センサ用発熱装置、センサ及び加速度センサ
【課題】ブリッジ回路を用いて、ヒータの発熱温度が、周囲温度に対して常に一定温度だけ高くなるように制御するヒータ制御回路において、周囲温度の変化による発熱温度の誤差がより小さくなるよう、高精度化を図る。
【解決手段】不純物をドーピングされた測温抵抗体５２と固定抵抗６３とを含む第１の枝、および不純物をドーピングされた発熱体３６と前記固定抵抗とは別な固定抵抗６４とを含む第２の枝を並列に接続してブリッジ回路が構成されている。センサ用発熱装置は、前記ブリッジ回路と、第１の枝の中点と第２の枝の中点との電位差に基づいて前記ブリッジ回路に印加する電圧又は前記ブリッジ回路に供給する電流を調整することにより、測温抵抗体と発熱体の温度差を制御する手段とを備えており、前記測温抵抗体のドーピング量は、前記発熱体のドーピング量よりも大きくなっている。
【解決手段】不純物をドーピングされた測温抵抗体５２と固定抵抗６３とを含む第１の枝、および不純物をドーピングされた発熱体３６と前記固定抵抗とは別な固定抵抗６４とを含む第２の枝を並列に接続してブリッジ回路が構成されている。センサ用発熱装置は、前記ブリッジ回路と、第１の枝の中点と第２の枝の中点との電位差に基づいて前記ブリッジ回路に印加する電圧又は前記ブリッジ回路に供給する電流を調整することにより、測温抵抗体と発熱体の温度差を制御する手段とを備えており、前記測温抵抗体のドーピング量は、前記発熱体のドーピング量よりも大きくなっている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はセンサ用発熱装置、センサ及び加速度センサに関する。具体的には、発熱体から発生する熱により、物質の熱伝導性の違いを利用して物性値や物理量を計測するセンサ及び加速度を計測する加速度センサと、当該センサにおいて、測温抵抗体の温度と発熱体の発熱温度との温度差を一定に保つためのセンサ用発熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば、従来の流量センサとしては、発熱体であるヒータを熱源とし、その上流側と下流側の温度差で流速を検出する方式がある。このような流量センサ１を図１及び図２に示す。ここで、図２は図１のＡ−Ａ線断面を表している。ただし、図１ではヒータやサーモパイル等を露出させた状態で表しており、図２ではその上を保護膜１０等で覆った状態で表している。この流量センサ１にあっては、シリコン基板２の上面に凹状の空隙部３を形成し、この空隙部３を覆うようにしてシリコン基板２の上面に絶縁薄膜４を設け、この絶縁薄膜４の一部によって空隙部３の上に薄膜状のブリッジ部５を形成している。このブリッジ部５は空隙部３内の空間（空気）によってシリコン基板２と断熱されている。ブリッジ部５の表面においては、その中央部にヒータ６を設け、ヒータ６を挟んで対称な位置（上流側と下流側）にそれぞれ測温体としてサーモパイル７、８を設けている。また、ヒータ６及びサーモパイル７、８を覆うようにしてシリコン基板２の上を保護膜１０で被覆している。
【０００３】
上記サーモパイル７、８はＢｉＳｂ／Ｓｂからなる熱電対によって構成されており、ブリッジ部５の縁を横切るようにしてＢｉＳｂからなる第１の細線１１とＳｂからなる第２の細線１２が交互に配線され、ブリッジ部５内における第１の細線１１と第２の細線１２の接続点によって温接点１３の群が構成され、ブリッジ部５外における第１の細線１１と第２の細線１２の接続点によって冷接点１４の群が構成されている。
【０００４】
サーモパイル７、８の温接点１３及び冷接点１４の数をそれぞれｎ個、温接点１３の温度をＴw、冷接点１４の温度をＴcとすると、サーモパイル７、８の出力電圧（両端間電圧）Ｖは、次の（１）式で表される。
Ｖ＝ｎ・α（Ｔw−Ｔc） …（１）
ただし、αはゼーベック係数である。
【０００５】
符号９及び１５は、それぞれヒータ６、サーモパイル７、８にワイヤボンディングするためのワイヤパッド、符号１７は絶縁薄膜である。
【０００６】
この流量センサ１は気体の流れが生じる箇所に置かれ、ヒータ６に電流を流して発熱させながら上流側及び下流側のサーモパイル７、８の出力が監視される。気体の流れていない無風時においては、図３（ａ）に示すように配置の対称性より上流側サーモパイル７の温接点温度と下流側サーモパイル８の温接点温度とは等しいから、サーモパイル７の出力電圧とサーモパイル８の出力電圧とは等しくなる。これに対し、図１に矢印で示すように、上流側から下流側に向けて気体が移動していると、図３（ｂ）に示すように、上流側のサーモパイル７の温接点１３は気体の流れで冷却されて降温し、その出力電圧は小さくなる。一方、気体によってヒータ６の熱が下流側へ輸送されて下流側のサーモパイル８の温接点１３は温度が上昇し、その出力電圧は大きくなる。しかも、両サーモパイル７、８の温接点温度の差は、気体の流量が大きくなるにつれて拡大するから、それに伴う両サーモパイル７、８の出力電圧値の差により気体の流量を測定することができる。
【０００７】
また、図１及び図２に示したようなセンサ構造は、流量センサ以外にも、湿度センサやガスセンサなどとしても用いられる。図４（ａ）（ｂ）は、このようなセンサ構造により湿度やガス種を検出する原理を示している。図１及び図２の符号を用いて説明すると、流量センサの場合には、ガス等の気体の流れによって図３（ｂ）のように温度分布が非対称になったが、湿度センサやガス圧センサの場合には、湿度の変化やガス種の変化によって図４（ａ）（ｂ）に示すように、ヒータ６を中心とする温度分布密度が変化するので、両サーモパイル７、８で検知する温度が変化する。従って、ヒータ６を一定温度で発熱させ、そのときサーモパイル７、８で検知している温度から湿度やガス種を検知することができる。
【０００８】
【特許文献１】特開昭５７−１６３８２２号公報
【特許文献２】特開昭５７−１５３２１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記のようなセンサにおいては、サーモパイル７、８の冷接点１４の温度はシリコン基板２の温度に等しく、熱平衡状態ではシリコン基板２の温度は周囲温度に等しいから、冷接点１４の温度はほぼ周囲温度に等しい。また、ヒータ６によって加熱されている温接点１３の温度は、ヒータ６の発熱温度が一定で、かつガス流量や湿度、ガス種などが同じであれば、ほぼ一定温度となる。このため、前記（１）式から分かるように、ヒータ６の発熱温度を一定温度に保っていたのでは、ガス流量や湿度、ガス圧等の被検知量が等しくても周囲温度によって出力電圧Ｖが変化し、検知誤差となる問題がある。よって、ヒータ６の発熱温度は、周囲温度に対して常に一定温度だけ高くなるようにすることが要求される。
【００１０】
