようにしてもよ
い。

【００３９】また、ダイヤフラムにおいて、発熱体及び
測温体にトランジスタを利用する場合であれば、poly−
Ｓｉ膜上にＴＦＴとして形成するか、或いは、Ｓｉチッ
プ上に形成すればよい。もっとも、Ｓｉチップは熱伝導
性が比較的よいので、図７に示したようなダイヤフラム
をＳｉチップに形成し、その上にトランジスタを作製す
ることにより、消費電力を抑えるようにするのがよい。

【００４０】なお、図７では、基板３４の下面からエッ
チングしてダイヤフラムを作製する例を示したが、ダイ
ヤフラムは基板上面からスリット３６を介してＳｉをエ
ッチングすることにより作製するようにしてもよい。も
っとも、この際にはダイヤフラムにＳｉ基板の未エッチ
ング部分が残らないようにスリット形状、大きさ、分布
等を考慮する必要がある。

【００４１】次に、本発明の実施の第二の形態を図９及
び図１０に基づいて説明する（請求項２及び３記載の発
明に対応する）。なお、前述した実施の第一の形態で示
した部分と同一部分は同一符号を用いて示し、その説明
も省略する（以下の実施の形態においても同様とす
る）。

【００４２】本実施の形態の感熱式流量計のセンサチッ
プ構成を示す図９において、堀１２の上空で流体の流れ
方向Ｘに略直交して架橋された２本の橋１３，１４に
は、発熱体Ｒｈ₁ ，Ｒｈ₂ が各々配線されている。ここ
では、前述した実施の形態における発熱体温度測温体Ｒ
ｓ₁ ，Ｒｓ₂ は用いられていない。この他の基板１１の
材質、作製方法は、前述した図１に示したセンサチップ
の場合と同様である。

【００４３】図１０は、図９に示したセンサチップの駆
動回路の構成を示す。まず、上流側に関して、発熱体Ｒ
ｈ₁ と流体温度測温体Ｒｆ₁ と固定抵抗Ｒ₁₁，Ｒ₂₁と温
度設定用抵抗Ｒｔ₁ とによりホイートストンブリッジ回
路２３が構成されている。このホイートストンブリッジ
回路２３はＯＰアンプ１６に接続され、ＯＰアンプ１６
はトランジスタ１７のベースに接続されている。そのト
ランジスタ１７は、電源Ｖとホイートストンブリッジ回
路２３との間に設けられている。一方、下流側に関して
も、発熱体Ｒｈ₂ と流体温度測温体Ｒｆ₂ と固定抵抗Ｒ
₁₂，Ｒ₂₂と温度設定用抵抗Ｒｔ₂ とによりホイートスト
ンブリッジ回路２４が構成されている。このホイートス
トンブリッジ回路２４はＯＰアンプ１９を介してトラン
ジスタ２０のベースに接続されている。そのトランジス
タ２０は、電源Ｖとホイートストンブリッジ回路２４と
の間に設けられている。これらのホイートストンブリッ
ジ回路２３，２４とＯＰアンプ１６，１９とトランジス
タ１７，２０とにより、各発熱体Ｒｈ₁ ，Ｒｈ₂ の温度
を一定に保つための発熱体温度制御部２５が構成されて
いる。

【００４４】また、ホイートストンブリッジ回路２３を
構成する発熱体Ｒｈ₁ の一端と、ホイートストンブリッ
ジ回路２４を構成する発熱体Ｒｈ₂ の一端とは、ＯＰア
ンプ２２に接続されている。このＯＰアンプ２２は、発
熱体Ｒｈ₁ を発熱させるための印加電圧Ｖ₁ と、発熱体
Ｒｈ₂ を発熱させるための印加電圧Ｖ₂ との電圧差Ｖ₁₂
を求める。

【００４５】このような構成において、本装置の動作に
ついて述べる。流体がＸ方向に流れて上流側の橋１３上
の発熱体Ｒｈ₁ が冷却されると、ホイートストンブリッ
ジ回路２３を構成する発熱体Ｒｈ₁ の抵抗値が変化し、
この抵抗値変化に伴って印加電圧Ｖ₁ の値も変化する。
一方、下流側の橋１４上の発熱体Ｒｈ₂ の抵抗値は殆ど
変化しないため、印加電圧Ｖ₂ の値も殆ど変わらない。
従って、（２）式により求まるＯＰアンプ２２の電圧差
Ｖ₁₂を、前述した図４に示す特性と同様な線形性のよい
値として得ることができる。

