JPS63282662A

JPS63282662A - 流速センサ

Info

Publication number: JPS63282662A
Application number: JP63051319A
Authority: JP
Inventors: Ii Higashi Robaato; ロバート・イー・ヒガシ; Jii Jiyonson Robaato; ロバート・ジー・ジョンソン; Ee Satorun Aanesuto; アーネスト・エー・サトルン
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 1987-03-05
Filing date: 1988-03-04
Publication date: 1988-11-18
Also published as: JPH0474672B2

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］本発明は空気の流れ速度を測定する流速センサに関する
。

〔従来の技術〕

市販されている空気の流れ速度に関するセンサは、一般
には、空気の流れの中に挿入する長いプローブの先に、
１本の熱源かサーミスタを配置するものである。これは
、空気の流れによる冷却効果によって引き起こされる温
度低下と、それにともなう電気抵抗値の変化により空気
の流れ速度を測定するものである。さらに、最近２個の
センサと、ヒータ素子からなるマイクロブリッジ流速セ
ンサが知られている。このような半導体センサは例えば
、米国特許４４７２２３９．４４７８０７６．４４７８
０７？、４５４８０７８．４５８１９２８．４６２４１
３７などに示されている。

マイクロブリッジ流速センサの従来例の一つを第３図か
ら第７図に示す。これらは米国特許４５０１１４４に示
されているものである。これは２個のセンサ２２．２４
とヒータ２６を基板２０上に有しているものである。セ
ンサ２２．２４はヒータ２６の両側に配されている。基
板２０は例えばＳｉのようなエツチング、及び生産の容
易な物質からなる半導体である。そしてこの基板上に形
成される格子形状をなす全く同一の２個の測温抵抗素子
は薄膜の熱感知センサ２２．２４として働き、この２個
のセンサの中央部に配置される格子形状をなす発熱抵抗
素子は薄膜のヒータ２６として働く。熱感知センサ２２
．２４及びヒータ２６としては、鉄とニッケルの合金、
例えば８０％のニッケルと２０％の鉄からなるパーマロ
イといったものを使うことが適している。これら熱感知
センサ２２．２４及びヒータ２６は、例えば窒化シリコ
ンからなるｇＪ膜の絶縁層２８．２９により包まれて、
薄膜部材を形成する。第３図及び第４図の実施例に示す
ように、センサはヒータ２Ｇの半分と熱感知センサ２２
からなる薄膜部材３２と、ヒータ２６の半分と熱感知セ
ンサ２４からなる薄膜部材３２とから構成され、巾１５
０μ長さ４００μの大きさを有する。

更にこのセンサは、熱感知センサ２２．２４及びヒータ
２６を効果的に囲む空気スペース３０を有する。この空
気スペース３０はシリコンの表面３６に微細構造をもっ
て形成される。すなわち熱感知センサ２２．２４及びヒ
ータ２６は、約０゜０８〜０．１２μの厚さで線間に約
５μの間隔を有する巾５μの線からなり、しかもこれら
は全体の厚さが約０．８μ以下になるような窒化シリコ
ンの薄い膜によって包まれるように構成される。

そしてエツチングにより（ぼみである空気スペース３０
が、薄膜部材３２．３４の下のシリコン基板２０の中に
１２５μの深さで正確に形成される。薄膜部材３２．３
４は、空気スペース３０の１つまたはそれ以上のエツジ
において、シリコン基板２０の表面３６の最上部に接続
される。例えば第３図に示すように、薄膜部材３２．３
４は、空気スペース３０を架橋するように構成される。

窒化シリコンは非常に優れた熱的絶縁体である、薄膜部
材３２．３４を包む窒化シリコンの膜が極めて薄くかつ
熱的絶縁もよいことから、窒化シリコン膜によるヒータ
２６の熱の損失は極めて小さくヒータ２６から熱感知セ
ンサ２２．２４に伝わる熱のほとんどがヒータ２６を取
り囲む空気を通して伝えられることになる。すなわち窒
化シリコン膜の熱伝導率が小さいことから、熱感知セン
サ２２．２４をヒータ２６に極めて隣接して配置するこ
とができ、ヒータ２６からの熱のほとんどは窒化シリコ
ン膜を通らずにヒータ２６を取り囲む空気を通して伝え
られることになる。そして、ヒータ２６の近傍の空気中
に効果的に強固にささえられた熱感知センサ２２．２４
はヒータ２６を取り囲む空気とヒータ２６上の温度を測
定するプローブとして働（ことになる。

空気の流速を検出する原理を第４図に基づいて説明する
。ヒータ２６は、基板２０の温度より２００゛Ｃ高くな
る一定の温度に加熱される。ヒータ２６の温度を　流れ
る空気の温度より２００°Ｃ高く保つといっても０．Ｏ
ＩＷより小さな電力が要求されるにすぎない。