このような周囲温度の変化に伴う出力変動を補正するためには、例えば特開２０００−１３１０９４号公報に開示されている温度補償回路を利用することが考えられる。しかし、上記公報に開示されている温度補償回路では、複数の演算増幅器や増幅回路等を必要とし、構成が複雑でコストが高くつくことになる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、抵抗等からなるブリッジ回路を用いることで簡単な構成により、周囲温度等の環境変数の変化に伴う出力の変動を防止し、さらにその補正精度を向上させることにある。
【００１２】
本発明に係るセンサ用発熱装置にあっては、不純物をドーピングされた測温抵抗体と固定抵抗とを含んで第１の枝が構成され、不純物をドーピングされた発熱体と前記固定抵抗とは別な固定抵抗とを含んで第２の枝が構成され、第１の枝と第２の枝を並列に接続してブリッジ回路が構成され、第１の枝の中点と第２の枝の中点との電位差に基づいて前記ブリッジ回路に印加する電圧又は前記ブリッジ回路に供給する電流を調整することにより、測温抵抗体と発熱体の温度差を制御する手段が構成されている。そして、前記ブリッジ回路と前記制御手段とを備えたセンサ用発熱装置において、前記測温抵抗体のドーピング量を前記発熱体のドーピング量よりも大きくしたことを特徴としている。
【００１３】
このセンサ用発熱装置では、第１の枝に含まれる固定抵抗と第２の固定抵抗に含まれる固定抵抗は、いずれも１個である必要はなく、複数個の固定抵抗が含まれていてもよい。また、ブリッジ回路に交流電圧を印加する場合には、ブリッジ回路には抵抗以外のキャパシタやインダクタなどが含まれていてもよい。
【００１４】
このセンサ用発熱装置によれば、温度変化に伴って測温抵抗体の抵抗値が変化すると、ブリッジ回路とその制御手段を通して発熱体の抵抗値も自動調整され、その結果発熱体の発熱温度が制御される。しかも、測温抵抗体のドーピング量を発熱体のドーピング量よりも大きくしているので、測温抵抗体のドーピング量と発熱体のドーピング量とを等しくする場合と比較して、ブリッジ回路の平衡条件に拘束されることなく、測温抵抗体の温度変化に対する発熱体の発熱温度の制御形態の自由度を高めることができる。しかも、発熱体と測温抵抗体とで同一材料を用いてドーピング量を異ならせるだけでよいので、工程数の増加も必要最小限に抑えることができ、センサ用発熱装置の回路構成を複雑にすることもない。
【００１５】
特に、このセンサ用発熱装置の実施態様としては、
βｂ＝βｈ／（１＋βｈ・ΔＴｈ）
ただし、βｂ： 記測温抵抗体の抵抗温度係数
βｈ： 発熱体の抵抗温度係数
ΔＴｈ： 測温抵抗体と発熱体の温度差
とすることができる。この実施形態によれば、測温抵抗体の温度が変化したときの発熱体の発熱温度の変化を高い精度で測温抵抗体の温度変化と等しくすることができる。従って、測温抵抗体の温度と発熱体の発熱温度との温度差を常に高い精度で一定に保つことが可能になる。
【００１６】
特に、測温抵抗体と発熱体の温度差ΔＴは、通常５℃〜１００℃程度であり、ポリシリコンの抵抗温度係数は、約０.００１／℃であるから、測温抵抗体及び発熱体がポリシリコンによって形成されている場合には、測温抵抗体の抵抗温度係数に対する発熱体の抵抗温度係数の比は、１.００５以上１.１以下であればよい。
【００１７】
本発明のセンサは、上記のようなセンサ用発熱装置と、センサ用発熱装置の近傍に配置され、該センサ用発熱装置の発熱部から発生した熱による温度変化を検出する温度測定手段とを備えている。
【００１８】
このようなセンサは、流量センサ（ガスフローセンサ）や湿度センサ、ガス（種）センサなどとして用いることができるものであり、本発明のセンサ用発熱装置を用いれば測温抵抗体の温度（すなわち、周囲温度）に対して発熱体の発熱温度を一定温度だけ高い温度に保つことができるので、周囲温度の変化に対する温度補正を高精度に行うことができ、センサの検出精度を向上させることができる。
【００１９】
本発明の加速度センサは、上記のようなセンサ用発熱装置と、前記センサ用発熱装置の近傍に配置され、該センサ用発熱装置の発熱部から発生した熱による温度変化を検出する温度測定手段とを密閉空間内に納め、当該温度測定手段の出力により加速度を計測するようにしたことを特徴としている。
【００２０】
このような加速度センサによれば、加速度によって密閉空間の内部に生じるガス（密閉空間内に封入したガスや空気など）の流れが温度分布の変化として温度測定手段によって検知されるので、この温度測定手段からの出力信号により加速度センサに働く加速度を検出することができる。しかも、この加速度センサは、本発明のセンサ用発熱装置を用いているので、測温抵抗体の温度（すなわち、周囲温度）に対して発熱体の発熱温度を一定温度だけ高い温度に保つことができ、周囲温度の変化に対する温度補正を高精度に行うことができ、センサの検出精度を向上させることができる。
【００２１】
また、このような加速度センサにおいて、前記センサ用発熱装置に用いられている発熱体を間欠駆動する手段を設けてもよい。発熱体を間欠駆動することで周囲の温度上昇を小さくできるので、加速度センサの出力を安定させることができると共に加速度センサの消費電力を抑えることができる。
【００２２】
また、上記のような加速度センサにおいては、前記温度測定手段からの出力信号がローパスフィルタを通過させるようにしてもよい。温度測定手段からの出力信号をローパスフィルタに通すようにすれば、出力信号から高周波ノイズを除去することができると共に加速度センサを取り付けられている機器の振動や、当該機器が手持ち操作されるものである場合には手ぶれなどによる不要な信号を除去することができる。
【００２３】
なお、この発明の以上説明した構成要素は、可能な限り任意に組み合わせることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
（第１の実施形態）
本発明の一実施形態による流量センサ（ガスフローセンサ）３１の構造を図５及び図６に示す。図６は図５のＢ−Ｂ線断面を表し、図５は保護膜４０等を除去してサーモパイル３７、３８を露出させた状態の平面を表している。この流量センサ３１にあっては、シリコン基板３２の上面に上方で広くなった凹状の空隙部３３を形成し、この空隙部３３を覆うようにしてシリコン基板３２の上面に絶縁薄膜３４を設け、この絶縁薄膜３４の一部によって空隙部３３の上に薄膜状のブリッジ部３５を形成している。このブリッジ部３５は空隙部３３によってシリコン基板３２と断熱されている。ブリッジ部３５の表面においては、その中央部にポリシリコンからなるヒータ３６を設け、ヒータ３６を挟んで上流側と下流側の対称な位置にそれぞれ測温体としてサーモパイル３７、３８を設けている。また、ブリッジ部３５の外側において、絶縁薄膜３４の上に周囲温度感知用の測温抵抗体５２を設けてあり、ヒータ３６、サーモパイル３７、３８及び測温抵抗体５２を覆うようにしてシリコン基板３２の上を保護膜４０で覆っている。