【００４６】本実施の形態によれば、発熱体Ｒｈ₁ ，Ｒ
ｈ₂ の抵抗値変化を、これらの発熱体自身の抵抗値変化
で直接測定しているため、発熱体温度を短時間で一定に
することができる。これにより、発熱体Ｒｈ₁ ，Ｒｈ₂
をパルス駆動させ、そのパルス幅を短く設定することが
できるため、消費電力の省力化を図りながら駆動回路を
動作させることが可能となる。もっとも、発熱体Ｒｈ
₁ ，Ｒｈ₂ としては、白金、ＮｉＦｅ合金のように、発
熱によって抵抗値が大きく変化する、即ち、抵抗値の温
度係数が大きいものがよい。

【００４７】次に、本発明の実施の第三の形態を図１１
に基づいて説明する（請求項５記載の発明に対応す
る）。

【００４８】本センサチップは、図１１（ａ）に示すよ
うに、（１１０）面を有するＳｉの基板１１により構成
され、この基板１１の上・下流の２箇所に堀１２が形成
されている。上流側の堀１２には、流体の流れ方向Ｘに
略直交して橋１３が架橋されている。この上流側の橋１
３の長手方向Ｙは、基板１１の＜１００＞軸方向に対し
て略５５°（又は、略平行でもよい）に設定されてい
る。一方、下流側の堀１２には、上流側の橋１３の長手
方向Ｙと交差する方向、ここでは、流体の流れ方向Ｘに
沿って橋１４が架橋されている。橋１３上には発熱体Ｒ
ｈ₁ が配線され、橋１４上には発熱体Ｒｈ₂ が配線され
ている。

【００４９】また、上流側の堀１２内に位置する発熱体
Ｒｈ₁ の温度に影響されない基板１１の面上には、流体
温度測温体Ｒｆ₁ が配線されている。同様に、下流側の
堀１２内に位置する発熱体Ｒｈ₂ の温度に影響されない
基板１１の面上には、流体温度測温体Ｒｆ₂ が配線され
ている。

【００５０】なお、このようにして構成されたセンサチ
ップの駆動回路は、前述した図１０と同様な回路構成に
より容易に実現される。

【００５１】このような構成において、下流側の橋１４
の長手方向を、上流側の橋１３の長手方向Ｙに対して交
差するような角度（ここでは略９０°方向）の流体の流
れ方向Ｘに沿って配置したことによって、下流側の発熱
体Ｒｈ₂ の流速に対する検出感度（流速依存性）を極め
て低く設定することが可能となる。これにより、前述し
た図３に示したような発熱体Ｒｈ₂ の流速に対する印加
電圧Ｖ₂ の値を、低流量域のみならず高流量域において
も殆ど０値にすることができる。しかも、この場合、発
熱体Ｒｈ₁ 側の印加電圧Ｖ₁ に含まれるオフセット量
と、発熱体Ｒｈ₂側の印加電圧Ｖ₂ に含まれるオフセッ
ト量とは同等であることから、両者の電圧差Ｖ₁₂を求め
ることによって、低流量域から高流量域に渡って一層線
形性に優れた出力−流速曲線を得ることができる。

【００５２】また、流体の流れ方向Ｘに対して略直交し
て架橋された上流側の橋１３は流速依存性が極めて高い
が、その橋１３の長手方向Ｙは＜１００＞軸方向に対し
て略５５°に設定されていることから、堀１２の側面１
２ａ，１２ｂを前述した図５（ａ）に示したような（１
１１）面として構成することができる。これにより、堀
１２の長手方向Ｙに対するアンダーエッチをなくし、か
つ、その堀１２を深さ方向Ｚに深く形成することができ
るため、橋１３の熱絶縁性を大きくすることができる。
従って、本センサチップを用いることによって、低流量
域から高流量域に渡ってＳ／Ｎを一層向上させ、精度の
高い流量測定を行うことができる。

【００５３】なお、ここでは、上流側の橋１３の長手方
向Ｙに対する下流側の橋１４の長手方向の交差角度を略
９０°に設定したが、必ずしもこのような角度に限るも
のではない。また、本センサチップでは、橋１３，１４
上に発熱体Ｒｈ₁ ，Ｒｈ₂ のみが配線されている場合に
ついて述べたが、これに限るものではなく、例えば前述
した図１に示したセンサチップと同様に、橋１３，１４
上に発熱体Ｒｈ₁ ，Ｒｈ₂ と発熱体温度測温体Ｒｓ₁ ，
Ｒｓ₂ とを配線した構成としてもよい。また、図１１
（ｂ）に示すように、橋１３，１４を同一の堀１２上部
に設けてもよい。この場合、上流側の橋１３の長手方向
Ｙを、Ｓｉ（１１０）面の基板１１の＜１００＞軸方向
に略５５°の方向又は＜１００＞軸に略平行（図示せ
ず）の方向に設定すればよい。