ヒータ２６からの熱伝導率の大部分は空気スペース３０
も含んだ周囲の空気を通して行われるが、従来例におい
て空気の流れのないとき、熱感知センサ２２．２４は平
均温度で約１４０°ｃ（２００°Ｃの約７０％）に熱せ
られる。すなわち、図に示すように、熱感知センサ２２
．２４はヒータ２６に対して正確に対称に配置されるの
で、空気の流速がＯの時にはこの２つのセンサの温度は
同一になりこの２つのセンサの抵抗値に差は生じない空
気の流れのある時には、上流に位置する熱感知センサ２
２はヒータ２６へ向かう空気の流れにより熱が運び去ら
れるので冷却され、一方下流に位置する熱感知センサ２
４はヒータ２６がらの空気の流れによって熱せられるこ
とになる。これによって生ずる熱感知センサ２２と２４
の間の抵抗値の差が電圧値の差をもたらし流速が測定さ
れる、増幅しないときのこの電圧差は、７６０ｃｍ／秒
の空気の流速において０．１Ｖ程度のものであるヒータ
と熱感知センサの熱容量が極めて小さいことと、基板へ
の接続手段である窒化シリコン膜により与えられる熱的
絶縁性と、空気スペースの存在により当センサの応答性
は測定結果によれば時定数が０．００５秒と非常に速い
ものとなる。

すなわち熱感知センサ２２と２４は空気の流れの変化に
非常に速く応答できることになる。

従来例においてヒータ２６は空気の温度に対して一定の
温度となるように駆動され、熱感知センサ２２と２４は
定電流で駆動されることから、熱感知センサ２２と２４
の温度変化は抵抗値の変化として検知されることになる
。これらの機能を実現するための回路例を第６図及び第
７図に示す。

第６図に示される温度制御回路は、ヒータ２６の温度を
比較抵抗３８によって検出される周囲温度よりも高い一
定温度に保つためのホイストンブリッジ回路４６により
構成される。ここで前述したように、この一定値は約２
００°Ｃに設定されている。ホイストンブリッジ回路４
６は、ヒータ２６と抵抗４０により一辺を、比較抵抗３
８と抵抗４２．４４により一辺を構成している。アンプ
４８と５０からなる積分回路は、出力の電位を変化させ
ることでブリッジ回路４６がバランスするように動作し
、ヒータ２６によって消費される電力を一定に保つよう
にする。

第７図に示す回路は、空気の流れの上流に位置する熱感
知センサ２２と、下流に位置する熱感知センサ２４との
間の抵抗値の差を検出するためのものである。この回路
は、アンプ７２からなる定電流電源部５２と、アンプ６
８と７０からなる差動増幅部５４から構成される。定電
流電源部５２は、１辺に高インピーダンス抵抗５６．５
８と、他辺に零調用可変抵抗６０及び熱感知センサ２２
．２４を有するホイストンブリッジ回路を駆動する。差
動増幅部５４の利得は可変抵抗６２により調整される。

出力端６４は熱感知センサ２２と２４の間の抵抗値の差
に比例する出力電圧を出力する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

第３．４．５図で示す従来の流速センサは、ヒータ２６
及び熱感知センサ２２．２４の間の絶縁窒化層の熱容量
が非常に小さく、そのため各々のセンサ抵抗体の温度は
周囲の空気の状態によって大きく変化することとなる。

上流側の検出器（出力信号を送出する）は空気の流れに
よって、この空気流の温度に近づくまで冷却される。そ
の結果、出力信号は流速が約１５２０ｃｍ／秒で飽和状
態に達する。下流側のセンサ抵抗は空気流による熱伝達
により幾分加熱されるため、出力信号がその分、変化す
るが、飽和状態に達すると加熱より冷却が強まり変化は
検出できな（なる。

本発明は、上述の従来の流速センサの技術を基本として
、さらに従来のマイクロブリッジ流速センサでは測定困
難な高速流領域での測定を可能としたものである。従来
のマ・イクロブリッジ流速センサでは、センサ上の流速
が平均１５２０ｃｍ／秒を超えると熱伝達が飽和状態と
なり、これ以上の流速での変化をとらえることはできな
かった。本発明は、従来のセンサの約６倍の流速が測定
可能であり、平均流速１０１４０ｃｍ／秒までは熱伝達
が飽和状態とならない構成を有する。

〔問題点を解決するための手段〕

測定可能領域を拡大するためには、第１図で示すような
２層構造によりセンサ１２２．１２４とヒータ１２６を
熱的に連結することが有効である〔実施例〕本発明の１実施例を第１図に示す。本発明は、１対の薄
膜の熱感知センサ１２２．１２４と薄膜のヒータ１２６
、及び基体２０とからなり、センサとヒータは架橋部１
３２によって基体と非接触状態となっている。センサ１
２２．１２４はヒータ１２６上の層に配置されている。

本構成の従来例筒３．４．５図との根本的な差異は、第
１図に示すデバイスが２つの並行な薄膜抵抗層から構成
されていることである。ヒータの層、及び上流、下流の
熱感知センサの層が橋架部１３２に各々別々の層に形成
されている。２層構造としたのは上流、下流の熱感知セ
ンサ１２２．１２４をヒータ１２６の上部に配置する必
要性からである。

本センサの製造にはシリコンウェハー２０が用いられ、
この表面に窒化シリコン層１２９が形成される。層１２
９は典型的には４０００人の厚さにスパッタにより形成
される。次に、同様スパン夕によりパーマロイの層が８
００人形成される。