【００２５】
上記サーモパイル３７、３８はポリシリコン／アルミニウムからなる熱電対によって構成されており、ブリッジ部３５の縁を横切るようにしてポリシリコンからなる第１の細線４１とアルミニウムからなる第２の細線４２が交互に、かつ平行に配線され、ブリッジ部３５内における第１の細線４１と第２の細線４２の接続点によって温接点４３の群が構成され、ブリッジ部３５外における第１の細線４１と第２の細線４２の接続点によって冷接点４４の群を構成している。
【００２６】
冷接点４４は、ヒートシンクの役目をするシリコン基板３２の上に位置しているので、気体に接触しても温度は変化しにくく、常に周囲温度とほぼ等しい温度に保たれている。温接点４３は、シリコン基板３２から浮いたブリッジ部３５の上に形成されているので、熱容量が小さく、気体に触れると敏感に温度が変化する。
【００２７】
この流量センサ３１においても、サーモパイル３７、３８の温接点４３及び冷接点４４の数をそれぞれｎ個、温接点４３の温度をＴw、冷接点４４の温度をＴcとすると、サーモパイル３７、３８の出力電圧（両端間電圧）Ｖは、次の（２）式で表される。
Ｖ＝ｎ・α（Ｔw−Ｔc） …（２）
ただし、αはゼーベック係数である。
【００２８】
ブリッジ部３５の外側（シリコン基板３２の上面）で、絶縁薄膜３４の上面に設けられた測温抵抗体５２は、ポリシリコンによって形成されている。この測温抵抗体５２は、シリコン基板３２の温度、すなわち周囲温度と等しい温度に保たれている。
【００２９】
この流量センサ３１においては、測温抵抗体５２、ヒータ３６、サーモパイル３７、３８の第１の細線４１はそれぞれ同一材料（ポリシリコン）によって形成され、Ｐ（燐）等の不純物をドーピングされている。
【００３０】
符号３９、４５及び５３は、それぞれヒータ３６、サーモパイル３７、３８及び測温抵抗体５２にワイヤボンディングするためのワイヤパッドである。
【００３１】
なお、図示しないが、サーモパイルは、ヒータの片側にだけ設けてもよい。上記実施形態のようにヒータの両側にサーモパイルを配置した構造の場合には、図５の矢印方向と反対向きに気体が流れた場合にも流体流量（ガス流量）を検出することができる。一方、ヒータの片側にのみサーモパイルを設けた構造では、両側にサーモパイルを設けた構造と比較して、より高流速域で測定可能になる。
【００３２】
次に、上記流量センサ３１の製造プロセスを図７（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）、図８（ｅ）（ｆ）（ｇ）（ｈ）（ｉ）及び図９（ｊ）（ｋ）（ｌ）（ｍ）により説明する。これらの製造プロセスを説明する図はいずれも、図５（ａ）のＣ−Ｃ線に沿った断面を表している。以下、これらの図に従って当該製造プロセスを説明する。
【００３３】
まず、熱酸化法等によりシリコン基板３２の表裏両面に例えばＳｉＯ２からなる絶縁薄膜３４を形成し［図７（ａ）］、ＣＶＤ法等を用いて上面側の絶縁薄膜３４の上にポリシリコンを膜厚５００ｎｍとなるように堆積させてポリシリコン膜４６を形成する［図７（ｂ）］。ついで、イオン注入法等によりポリシリコン膜４６の全体にＰ等の不純物原子をイオン注入法等でドーズ量１×１０２０個／ｃｍ３だけドープする［図７（ｃ）］。さらに、ポリシリコン膜４６の表面全体をレジスト膜５４で覆った後、ポリシリコン膜４６のヒータ形成領域５６ａ及び測温体形成領域５６ｂでレジスト膜５４に窓５５を開口させる［図７（ｄ）］。
【００３４】
この窓５５を通してさらにＰ等の不純物原子をイオン注入法等により３×１０２０個／ｃｍ３よりも少ないドーズ量で追加注入させる［図８（ｅ）］。ついで、レジスト膜５４にあけた窓５５のうち、測温体形成領域５６ｂの窓５５をレジストによって塞いだ後、ヒータ形成領域５６ａで開口している窓５５を通してＰ等の不純物原子をイオン注入法等により追加注入し、全注入量が４×１０２０個／ｃｍ３となるようにする。
【００３５】
この後、レジスト膜５４を除去すると、ヒータ形成領域５６ａでは４×１０２０個／ｃｍ３の不純物濃度となり、ヒータ形成領域５６ａ及び測温体形成領域５６ｂ以外の領域（特に、サーモパイル形成領域）では不純物濃度が１×１０２０個／ｃｍ３となる［図８（ｆ）］。測温体形成領域５６ｂでは不純物濃度が４×１０２０個／ｃｍ３よりも少なくなっているが、この不純物濃度は、ヒータ３６の抵抗温度係数と測温抵抗体５２の抵抗温度係数とが後述のような比になるよう制御される。
【００３６】
この後、フォトリソグラフィによりポリシリコン膜４６をエッチングし、ポリシリコン膜４６によってヒータ３６、周囲温度測定用の測温抵抗体５２、サーモパイル３７、３８の各第１の細線４１のパターンを形成し、さらにパターニングされたポリシリコン膜４６の不純物を熱拡散させる。このとき、ポリシリコン膜４６の表面には酸化膜４７が形成される［図８（ｇ）］。
【００３７】
この結果、同時にパターニングされたヒータ３６、測温抵抗体５２、サーモパイル３７、３８の各第１の細線４１のうち、ヒータ３６の不純物濃度がもっとも高く、つぎに測温抵抗体５２の不純物濃度が高くなる。
【００３８】
ついで、温接点４３及び冷接点４４となる箇所で第１の細線４１を覆う酸化膜４７の一部をエッチングして開口４８を設け［図８（ｈ）］、酸化膜４７の上からアルミニウムをスパッタ等で堆積させ、さらにフォトリソグラフィによってアルミニウム膜をパターニングしてサーモパイル３７、３８の第２の細線４２を形成する［図８（ｉ）］。このとき、第２の細線４２は、酸化膜４７の開口４８を通して各端を第１の細線４１の各端に接続され、酸化膜４７の下に形成された第１の細線４１と第２の細線４２とによってサーモパイル３７、３８が形成される。
【００３９】
次に、サーモパイル３７、３８の両端、ヒータ３６の両端および測温抵抗体５２の両端において、酸化膜４７の一部をエッチングして開口４９を設け、サーモパイル３７、３８の両端、ヒータ３６の両端及び測温抵抗体５２の両端に金属材料を堆積させてそれぞれのワイヤパッド４５、３９、５３を設ける［図９（ｊ）］。ついで、ＣＶＤ法等により基板全体に例えばＳｉＯ２を堆積させ、配線保護のための保護膜４０を形成する［図９（ｋ）］。
【００４０】
この後、保護膜４０を部分的にエッチングして各ワイヤパッド４５、３９、５３の上面を露出させる。同時にヒータ３６とサーモパイル３７、３８の中間において、保護膜４０をエッチング除去し、さらにエッチングにより絶縁薄膜３４も部分的に除去して開口５１を形成し、開口５１からシリコン基板３２を露出させる［図９（ｌ）］。ついで、この開口５１からシリコン基板３２の上面をエッチングすることによりシリコン基板３２の上面に空隙部３３を凹設すると共に絶縁薄膜３４によってブリッジ部３５を形成する［図９（ｍ）］。