【００５４】ところで、これらの実施の形態中に示した
発熱体、測温体の材料に関して検討する。例えば、図１
等に示したように、発熱体Ｒｈの温度をこの発熱体Ｒｈ
の近傍に設けた発熱体温度測温体Ｒｓで測定し、発熱体
Ｒｈの温度が一定となるようにセンサを駆動させる、所
謂、傍熱型駆動方式においては、前述したように、発熱
体Ｒｈとしては白金膜抵抗体、ＮｉＣｒ合金膜抵抗体、
ＮｉＦｅ合金膜抵抗体、或いは、トランジスタ発熱体等
が使用可能である。測温体としては、白金膜抵抗体、Ｎ
ｉＣｒ合金膜抵抗体、トランジスタ、サーミスタ等が使
用可能である。一方、図９等に示したように、ホイート
ストンブリッジ回路中に発熱体を組み込み、発熱体その
ものの抵抗値の変化で発熱体温度を制御する、所謂、直
熱型駆動方式においては、上述したように、発熱体、測
温体（流体温度測温体）とも、温度によってその抵抗値
が大きく変わる白金膜抵抗体やＮｉＦｅ合金膜抵抗体を
使う必要がある。

【００５５】ここに、ＮｉＣｒ合金膜抵抗体やＮｉＦｅ
合金膜抵抗体は、その作製において、バッチ間、或い
は、基板間、基板内でＮｉとＣｒ、或いは、ＮｉとＦｅ
との成分比を一定に保つことは非常に困難である。この
結果、抵抗値の温度係数のばらつきが大きくなるので、
量産時の歩留まりが悪い。

【００５６】また、トランジスタの場合には、順方向電
圧が温度に対して２．０〜２．５ｍＶ／℃なるリニアな
特性を持つことを利用して温度を検出するものと、拡散
法により形成された拡散抵抗値が温度により変化するこ
とを利用して温度を検出するものとの２通りが考えられ
る。しかし、前者の検出方式においては、トランジスタ
の順方向電圧の温度依存性がリニアであるのは限られた
温度範囲であり、−２０〜７０℃といったような野外で
の検出に使用するのは困難である。さらに、例えば３Ｖ
の電池駆動のような場合、発熱体に印加できる電圧は１
〜２Ｖ程度が限度であり、このような印加電圧でトラン
ジスタを発熱体として利用することは困難である。逆に
いえば、発熱体として使用するためには大きめの印加電
圧を必要とし、省電力化の点で難点がある。一方、後者
の検出方式においては、薄膜抵抗体をスパッタリング装
置、或いは、蒸着装置で作製するのに比べて遥かに工程
数が多く、かつ、ドーピングにおけるばらつきも多いの
で、生産性が低い。

【００５７】サーミスタの場合には、蒸着法或いは印刷
法により容易に作製し得るが、サーミスタそのものは、
Ｍｎ，Ｎｉ或いはＣｏ等の酸化物であるので、量産時に
その抵抗値の温度係数を一定値にすることが困難であ
る。

【００５８】つまり、これらの材料的な比較結果によれ
ば、トランジスタ以外は低電圧駆動し得るものの、Ｎｉ
Ｃｒ合金膜、ＮｉＦｅ合金膜、サーミスタは量産時にお
ける温度係数のばらつきが大きいという欠点がある。よ
って、発熱体や測温体の材料としては、低電圧駆動（省
電力化）及び量産性を考慮すると、白金薄膜抵抗体が最
も優れているといえる（請求項６記載の発明に対応す
る）。