適当なフォトマスク、フォトレジストとエツチング液を
使用し、上述のニレメン１−２２．２４，２６．３８と
同様のパーマロイエレメント１２６が描かれる。このエ
レメント１２６は橋架部１３２の巾全体に形成される。

第２層の窒化シリコン層は、このパーマロイニレメン「
１２６を完全に覆うようにスパッタにより４０００人の
厚みで形成される。次に、第２層であるパーマロイの層
が層１２８上に８００人形成される。そして、センサニ
レメンｌ−１２２，１２４が上述したヒータエレメント
１２６と同様に描かれる。窒化シリコンの第３７Ｗ１２
７はパーマロイエレメント１２２．１２４を完全に覆う
ようにスパッタにより４０００人の厚みで形成される。

これにより、エレメントの酸化が防止される。このよう
に、１対のセンサ１２２．１２４はヒータ１２６層と平
行な層に近接して配置される。１対のセンサとヒータ間
には４０００人の絶縁層が存在することとなる。橋架部
１３２直下のスペースの製造過程は第１．２．３図の従
来例で述べたと同様である。

〔発明の効果〕

この構成により両センサの冷却には、さらに高速の空気
流が必要となる。たとえば、ヒータが１６０°Ｃを保つ
とすると、上流、下流の各々のセンサはそのヒータの温
度変化に対して、より忠実に追随することになる。これ
はすなわち、ヒータから発生する熱の空気流による伝播
を、第１図に示す２Ｎ構造とすることで、より近接した
２つの位置で測定し、空気流による熱損失の出力信号に
対する影響を少なくしたものであるといえる。

第２図は、それぞれ流速０のもとての橋架部１３２の面
上での温度分布を示すものである。本発明（ａ及びＣ）
におけるセンサ１２２．１２４が、従来例（ｂ及びｄ）
のセンサに比較してヒータ端部で、温度分布が大きく異
なっているのが分かる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例を示す断面図、第２図（ａ）
、（ｂ）はそれぞれ本発明、従来例の構成を示す断面図
、第２図（ｃ）、（ｄ）は第２図（ａ）、（ｂ）それぞ
れに対応する温度分布図、第３図、第４図、第５図は従
来のセンサの構成を示す断面図及び平面図、第６図、第
７図はセンサの機能を達成するための回路例を示す図で
ある。１２２．１２４−熱怒知センサエレメント、１２６−　
ヒータエレメント、１２７．１２８．１２９・−窒化シ
リコン層。特許出願人　　　　山武ハネウェル株式会社代理人　弁
理士　　松下　　義冶第１図第２図（０）　　　　　　　第２図（ｂ）第　２図（Ｃ
）　　　　　　　　第２図（ｄｌ手　続　主甫　正　書
（方式）特許庁長官　小　川　　邦　夫　殿１、事件の表示昭和６３年特許願第　５１３１９号２、発明の名称３、補正をする者事件との関係　特許出願人住　所　　　　東京都渋谷区渋谷２丁目１２番１９号名
　称　　　　（６６６）山武ハネウェル株式会社代表者
　　　　　　　井　　戸　　−朗４、代理人居　所　　　〒１４４東京都大田区西六瑯４丁目２８番
１号山武ハネウェル株式会社　１田工場内昭和６３年　５月３１日発送７、補正の内容（１）明細書、発明の詳細な説明の横筒２頁第１４行の
「第７図」を「第８図」と補正する。（２）明細書、発明の詳細な説明の横笛７頁第９行の「
第６図及び第７図」を［第７図及び第８図Ｊと補正する
。（３）明細書、発明の詳細な説明の横笛７頁第１０行の
「第６図」を「第７図」と補正する。（４）明細書、発明の詳細な説明の横筒８頁第２行の「
第７図」を「第８図」と補正する。（５）明細書、発明の詳細な説明の（間第８頁第１６行
の「第３．４．５」の後に「６」を挿入する。（６）明細書、図面の簡単な説明の横筒１３頁第３行の
「第５図」の後に「第６図」を挿入する。（７）明細書、図面の簡単な説明の横梁１３頁第４行の
「第６図Ｊを「第７図」と補正する。（８）明細書、図面の簡単な説明の（資）第１３頁第４
行の「第７図」を「第８図」と補正する。以上

Claims

【特許請求の範囲】

（１）薄膜のヒータと、一対の薄膜の熱感知センサと、
半導体基板とからなる流速センサにおいて、上記半導体
基板と、上記薄膜のヒータ及び一対の薄膜の熱感知セン
サとの間に空間を形成し、かつ上記一対の薄膜の熱感知
センサは上記薄膜のヒータの上層に絶縁部を介し、上記
ヒータと略平行に形成してなることを特徴とする流速セ
ンサ。
（２）上記薄膜のヒータと、一対の薄膜の熱感知センサ
は、パーマロイから構成されていることを特徴とする特
許請求の範囲第１項の流速センサ。
（３）上記絶縁部は窒化シリコンからなることを特徴と
する特許請求の範囲第１項の流速センサ。