【００４１】
このようにしてヒータ形成領域５６ａと測温体形成領域５６ｂで不純物を追加ドーピングすることによって流量センサ３１を製造すれば、無駄なドーピング処理時間を減らすことができ、効率よく感度の良好な流量センサを製造することができる。
【００４２】
この流量センサ３１にあっても、ヒータ３６に電流を流して発熱させながら上流側及び下流側のサーモパイル３７、３８の出力が監視される。気体の流れていない無風時には、サーモパイル３７の出力電圧とサーモパイル３８の出力電圧とは等しいが、図５に矢印で示す方向に、上流側から下流側に向けて気体が移動していると、上流側のサーモパイル３７の温接点４３は冷却されて降温し、出力電圧が小さくなる。一方、気体によって運ばれる熱で下流側のサーモパイル３８の温接点４３は温度が上昇し、出力電圧が大きくなる。従って、両サーモパイル３７、３８の出力電圧値の差により空気の流量を測定することができる。
【００４３】
また、この流量センサ３１では、ヒータ３６の不純物ドーピング量は第１の細線４１の不純物ドーピング量よりも大きくなっている。例えば、上記のようにヒータ３６と第１の細線４１が膜厚５００ｎｍのポリシリコンからなる場合、第１の細線４１には１×１０２０個／ｃｍ３程度の密度でＰがドーピングされるのに対し、ヒータ３６には４×１０２０個／ｃｍ３程度の密度でＰがドーピングされる。このように、第１の細線４１よりもヒータ３６の不純物ドーピング量を大きくしているので、ヒータ３６の抵抗を下げることができ、ヒータ３６の発熱温度を高くすることができる。一方、第１の細線４１の不純物ドーピング量はヒータ３６よりも小さくなっているので、ゼーベック係数を高くすることができる。よって、ゼーベック係数の高いサーモパイル３７、３８を用いながらヒータ３６の発熱温度を高くすることができ、流量センサ３１の感度を向上させることができる。
【００４４】
図１０はヒータ制御回路６１の構成を示す図である。このヒータ制御回路６１は、ヒータ３６の発熱温度が測温抵抗体５２で検出されている周囲温度よりも一定温度だけ高い温度に自動調整する働きをする。このヒータ制御回路６１は、固定抵抗６３、６４、ヒータ３６、測温抵抗体５２、オペアンプ（差動増幅回路）６２及びトランジスタ６５によって構成されている。固定抵抗６３、６４はヒータ３６及び測温抵抗体５２と共にブリッジ回路を構成されており、固定抵抗６３と測温抵抗体５２の中点がオペアンプ６２の反転入力端子に接続され、固定抵抗６４とヒータ３６の中点がオペアンプ６２の非反転入力端子に接続されている。トランジスタ６５は、定電圧回路６６と固定抵抗６３及び６４との間に挿入されており、オペアンプ６２の出力はトランジスタ６５のベースに接続されている。
【００４５】
このヒータ制御回路６１は、ヒータ３６を周囲温度に対して一定温度ΔＴｈだけ高い温度で熱平衡状態を保とうとするものであり、例えば無風状態の熱平衡状態から気体の流れのある状態に変化してヒータ３６の温度が下がると、オペアンプ６２の非反転入力端子の電位が下がり、トランジスタ６５を駆動し、電流が供給されて再び熱平衡状態になるという動作を繰り返す。周囲温度が変化した場合も同様である。詳しくいうと、このヒータ制御回路６１にあっては、ヒータ３６の発熱温度が平衡時の温度よりも上昇すると、オペアンプ６２から出力される電位が高くなるので、トランジスタ６５のベース電流が減少し、ブリッジ回路に流れる電流も減少する。この結果、ヒータ３６に流れる電流が減少してヒータ３６の発熱温度が下がる。逆に、ヒータ３６の発熱温度が平衡時の温度よりも低下すると、オペアンプ６２の出力電位が低下するので、トランジスタ６５のベース電流が増加し、ブリッジ回路に流れる電流も増加する。この結果、ヒータ３６に流れる電流が増加してヒータ３６の発熱温度が上がる。
【００４６】
また、周囲温度を検出している測温抵抗体５２の温度が平衡時の温度よりも上昇すると、オペアンプ６２から出力される電位が低下するので、トランジスタ６５のベース電流が増加し、ブリッジ回路に流れる電流も増加する。この結果、ヒータ３６に流れる電流が増加してヒータ３６の発熱温度が上がる。逆に、測温抵抗体５２の発熱温度が平衡時の温度よりも低下すると、オペアンプ６２から出力される電位が高くなるので、トランジスタ６５のベース電流が減少し、ブリッジ回路に流れる電流も減少する。この結果、ヒータ３６に流れる電流が減少してヒータ３６の発熱温度が下がる。
【００４７】
ヒータ制御回路６１は、上記のような動作により、ヒータ３６の発熱温度が測温抵抗体５２に対して一定に保たれるように自動調整すると共に、測温抵抗体５２の検知温度が下がったらヒータ３６の温度も下げ、測温抵抗体５２の検知温度が上がったらヒータ３６の温度も上昇させる。ただし、ヒータ３６には、通電による温度上昇が無視できない電流値が流れるようにし、測温抵抗体５２には通電による温度上昇が無視できる程度の電流しか流れないよう、ヒータ３６及び測温抵抗体５２の抵抗値が設定されるものとする。
【００４８】
しかし、このようなブリッジ回路を用いたヒータ制御回路６１で、ヒータ３６と測温抵抗体５２とを同一材質で形成した場合には、以下に説明するように、ヒータ３６は周囲温度（測温抵抗体５２の温度）に対して厳密には一定温度上昇とならず、この温度上昇値の温度特性が流速センサの特性誤差を生むことになる。
【００４９】
ヒータ３６と測温抵抗体５２とが同じ材質で、不純物のドーピング量が等しいとすると、ヒータ３６の抵抗温度係数と測温抵抗体５２の抵抗温度係数とは等しくなる。いま、横軸に温度をとり、縦軸に抵抗値をとって、ヒータ３６及び測温抵抗体５２の抵抗値温度特性を考える。ヒータ３６と測温抵抗体５２とでは、抵抗値の温度特性は一致しない（抵抗率の温度特性は一致する。）が、説明の便宜上ヒータ３６と測温抵抗体５２の抵抗値温度特性が一致するとして説明する。
【００５０】
はじめに周囲温度がＴ１で、そのときの測温抵抗体５２の抵抗値がＲｂであって、ヒータ３６の温度が周囲温度よりもΔＴｈだけ大きな温度Ｔ２（＝Ｔ１＋ΔＴｈ）で、そのときのヒータ３６の抵抗値がＲｈであったとすると、ブリッジ回路の平衡条件より、
Ｒ１・Ｒｈ＝Ｒ２・Ｒｂ …（３）
が成り立つ。ただし、Ｒ１は固定抵抗６３の抵抗値、Ｒ２は固定抵抗６４の抵抗値である。
【００５１】
いま、周囲温度がＴ１からΔＴだけ上昇してＴ１´となり、測温抵抗体５２の抵抗値がＲｂ´となったとする。ブリッジ回路においては、測温抵抗体５２の抵抗値がＲｂからＲｂ´に増加したとすると、ブリッジ回路の平衡条件を満たすところで安定し、その結果ヒータ３６に流れる電流が大きくなってヒータ３６の発熱温度も高くなる。この時のヒータ３６の抵抗値をＲｈ´とすると、ブリッジ回路の平衡条件より、