【００５９】次に、本発明の実施の第四の形態を図１２
に基づいて説明する（請求項９及び１０記載の発明に対
応する）。

【００６０】本実施の形態の感熱式流量計のセンサチッ
プを構成する基板１１の中央には、流体の流れ方向Ｘに
沿って堀１２が形成されている。この堀１２の中央付近
には、流体の流れ方向Ｘに略直交して第１，第２の橋２
６，２７が架橋されている。上流側の第１の橋２６と下
流側の第２の橋２７との間には、流体の流れ方向Ｘに沿
って第３の橋２８が架橋されている。これらの第１ない
し第３の橋２６〜２８上には、発熱体Ｒｈ₁ ，Ｒｈ₂ ，
Ｒｈ₃ が各々配線されている。また、これらの発熱体Ｒ
ｈ₁ ，Ｒｈ₂ ，Ｒｈ₃ の温度に影響されない堀１２の上
流及び下流の位置には、流体の流れ方向Ｘに略直交して
橋２９，３０が架橋されている。上流側の橋２９には流
体温度測温体Ｒｆ₁ が配線され、下流側の橋３０には流
体温度測温体Ｒｆ₂ が配線されている。

【００６１】また、本センサチップの駆動回路として
は、例えば前述した図１０を基本構成として構成すれば
よい。ただし、第１，第２の橋２６，２７上の発熱体Ｒ
ｈ₁ ，Ｒｈ₂ が図１０の流速依存性の高い発熱体Ｒｈ₁
に対応し、また、第３の橋２８上の発熱体Ｒｈ₃ が図１
０の流速依存性を示さない発熱体Ｒｈ₂ に対応する。従
って、ここでは、発熱体Ｒｈ₁ ，Ｒｈ₂ 及び流体温度測
温体Ｒｆ₁ により構成されるホイートストンブリッジ回
路と、発熱体Ｒｈ₃ 及び流体温度測温体Ｒｆ₂ により構
成されるホイートストンブリッジ回路とを基本構成とす
ることによって各々の発熱体温度を一定に保つ発熱体温
度制御部（図示せず）が構成される。また、この発熱体
温度制御部は、流量・流れ方向検出部（図示せず）と接
続されている。この流量・流れ方向検出部は、第１，第
２の橋２６，２７上の発熱体Ｒｈ₁又は発熱体Ｒｈ₂ の
印加電圧Ｖ₁ （出力値）と、第３の橋２８上の発熱体Ｒ
ｈ₃の印加電圧Ｖ₂ （出力値）との電圧差Ｖ₁₂を求めて
流体の流量を決定すると共にその電圧差Ｖ₁₂の正負から
流量の流れ方向を決定する。

【００６２】なお、基板１１としては、（１１０）面を
有するＳｉの単結晶基板を用い、その（１１０）面に堀
１２を形成するようにしてもよい。これに伴い、橋２
６，２７の長手方向Ｙを、基板１１の＜１００＞軸方向
に対して略５５°又は略平行に設定してもよい。

【００６３】このような構成において、第３の橋２８は
流体の流れ方向Ｘに沿って架橋されているため、流速に
対する検出感度を極めて低く設定することができる。そ
して、流体の流れが順方向（流れ方向Ｘ）であると判断
した場合には、上流側の第１の橋２６上の流速依存性が
高い発熱体Ｒｈ₁ から得られる印加電圧Ｖ₁ と、第３の
橋２８上の流速依存性が極めて低い発熱体Ｒｈ₃ から得
られる印加電圧Ｖ₂ とを用い、（２）式により電圧差Ｖ
₁₂を求める。一方、流体の流れが逆方向（流れ方向Ｘと
は反対方向）であると判断した場合には、下流側の第２
の橋２７上の流速依存性が高い発熱体Ｒｈ₂ の印加電圧
Ｖ₁ と、第３の橋２８上の流速依存性が極めて低い発熱
体Ｒｈ₃ の印加電圧Ｖ₂ とを用い、（２）式により電圧
差Ｖ₁₂を求める。このようにして求められた電圧差Ｖ₁₂
の出力−流速曲線の線形性（前記図４参照）は、順方向
・逆方向の何れの流れに対しても優れていることから、
極めて高感度な測定を行うことができる。

【００６４】また、一般に、流体の温度と環境温度とが
異なる場合、例えば、ガス（ＬＰＧ）を大量に使用して
そのガス温度が環境温度に一致していない場合、流体温
度測定用の流体温度測温体を熱容量の大きな基板１１の
面上に設けたのでは、流体温度を正確に測定することが
できない場合がある。しかし、本実施の形態では、流体
温度測温体Ｒｆ₁ ，Ｒｆ₂ を熱容量の非常に小さな橋２
９，３０上に設けていることから、流体の温度が環境温
度に対して急激に異なったとしても十分その変化に追従
することが可能となり、流体温度を正確に測定すること
ができる。これにより、駆動回路におけるホイートスト
ンブリッジ回路を構成する流体温度測温体Ｒｆ₁ ，Ｒｆ
₂ の値を常に正確な値に保つことができるため、一層正
確な流量測定を行うことができる。