Ｒ１・Ｒｈ´＝Ｒ２・Ｒｂ´ …（４）
となる。よって、上記（３）式と（４）式とから、
Ｒｈ´／Ｒｈ＝Ｒｂ´／Ｒｂ …（５）
が得られる。ここで、測温抵抗体５２の抵抗値Ｒｂに比べてヒータ３６の抵抗値Ｒｈは大きいので、（５）式又は図１１から分かるように、測温抵抗体５２の温度がＴ１からＴ１´へとΔＴだけ上昇したとしても、ヒータ３６の温度上昇ΔＴ´は周囲温度の上昇ΔＴよりも大きくなる。
【００５２】
この結果、温度上昇後におけるヒータ３６の温度Ｔ２´と測温抵抗体５２の温度Ｔ１´との温度差ΔＴｈ´＝Ｔ２´−Ｔ１´は、はじめの温度差ΔＴよりも大きくなってしまう。
【００５３】
そこで、上記のようなヒータ制御回路６１において、ヒータ３６の発熱温度を測温抵抗体５２の温度よりも一定温度だけ高い温度に保つための条件を以下で明らかにする。いま、ヒータ３６の抵抗温度係数をβｈ、測温抵抗体５２の抵抗温度係数をβｂとする。ただし、抵抗温度係数βｈ及びβｂは、いずれもを同一温度（以下、基準温度という。）を基準とする係数であるとする。従って、基準温度における測温抵抗体５２の抵抗値をｒｂ、基準温度よりもΔＴだけ温度が上昇したときの測温抵抗体５２の抵抗値をＲｂ（ΔＴ）とすれば、
Ｒｂ（ΔＴ）＝ｒｂ（１＋βｂ・ΔＴ） …（６）
となる。同様に、基準温度におけるヒータ３６の抵抗値をｒｈ、基準温度よりもΔＴだけ温度が上昇したときのヒータ３６の抵抗値をＲｈ（ΔＴ）とすれば、
Ｒｈ（ΔＴ）＝ｒｈ（１＋βｈ・ΔＴ） …（７）
と表される。
【００５４】
いま、周囲温度が基準温度に等しく、ヒータ３６が周囲温度よりもΔＴｈだけ高い温度に保たれていて、ブリッジ回路が平衡状態にあるとすると、次の（８）式が成り立つ。ただし、Ｒ １、Ｒ２は２つの固定抵抗６３、６４の抵抗値である。
Ｒ１・Ｒｈ（ΔＴｈ）＝Ｒ２・Ｒｂ（０）
すなわち、（６）式、（７）式を用いると、
Ｒ１・ｒｈ（１＋βｈ・ΔＴｈ）＝Ｒ２・ｒｂ …（８）
【００５５】
この平衡状態から、周囲温度がΔＴだけ上昇した場合を考えると、測温抵抗体５２の温度は、
Ｒｂ（ΔＴ）＝ｒｂ（１＋βｂ・ΔＴ） …（９）
となる。このとき、ヒータ３６の温度も同じだけ上昇していると、
Ｒｈ（ΔＴｈ＋ΔＴ）＝ｒｈ（１＋βｈ・ΔＴｈ＋βｈ・ΔＴ）
…（１０）
となる。この状態でブリッジ回路が平衡すればよいから、次の（１１）式が成立すればよい。
Ｒ１・Ｒｈ（ΔＴｈ＋ΔＴ）＝Ｒ２・Ｒｂ（ΔＴ） …（１１）
この（１１）式に（９）式及び（１０）式を代入すると、
Ｒ１・ｒｈ（１＋βｈ・ΔＴｈ＋βｈ・ΔＴ）
＝Ｒ２・ｒｂ（１＋βｂ・ΔＴ） …（１２）
となる。この（１２）式に上記（８）式を適用すると、
Ｒ１・ｒｈ（βｈ・ΔＴ）＝Ｒ２・ｒｂ（βｂ・ΔＴ） …（１３）
が得られる。
【００５６】
よって、
βｈ＝｛（Ｒ２・ｒｂ）／（Ｒ１・ｒｈ）｝βｂ …（１４）
であれば、任意の上昇温度ΔＴについて条件を満たすことになる。ここで、この（１４）式に（８）式を代入すると、
βｈ＝（１＋βｈ・ΔＴｈ）・βｂ …（１５）
となる。
【００５７】
（１５）式においては、
（１＋βｈ・ΔＴｈ）＞１
であるから、周囲温度が変動してもヒータ３６の発熱温度が周囲温度よりもΔＴｈだけ高くなるようにするためには、上記（１５）式を満たす必要があり、ヒータ３６の抵抗温度係数βｈが測温抵抗体５２の抵抗温度係数βｂよりも大きくなっていなければならない。
【００５８】
言い換えると、この実施形態では、測温抵抗体５２の抵抗温度係数βｂがヒータ３６の抵抗温度係数βｈよりも小さくなっていて、上記（１５）式を満たすようにしているので、ヒータ３６の発熱温度が常に周囲温度よりもΔＴｈだけ高くなるよう、より高精度に制御することができる。
【００５９】
抵抗温度係数の数値で言えば、ポリシリコンを使用した測温抵抗体５２における抵抗温度係数βｂは約０.１％／℃程度であり、ヒータ３６の温度上昇ΔＴｈは５℃〜１００℃程度であるので、上記（１５）式によれば、ヒータ３６の抵抗温度係数βｈは測温抵抗体５２の抵抗温度係数βｂの１.００５倍〜１.１倍に設定すればよいことが分かる。
【００６０】
（第２の実施形態）
図１２は本発明の別な実施形態によるヒータ制御回路７１の構成を示す回路図である。第１の実施形態では、ヒータ３６の抵抗温度係数βｈと測温抵抗体５２の抵抗温度係数βｂとが異なるので、ヒータ３６と測温抵抗体５２を別工程で形成するか、別工程でドーピングするか、いずれにしても工程が増加するが、この実施形態では、ヒータ３６の抵抗温度係数βｈと測温抵抗体５２の抵抗温度係数βｂは同じであってもよいので、工程数を少なくできる。
【００６１】
以下、この実施形態を図１２に従って説明する。このヒータ制御回路７１は、図１０に示したヒータ制御回路６１に対して、定電圧回路６６の電圧Ｖｃｃを分圧抵抗７２、７３で分圧し、その電圧Ｖａを抵抗７４を介して測温抵抗体５２に印加し、測温抵抗体５２に電流を流し込むことができるようにしたものである。すなわち、固定抵抗６３、６４、ヒータ３６及び測温抵抗体５２によってブリッジ回路が構成されており、固定抵抗６３と測温抵抗体５２の中点がオペアンプ６２の反転入力端子に接続され、固定抵抗６４とヒータ３６の中点がオペアンプ６２の非反転入力端子に接続されている。トランジスタ６５は、定電圧回路６６と固定抵抗６３及び６４との間に挿入されており、オペアンプ６２の出力は、トランジスタ６５のベースに接続されている。また、定電圧回路６６の出力とグランドとの間には、直列に接続された分圧抵抗７２、７３が接続されており、分圧抵抗７２、７３の中点と、固定抵抗６３及び測温抵抗体５２の中点との間には抵抗７４が接続されており、定電圧回路６６の出力電圧Ｖｃｃを分圧抵抗７２、７３で分圧し、抵抗７４を介して測温抵抗体５２に印加できるようにしている。
【００６２】
このような構成のヒータ制御回路７１において、分圧抵抗７２、７３の中点の電圧をＶａ、固定抵抗６３と測温抵抗体５２の中点の電圧をＶｂ、定電圧回路６６の出力電圧をＶｃｃとすれば、電圧ＶａとＶｂとの間には、次のような関係がある。ただし、Ｒ３、Ｒ４は分圧抵抗７２、７３の抵抗値、Ｒ５は抵抗７４の抵抗値である。
【００６３】
【数１】
【００６４】
従って、抵抗７４の両端間の電圧差ΔＶは、次の（１７）式のように表される。
【００６５】
【数２】
【００６６】
図１０に示したようなヒータ制御回路６１（以下においては、図１０のヒータ制御回路とは、ヒータ３６の抵抗温度係数βｈと測温抵抗体５２の抵抗温度係数βｂとが等しいものをさす。以下、同じ）では、固定抵抗６３と測温抵抗体５２に流れる電流は常に等しくなるため、周囲温度の上昇に伴って測温抵抗体５２の抵抗値Ｒｂが大きくなると、ヒータ３６の発熱温度は周囲温度の変化以上に大きく変化する。
【００６７】
これに対し、この実施形態によるヒータ制御回路７１では、周囲温度が上昇して測温抵抗体５２の抵抗値Ｒｂが大きくなると、測温抵抗体５２の上側の電圧Ｖｂが大きくなるので、抵抗７４の両端間の電圧差ΔＶは、測温抵抗体５２の上側の電圧Ｖｂが上昇するにつれて小さくなり、抵抗７４から測温抵抗体５２に流れ込む電流も減少する。その結果、測温抵抗体５２の上側の電圧Ｖｂの上昇が抑制されることになり、測温抵抗体５２の上側に加わる電圧Ｖｂは図１０のヒータ制御回路６１ほどは上昇しないことになる。すなわち、図１１を参照して説明すれば、周囲温度がＴ１からＴ１´に上昇し、測温抵抗体５２の抵抗値がＲｂからＲｂ´に変化したとしても、測温抵抗体５２の上側の電圧Ｖｂは、抵抗７４からの流入電流の減少により図１０のヒータ制御回路６１の場合ほど上昇せず、結果としてヒータ３６の抵抗Ｒｈ´も図１０のヒータ制御回路６１の場合ほどには上昇し得ないことになり、ヒータ３６の発熱温度の上昇ΔＴ´も図１０のヒータ制御回路６１の場合より小さくなる。
【００６８】
このような構成のヒータ制御回路７１によれば、定電圧回路６６の出力電圧Ｖｃｃに対して分圧抵抗７２、７３及び抵抗７４の抵抗値Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５を適当に選択することにより、抵抗７４を通って測温抵抗体５２に流れ込む電流を自由に設定することができるから、結局は抵抗７４を通ってブリッジ回路に流れ込む電流を自由に設定できることを意味する。従って、このような構成のヒータ制御回路７１によれば、温度特性を自由に設定できることになり、測温抵抗体５２の抵抗温度係数βｂとヒータ３６の抵抗温度係数βｈとが等しい場合でも周囲温度の変化に伴うヒータ３６の発熱温度の変化を図１０のヒータ制御回路６１よりも小さくすることができ、好ましくはヒータ３６の発熱温度の変化ΔＴ´を周囲温度の変化ΔＴにほぼ等しくすることができる。
【００６９】
よって、図１２に示すような構成のヒータ制御回路７１によれば、図１０のようなヒータ制御回路６１（βｈ＝βｂのもの）と比較して、ヒータ３６の発熱温度と測温抵抗体５２の温度（周囲温度）との差ΔＴｈをより精度よく一定に保つことができる。しかも、測温抵抗体５２の抵抗温度係数βｂとヒータ３６の抵抗温度係数βｈとが等しくてもよいので、測温抵抗体５２とヒータ３６とを同一材料によって形成し、Ｐ等の不純物の注入量も同じでよく、測温抵抗体５２及びヒータ３６を同一工程で製作することができ、製作工程の簡略化によってコストを安価にできる。
【００７０】
つぎに、図１３に示したヒータ制御回路８１を説明する。これは図１２のヒータ制御回路７１の変形例でもある。ヒータ制御回路７１では、固定抵抗６３及び測温抵抗体５２の中点と分圧抵抗７２、７３の中点とを抵抗７４によって接続していたのに対し、このヒータ制御回路８１では、固定抵抗６４及びヒータ３６の中点と分圧抵抗７２、７３の中点とを抵抗８２によって接続している。
【００７１】
このようなヒータ制御回路８１によれば、周囲温度の上昇によって測温抵抗体５２の抵抗Ｒｂが大きくなると、ヒータ３６に流れる電流が増加してヒータ３６の発熱温度が高くなると共にヒータ３６の抵抗値Ｒｈも大きくなる。ヒータ３６の抵抗値Ｒｈが大きくなると、ヒータ３６の上側の電圧Ｖｃが高くなり、抵抗８２の両端間の電圧差ΔＶ＝Ｖｃ−Ｖａはヒータ３６の上側の電圧Ｖｃが上昇するにつれて大きくなり、抵抗８２から外部へ流れ出す電流が増加する。その結果、ヒータ３６に流れる電流が減少し、ヒータ３６の発熱温度の上昇が抑制されることになる。
【００７２】
よって、図１３に示すような構成のヒータ制御回路８１によっても、図１０のようなヒータ制御回路６１（βｈ＝βｂのもの）と比較して、ヒータ３６の発熱温度と測温抵抗体５２の温度（周囲温度）との差ΔＴｈをより精度よく一定に保つことができる。
【００７３】
この実施形態は、図１２のような構成や図１３のような構成以外にも種々設計変更することができるが、その場合でも固定抵抗６３（又は、固定抵抗６４）に流れる電流と抵抗７４（又は、抵抗８２）に流れる電流との比が一定でないことが重要である。
【００７４】
この実施形態の変形例としては、測温抵抗体５２及びヒータ３６を固定抵抗６３、６４よりも高電圧側に配置したブリッジ回路を用いてもよい。その場合には、図１４に示すように、測温抵抗体５２と固定抵抗６３との中点に、電流をブリッジ回路へ流入させるための抵抗７４を介して電圧Ｖａを印加し、周囲温度の上昇によって測温抵抗体５２の抵抗値が大きくなり、その枝の中点電圧が低くなったときに抵抗７４を介して固定抵抗６３に流れる電流が増大し、当該中点の電圧低下が抑制されるようにしてもよい。同様に、図１５に示すように、ヒータ３６と固定抵抗６４との中点に、ブリッジ回路から電流を流出させるための抵抗８２を介して電圧Ｖａを印加するようにしてもよい。
【００７５】
また、ブリッジ回路も測温抵抗体、ヒータ及び３個以上の固定抵抗によって構成されている必要はなく、例えば固定抵抗６３又は６４に代えて複数の抵抗からなる抵抗ネットワークを用いてもよい。また、ブリッジ回路に交流電圧を加えてヒータを発熱させる場合には、ブリッジ回路にキャパシタやインダクタが含まれていてもよい。
【００７６】
なお、本発明のセンサは、上記のような流量センサに限らず、湿気センサやガスセンサとして用いる場合にも適用することができる。さらには、特にセンサの種類を限定することなく、ブリッジ回路によって温度補償を行いたい場合には有用である。
【００７７】
（第３の実施形態）
図１６は上記のような流量センサ３１を用いた給湯器９１の構造を示す図である。この給湯器９１にあっては、缶体９２内にガスバーナ９３が設けられており、その上方には内部を流れる水とガスバーナ９３の燃焼ガスとを熱交換させて水を加熱するための熱交換器９４が配設されている。また、缶体９２の底面には、ガスバーナ９３に燃焼空気を供給するための送風ファン９５が設けられており、缶体９２の上部には燃焼ガスを排出するための排気口９６が開口されている。缶体９２には、ガスバーナ９３の上面側と下面側を連通させるように空気バイパス路９７が設けられており、空気バイパス路９７には流量センサ３１が設けられている。
【００７８】
空気バイパス路９７に設けられた流量センサ３１で空気の流量（送風量）を計測することによって空気バイパス路９７の入口と出口との圧力差を測ることができ、それによってガスバーナ９３を通過する空気の流量を知ることができるので、ガス流量に対して最適な空燃比（空気とガスの混合比）となるように送風ファン９５の回転数をフィードバック制御し、煤や一酸化炭素ガスなどの発生を抑制することができる。
【００７９】
（第４の実施形態）