【００６５】本発明の実施の第五の形態を図１３に基づ
いて説明する（請求項７記載の発明に対応する）。

【００６６】本実施の形態では、発熱体Ｒｈ₁ ，Ｒｈ₂
の抵抗値の経時的な変化を考慮し、その補正機能が付加
されて構成されている。即ち、発熱体Ｒｈ₁ ，Ｒｈ₂ は
高温度で駆動されるので、長期的にはその抵抗値が経時
的に変化する。このため、例えば、図２或いは図１０に
示したような発熱体温度制御部２１，２５を用いても、
発熱体Ｒｈ₁ ，Ｒｈ₂ の温度を長期に渡って一定に制御
することはできない。ここに、感熱式流量計の感度は発
熱体Ｒｈ₁ ，Ｒｈ₂ の温度に依存するので、測定された
流量は正しい値から徐々にずれてくることになる。この
ようなずれは、発熱体Ｒｈ₁ ，Ｒｈ₂ を高い温度で加熱
するほど、著しい。

【００６７】そこで、本実施の形態においては、例え
ば、図２に示した駆動回路を例に採ると、発熱体温度制
御部２１が補正機能付きの発熱体温度制御部３７として
構成されている。この発熱体温度制御部３７は、少なく
とも発熱体Ｒｈ₁ と流体温度測温体Ｒｆ₁ と温度設定用
抵抗Ｒｔ₁ とを含むホイートストンブリッジ回路１５
と、少なくとも発熱体Ｒｈ₂ と流体温度測温体Ｒｆ₂ と
温度設定用抵抗Ｒｔ₂ とを含むホイートストンブリッジ
回路１８と、流体温度測温体Ｒｆ₁ ，Ｒｆ₂ の両端の電
位に基づき流体温度を測定する温度測定手段（図示せ
ず）と、発熱体Ｒｈ₁，Ｒｈ₂ の抵抗値を測定するため
の電流供給源としての定電流源３８，３９と、測定され
た流体温度と発熱体Ｒｈ₁ ，Ｒｈ₂ の抵抗値とを記憶し
て流量検出部を構成するＯＰアンプ２２に対する出力を
補正する流量補正手段としての発熱体出力補正回路４
０，４１とを備えて構成されている。発熱体出力補正回
路４０，４１により発熱体Ｒｈ₁ ，Ｒｈ₂ の出力Ｖ₁ ，
Ｖ₂ を補正するため、発熱体Ｒｈ₁，Ｒｈ₂ には各々可
変抵抗Ｒｃ₁ ，Ｒｃ₂ が直列に接続されている。また、
前記定電流源３８，３９はチェックモード時のみ使用す
るものであり、発熱体Ｒｈ₁，Ｒｈ₂ に対する接続を、
トランジスタ１７，２０側と定電流源３８，３９側とで
モードに応じて切り換えるスイッチ４２，４３が設けら
れている。

【００６８】このような構成において、まず、発熱体Ｒ
ｈ₁ ，Ｒｈ₂ の現在の抵抗値を決定するためには、これ
らの発熱体Ｒｈ₁ ，Ｒｈ₂ が発熱しないような低電流、
例えば、１０μＡ程度の一定電流を定電流源３８，３９
から発熱体Ｒｈ₁ ，Ｒｈ₂ に流し、発熱体Ｒｈ₁ ，Ｒｈ
₂ 各々の両端電位差を発熱体出力補正回路４０，４１に
て測定する必要がある。これは、流体の流れがある条件
下であっても測定できる。もつとも、ここで測定される
抵抗値Ｒは流体の温度Ｔの関数であり、経時的な変化分
を求めるためには設計時の温度Ｔ₀ での抵抗値に換算す
る必要がある。そのためには、現在の流体温度Ｔを知る
必要がある。現在の流体温度は、ホイートストンブリッ
ジ回路１５，１８中の流体温度測温体Ｒｆ₁ ，Ｒｆ₂ の
両端の出力を発熱体出力補正回路４０，４１に取り込む
ことにより測定される。通常、流体温度測温体Ｒｆ₁ ，
Ｒｆ₂ に流れる電流は極めて僅かであるので、その抵抗
値の経時的変化は無視できるので、この手法によって、
長期に渡って流体温度を正しく測定できると考えて支障
ない。測定値Ｒは設計時の温度Ｔ₀では、Ｒ／｛１＋α（Ｔ−Ｔ₀）｝であるので、経時変化分ΔＲは、 ΔＲ＝Ｒ／｛１＋α（Ｔ−Ｔ₀）｝−Ｒ₀ で求められる。ただし、αは発熱体Ｒｈ₁ ，Ｒｈ₂ の抵
抗値の温度係数である。