図１７は上記のような流量センサを用いた２次元加速度センサ１０１の構造を示す断面図である。この加速度センサ１０１は、密閉ケース１０２の上面に回路基板１０３を取付け、回路基板１０３の下面に取付けられた本発明の流量センサ（フローセンサ）１０４を回路基板１０３と密閉ケース１０２によって構成されたセンサ収納室１０５内に密封し、さらにセンサ収納室１０５内にガス１０６を封入したものである。また、密閉ケース１０２の底面のうち、流量センサ１０４と対向する部分１０７を上方へ膨らませることにより、流量センサ１０４と対向する部分では流量センサ１０４と密閉ケース１０２の底面との間の距離を小さくし、ガス１０６の流路１０８を狭くしている。このように流量センサ１０４を密閉した密閉型の加速度センサ１０１では、１０４からは、加速度センサ１０１に働いている加速度を示す信号が出力される。
【００８０】
１方向の加速度を検知する場合には、流量センサ１０４として例えば図５に示したような構造の流量センサを１つ用いれば良いが、この実施形態のように２次元加速度センサとして用いる場合には、例えば図５のような構造の流量センサを流量検知方向を互いに直交させるようにして回路基板１０３に実装すればよい。あるいは、ヒータ３６と２つのサーモパイル３７、３８からなる図５のような電極構造を２組み互いに直交させるようにして１枚のシリコン基板２上に形成したものでもよい。もちろん、３組の流量センサを用いれば３次元加速度センサとすることもできる。
【００８１】
次に、流量センサ１０４を用いた加速度センサ１０１と加速度との関係について説明する。流量センサ１０４を用いた加速度センサ１０１を動かしたときの流量センサ１０４からの出力信号には、加速度センサ１０１を操作したときの移動方向の速度に応じた信号成分と、移動方向の加速度に応じた信号成分と、重力加速度による信号成分とが含まれている。
【００８２】
この重力加速度による信号成分とは、流量センサ１０４がヒータ３６を備えていることによるものである。流量センサ１０４は、例えばＸ軸方向で考えると、図１８（ａ）に示すように、ヒータ３６の両側にサーモパイル３７、３８を配置した構造を有しており、加速度センサ１０１が水平に移動すると、図１８（ｂ）に示すように、サーモパイル３７側とサーモパイル３８側とで温度分布が異なることによってサーモパイル３７、３８の差信号が変化するものである（図３の説明を参照）。ところが、このような流量センサ１０４では、ヒータ３６で気体が温められているため、加速度センサ１０１が傾くと、図１８（ｃ）に示すように温められた気体が上昇し、対流によって図１８（ｂ）と同様な温度分布となる。このため、加速度センサ１０１を移動させていない場合でも、加速度センサ１０１が傾いているとサーモパイル３７、３８から差信号が出力され、加速度センサ１０１から信号が出力されてしまう。これが重力加速度による信号成分である。
【００８３】
流量センサを用いたセンサが開放型である場合には、そのセンサを移動させたときの移動方向の加速度に応じた信号成分と重力加速度による信号成分とは、移動方向の速度に応じた信号成分と比較して非常に小さいので、移動方向の加速度に応じた信号成分と重力加速度による信号成分とは無視することができる。しかし、密閉型の加速度センサ１０１の場合には、移動加速度と比較して移動速度に対する感度が低いので、流量センサ３７、３８から出力される差信号は、加速度センサ１０１が感知している加速度を表しているものとして扱われる。従って、流量センサ１０４を密閉した加速度センサ１０１では、移動速度に対する感度は無視することができ、また水平に設置されている場合には重力加速度による信号成分も無視することができるので、この加速度センサ１０１からは感知している加速度を示す加速度信号を出力させることができ、加速度計測用のセンサとして用いることができる。
【００８４】
図１９は上記２次元加速度センサ１０１に用いられている信号処理回路１１１を示す回路ブロック図である。流量センサ１０４は、２つの流量センサ１０４Ａ及び１０４Ｂで表されており、流量センサ１０４ＡはＸ軸方向の加速度を検知するように設置されており、流量センサ１０４ＢはＹ軸方向の加速度を検知するように設置されている。また、センサ駆動回路１１２及び１１５は、それぞれ流量センサ１０４Ａ、１０４Ｂのヒータ３６の発熱量を制御する回路であって、ヒータ３６を間欠駆動する。センサ駆動回路１１２及び１１５で、流量センサ１０４Ａ及び１０４Ｂのヒータ３６を間欠駆動することで流量センサ１０４Ａ、１０４Ｂの周辺の温度上昇を防止し、出力を安定化させるとともに消費電力を抑えることができる。Ｘ軸方向の流量センサ１０４Ａから出力された信号（加速度信号）は、増幅回路１１３により増幅され、ローパスフィルタ１１４で高周波成分をカットされた後、Ｘ方向の加速度を示す信号として演算処理回路（マイコン）１１８のＡ／Ｄポートへ入力される。ここで、ローパスフィルタ１１４（ローパスフィルタ１１７も同じ。）を用いるのは、高周波ノイズをカットするとともに加速度センサ１０１を取り付けた機器の振動（あるいは、加速度センサ１０１を取り付けた機器が手持ち機器の場合には、手振れ）による不要な信号成分を除去するためである。同様に、Ｙ軸方向の流量センサ１０４Ｂから出力された信号（加速度信号）は、増幅回路１１６により増幅され、ローパスフィルタ１１７で高周波成分をカットされた後、Ｙ方向の加速度を示す信号として演算処理回路（マイコン）１１８のＡ／Ｄポートへ入力される。演算処理回路（マイコン）１１８においては、Ｘ軸方向の加速度とＹ軸方向の加速度の合成など、必要な処理が実行される。なお、ローパスフィルタ１１４、１１７の後段に、電圧−周波数（ＶＦ）変換回路を設け、カウンタを通してパルス出力を演算処理回路１１８へ送るようにしてもよい。
【００８５】
このような流量センサ１０４を利用した加速度センサ１０１では、構造が単純であるため、安価に加速度センサ１０１を製作することができる。また、半導体プロセスを用いて流量センサ１０４を製造できるので、加速度センサ１０１を小型化できる。さらに、可動部分を持たないので、衝撃に強くて破損しにくという特徴がある。また、このような加速度センサ１０１は、出力感度が高いので、高精度の出力を得ることができる。さらに、周辺回路も安価な部品で構成することが可能である。
【００８６】
（第５の実施形態）
図２０（ａ）（ｂ）は別な実施形態による加速度センサ１２１を示している。この加速度センサ１２１では、回路基板１０３と密閉ケース１０２とで構成されたセンサ収納室１０５内に比較的比重の重いガス１２２と比較的比重の軽いガス１２３との２種のガスを封入している。しかして、センサ収納室１０５内では、図２０（ａ）に示すように重いガス１２２と軽いガス１２３とが分離して２層となっている。この状態では、図２０（ｂ）に示すように、加速度センサ１０４を＋Ｘ方向に移動させると、重いガス１２２が慣性等によって相対的に−Ｘ方向へ移動するので、軽いガス１２３は＋Ｘ方向へ押し出される。このとき軽いガス１２３の流れ（加速度）が流量センサ１０４により検出される。この実施形態では、重いガス１２２と軽いガス１２３を封入することにより軽いガス１２３の流れを構造的に増幅させることにより、加速度センサ１２１の感度を高めている。