【００６９】実際の測定においては、まず、スイッチ４
２，４３を定電流源３８，３９側に切り換えて一定な低
電流を発熱体Ｒｈ₁ ，Ｒｈ₂ に流してその両端電圧値か
ら抵抗値Ｒを測定する。ついで、スイッチ４２，４３を
トランジスタ１７，２０側に切り換えて通常の流量測定
モードとし、発熱体Ｒｈ₁ ，Ｒｈ₂ を通常の加熱電流で
駆動させて流量測定を行う。一方、流体温度Ｔの測定は
適当な時点で任意に行えばよい。このようにして測定さ
れた抵抗値Ｒ及び流体温度Ｔの値は発熱体出力補正回路
４０，４１中のメモリ部に記憶させておき、流量測定モ
ードにおいて発熱体Ｒｈ₁ ，Ｒｈ₂ に得られる出力値
（印加電圧）を、予め設定されている抵抗値と感度との
関係により補正する。具体的には、可変抵抗Ｒｃ₁ ，Ｒ
ｃ₂ の抵抗値を増減制御する。これにより、発熱体Ｒｈ
₁ ，Ｒｈ₂ の抵抗値が経時的に変化した場合でも適正に
補正がなされ、長期に渡って正確な流量測定を行える。

【００７０】なお、本実施の形態では、発熱体温度制御
部３７における補正処理を回路的に行う例で説明した
が、ＣＰＵ制御によりソフトウェア等を利用して行うよ
うにしてもよい。

【００７１】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、流体温度
より高い一定温度で等しく加熱されている上流側の発熱
体と下流側の発熱体との出力値の差分、即ち、電位差か
ら流体の流量を決定するので、電位差出力−流量曲線に
おける特に低流量域での線形性を改善することが可能と
なり、これにより、低流量域から高流量域に渡ってＳ／
Ｎを向上させ、流量の測定精度を高めることができる。
また、発熱体自身の出力値を検出に利用しているので、
低電圧駆動にてＳ／Ｎのよい測定が可能となり、省電力
化を図ることができる。

【００７２】請求項２記載の発明によれば、請求項１記
載の発明による場合と同様な効果が得られる上に、発熱
体自身による抵抗値変化で各発熱体の温度を測定し、短
時間で発熱体の温度を一定に保つようにしたので、発熱
体をパルス電圧で駆動するような場合にパルス幅をより
短く設定することが可能となり、これにより、一層の省
電力化を図ることができる。

【００７３】請求項３記載の発明によれば、熱絶縁部を
基板に形成された堀の上部に架橋された橋とすること
で、発熱体等はこの橋の上に配設されて流体の流れの中
に晒されるので、感度のよい測定が可能となる。

【００７４】請求項４記載の発明によれば、発熱体の出
力値から差分値の正負を判断し、流体が順方向に流れて
いるのか又は逆方向に流れているのかを調べるようにし
たので、流体が逆方向に流れていても誤差を含むことな
く順方向の場合と同等な演算処理を行うことが可能とな
り、これにより、流体の流れ方向の影響を受けることな
く、流量の測定精度を向上させることができる。

【００７５】請求項５記載の発明によれば、上・下流の
橋の長手方向が互いに交差するような角度、例えば、上
流側の橋の長手方向を流れ方向に対して略直交とし、下
流側の橋の長手方向を流れ方向に対して平行とするよう
にしたので、下流側に比べて上流側での流速の検出感度
を一層高めることができ、これにより、上・下流の２つ
の出力値に含まれるオフセット等のノイズ量は同等であ
ることから、これらの出力値の差分値をとることによっ
て測定精度を一層向上させることができる。

【００７６】請求項６記載の発明によれば、発熱体及び
測温体を、白金薄膜抵抗体により形成したので、量産性
が向上して安価に作製し得る上に、例えば、３Ｖのよう
な低電圧駆動が可能となり、適用範囲を拡げることがで
きる。

【００７７】請求項７記載の発明によれば、発熱体温度
制御部が、発熱体の抵抗値の経時的変化に対する補正機
能を有するように構成されているので、高温度で駆動さ
れることにより発熱体が示す経時的な抵抗値変化があっ
ても、このような発熱体の経時的変化が発熱体温度制御
部によって補正されるので、長期に渡って精度のよい測
定が可能となる。

【００７８】請求項８記載の発明によれば、橋の長手方
向を、（１１０）面を有する基板の＜１００＞軸の方向
に対して略平行又は略５５°に設定したので、堀側面で
の異方性エッチングによるばらつきをなくして、橋を設
計通りの長さに作成することができ、これにより、基板
毎の橋の熱絶縁性のばらつきを減少させると共に歩留り
を向上させることができ、常に安定した正確な流量測定
を行うことができる。

【００７９】請求項９記載の発明によれば、流体の流れ
方向に対して上流及び下流に架橋された第１の橋と第２
の橋との間に流れ方向に沿って第３の橋を架橋したの
で、その流れ方向が順方向・逆方向の何れの場合にも、
第３の橋の流速に対する検出感度を極めて低く設定する
ことが可能となり、このような状態で、その流れ方向が
順方向のときには第１，第３の橋の出力値（印加電圧）
から差分値を求め、逆方向のときには第２，第３の橋の
出力値（印加電圧）から差分値を求め、このようにして
求めた差分値からノイズ成分を除去して流量の信号成分
のみを取出すようにしたので、出力−流量曲線の特に低
流量域における線形性を大幅に改善することができ、こ
れにより、Ｓ／Ｎを大幅に向上させ、流量の測定精度を
一層高めることができる。

【００８０】請求項１０記載の発明は、発熱体により熱
的に影響を受けない橋上に流体温度測温体を設けたの
で、その流体温度測温体の熱容量を小さくして流体温度
の変化に素早く対応させることができ、これにより、流
体温度を環境温度に関係なく常に正確に測定することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の第一の形態である堀に２本の橋
が架橋された（１１０）面を有するＳｉ基板の構造を示
す平面図である。

【図２】図１の駆動回路を示す回路図である。

【図３】各発熱体の印加電圧に対応した出力−流速曲線
を示す特性図である。

【図４】発熱体間の電圧差に対応した出力−流速曲線を
示す特性図である。

【図５】（ａ）は橋の長手方向を基板の＜１００＞軸の
方向に対して略５５°に設定した場合の堀の形状を示す
断面図、（ｂ）は橋の長手方向を基板の＜１００＞軸の
方向に対して略平行に設定した場合の堀の形状を示す断
面図である。

【図６】変形例を示す駆動回路の回路図である。

【図７】変形例を示すセンサチップの断面構造図であ
る。

【図８】変形例を示すセンサチップの平面図である。

【図９】本発明の実施の第二の形態である堀に２本の橋
が架橋された（１１０）面を有するＳｉ基板の構造を示
す平面図である。

【図１０】図９の駆動回路を示す回路図である。

【図１１】本発明の実施の第三の形態を示し、（ａ）は
上下流の２つの堀に互い交差するような形で２本の橋が
架橋された（１１０）面を有するＳｉ基板の構造の平面
図、（ｂ）は１つの堀にそれらが交叉する２本の橋が架
橋された場合の構造の平面図である。

【図１２】本発明の実施の第四の形態である堀に３本の
橋が架橋されたＳｉ基板の構造を示す平面図である。

【図１３】本発明の実施の第五の形態を示す駆動回路の
回路図である。

【図１４】従来例を示し、堀に２本の橋が架橋された
（１００）面を有するＳｉ基板の構造の断面図である。

【図１５】図１４の駆動回路を示す回路図である。

【図１６】（ａ）は堀に架橋された橋の形状を示す平面
図、（ｂ）はその堀の側面にサイドエッチが形成されて
いる様子を示す断面図である。

【図１７】発熱体温度測温体間の温度差に対応した出力
−流量曲線を示す特性図である。

【符号の説明】

１１基板１２堀１３，１４橋、熱絶縁部２１発熱体温度制御部２２流量検出部２５発熱体温度制御部２６第１の橋２７第２の橋２８第３の橋３３熱絶縁部３７発熱体温度制御部３８，３９電流供給源４０，４１流量補正手段Ｒｈ₁，Ｒｈ₂，Ｒｈ₃ 発熱体Ｔｈ₁，Ｔｈ₂ 発熱体Ｒｓ₁，Ｒｓ₂ 発熱体温度測温体Ｔｓ₁，Ｔｓ₂ 発熱体温度測温体Ｒｆ₁，Ｒｆ₂ 流体温度測温体Ｔｆ₁，Ｔｆ₂ 流体温度測温体Ｖ₁，Ｖ₂ 出力値Ｖ₁₂ 差分値Ｘ流れ方向Ｙ長手方向

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中山義宣東京都大田区中馬込１丁目３番６号株式会社リコー内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板自身又は基板上に形成された熱絶縁
部と、流体の流れ方向に対して上流側と下流側とに位置
させて前記熱絶縁部上に設けられた複数の発熱体と、こ
れらの発熱体の温度を測定する発熱体温度測温体と、前
記発熱体の温度に影響されない部位に設けられた流体温
度測温体と、少なくとも前記発熱体温度測温体と前記流
体温度測温体とを含んで構成され前記発熱体の温度を一
定に保つ発熱体温度制御部と、上流側に設けられた前記
発熱体の出力値と下流側に設けられた前記発熱体の出力
値との差分値を求め流体の流量を決定する流量検出部と
を備えたことを特徴とする感熱式流量計。
【請求項２】基板自身又は基板上に形成された熱絶縁
部と、流体の流れ方向に対して上流側と下流側とに位置
させて前記熱絶縁部上に設けられた複数の発熱体と、こ
れらの発熱体の温度に影響されない部位に設けられた流
体温度測温体と、少なくとも前記発熱体と前記流体温度
測温体とを含んで構成され前記発熱体の温度を一定に保
つ発熱体温度制御部と、上流側に設けられた前記発熱体
の出力値と下流側に設けられた前記発熱体の出力値との
差分値を求め流体の流量を決定する流量検出部とを備え
たことを特徴とする感熱式流量計。
【請求項３】熱絶縁部が、基板に形成された堀の上部
に架橋された橋であることを特徴とする請求項１又は２
記載の感熱式流量計。
【請求項４】上流側の発熱体の出力値と、下流側の発
熱体の出力値との差分値の正負により流体の流れ方向を
判断する流れ方向検出部を設けたことを特徴とする請求
項１，２又は３記載の感熱式流量計。
【請求項５】橋を２本とし、基板に形成された堀に対
して流体の流れの方向に対して上流側及び下流側に位置
させるとともに、上流側の橋の長手方向と下流側の橋の
長手方向とが互いに交差する角度で架橋したことを特徴
とする請求項３記載の感熱式流量計。
【請求項６】発熱体及び測温体は、白金薄膜抵抗体よ
りなることを特徴とする請求項１，２，３，４又は５記
載の感熱式流量計。
【請求項７】発熱体温度制御部は、少なくとも発熱体
と流体温度測温体と温度設定用抵抗とを含むホイートス
トンブリッジ回路と、前記流体温度測温体に基づき流体
温度を測定する温度測定手段と、前記発熱体の抵抗値を
測定するための電流供給源と、測定された流体温度と前
記発熱体の抵抗値とを記憶して流量検出部の出力を補正
する流量補正手段とを備えることを特徴とする請求項６
記載の感熱式流量計。
【請求項８】基板として（１１０）面を有する半導体
基板を用い、その（１１０）面に堀が形成され、その堀
の上部に架橋される橋の長手方向を、前記半導体基板の
＜１００＞軸の方向に対して略平行又は略５５°の方向
に設定したことを特徴とする請求項３又は５記載の感熱
式流量計。
【請求項９】基板の堀の上部に位置し流体の流れ方向
に対して上流及び下流に架橋された第１，第２の橋と、
前記上流側の第１の橋と前記下流側の第２の橋との間で
交差しかつ流れ方向に沿って架橋された第３の橋と、前
記第１，第２，第３の各橋上に設けられた発熱体と、こ
の発熱体の温度に影響されない部位に設けられた流体温
度測温体と、少なくとも前記発熱体と前記流体温度測温
体とにより構成され前記発熱体の温度を一定に保つ発熱
体温度制御部と、前記第１又は第２の橋上に設けられた
前記発熱体の出力値と前記第３の橋上に設けられた前記
発熱体の出力値との差分値を求め流体の流量と流れ方向
を決定する流量・流れ方向検出部とを備えたことを特徴
とする感熱式流量計。
【請求項１０】流体温度測温体を、発熱体による熱的
な影響を受けない位置の堀の上部に架橋された橋上に設
けたことを特徴とする請求項３，５又は９記載の感熱式
流量計。