【００８７】
（第６の実施形態）
２次元加速度センサが傾けて設置される場合には、重力加速度による信号成分を無視することができず、これを補正する必要がある。この重力加速度の補正方法としては、図２１のような信号処理回路を用いる方法がある。
【００８８】
図２１の信号処理回路１３１では、Ｘ軸方向の流量センサ１０４Ａから出力された信号（加速度信号）は、増幅回路１１３により増幅された後、ハイパスフィルタ１３２で低周波成分をカットされた後、Ｘ方向の加速度を示す信号として演算処理回路（マイコン）１１８のＡ／Ｄポートへ入力される。同様に、Ｙ軸方向の流量センサ１０４Ｂから出力された信号（加速度信号）は、増幅回路１１６により増幅され、ハイパスフィルタ１３３で低周波成分をカットされた後、Ｙ方向の加速度を示す信号として演算処理回路（マイコン）１１８のＡ／Ｄポートへ入力される。
【００８９】
重力加速度による加速度センサからの出力は、ほぼ直流成分（あるいは、非常に低い周波数成分）であるから、Ｘ軸流量センサ１０４Ａ及びＹ軸流量センサ１０４Ｂの出力に接続するハイパスフィルタ１３２、１３３の周波数特性を、図２２に示すように、カットオフ周波数Ｆｃが重力加速度による出力成分の周波数域よりも高く、加速度センサの計測範囲下限値よりも低くなるように設定すれば、重力加速度による影響のみをカットすることができ、加速度センサの精度を向上させることができる。
【００９０】
なお、重力加速度の影響をカットすると共に、図１９の信号処理回路１１１のように高周波ノイズもカットする必要がある場合には、このハイパスフィルタ１３２、１３３に代えてバンドパスフィルタを用いてもよい。
【００９１】
（第７の実施形態）
図２３は別な実施形態による加速度センサ１４１を示す斜視図である。この加速度センサ１４１にあっては、ケース１４２内に、密閉式のセンサユニット１４３が納められている。加速度センサ１４１は、図２３に示すように、中空のケース１４２内に支持梁１４４を掛け渡し、フック１４５でセンサユニット１４３を支持梁１４４の屈曲箇所に揺動自在に吊り下げたものである。センサユニット１４３は、流量センサ１０４を実装した回路基板１４６をユニットケース１４７内に固定したものであり、ユニットケース１４７の上面に設けられたフック１４５で揺動自在に吊り下げた時、安定した状態では、流量センサ１０４の垂直方向が重力加速度方向と平行となるように重心位置を調整してある。また、ケース１４２内に適当な粘度のオイル１４８を貯めてオイルダンパーとしてあり、センサユニット１４３はオイル１４８内に浸けられている。さらに、加速度センサ１４１のケース１４２には、内外に貫通するようにして電極端子１４９が埋め込まれており、流量センサ１０４又は回路基板１４と電極端子１４９とは柔軟なリード線１５０によって結ばれているので、流量センサ１０４の出力は電極端子１４９に取り出されるようになっている。
【００９２】
しかして、この加速度センサ１４１によれば、傾けて設置されていても、加速度センサ１４１内のセンサユニット１４３はオイル１４８の抵抗に抗しながら動いて水平姿勢に保持されるので、流量センサ１０４は常に重力加速度の影響を受けない状態に維持される。よって、重力加速度による出力成分は常にゼロとなり、加速度センサ１４１の精度が向上させられる。
【００９３】
（第８の実施形態）
図２４は、別な実施形態による３次元加速度センサ１５１を示す概略斜視図である。この加速度センサ１５１にあっては、Ｘ軸方向の移動を検知する流量センサ１５２Ａ、Ｙ軸方向の移動を検知する流量センサ１５２Ｂ、Ｚ軸方向の移動を検知する流量センサ１５２Ｃをそれぞれれ立方体状をしたブロック１５３の各面に貼り付けたものが密閉ケース１５４内に密封されている。よって、各流量センサ１５２Ａ、１５２Ｂ、１５２ＣによりＸ軸方向の加速度、Ｙ軸方向の加速度、Ｚ軸方向の加速度を計測することができ、３次元加速度センサとして用いることができる。
【００９４】
（第９の実施形態）
図２５は本発明にかかる加速度センサを用いたゲームコントローラ１６１であって、ゲームコントローラ１６１内の回路基板１６２に上記のような密閉型の３次元加速度センサ１６３を実装している。そして、このゲームコントローラ１６１の空中における操作状態が加速度センサ１６３によって検出され、その計測信号がゲームコントローラ１６１からパーソナルコンピュータやゲームマシンなどに出力される。
【００９５】
（図１０の実施形態）
図２６は異なるゲームコントローラ１６１の形態を表している。このゲームコントローラ１６１では、内部の回路基板１６２の上に本発明にかかる流体センサ１６４がＣＢＯ（チップ・オン・ボード）で実装されており、この流体センサ１６４を覆うようにして回路基板１６２にキャップ１６５を取り付け、回路基板１６２とキャップ１６５によって内部に流体センサ１６４を封止して密閉型の加速度センサを構成している。キャップ１６５と回路基板１６２の間を密閉構造とするためには、キャップ１６５の爪１６７を回路基板１６２の孔１６８に係合させてキャップ１６５を回路基板１６２の表面に取り付けると共にキャップ１６５と回路基板１６２の間に気密用のゴムパッキンなどを挟み込んでおいてもよい。あるいは、キャップ１６５の下面を回路基板１６２の表面に接着剤で接着することにより、気密構造としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】従来の流量センサの構造を示す平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】（ａ）は上記流量センサに流体が流れていないときの温度分布を示す図、（ｂ）は同上の流量センサに流体が流れているときの温度分布を示す図である。
【図４】（ａ）（ｂ）は、図１に示したような構造のセンサを湿気やガス圧を検出するためのセンサとして用いる場合の検出原理を説明する図である。
【図５】本発明の一実施形態による流量センサの構造を示す平面図である。
【図６】図６のＢ−Ｂ線断面図である。
【図７】（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は同上の流量センサの製造プロセスを説明する断面図である。
【図８】（ｅ）（ｆ）（ｇ）（ｈ）（ｉ）は図８の続図である。
【図９】（ｊ）（ｋ）（ｌ）（ｍ）は図９の続図である。
【図１０】同上の流量センサに用いられているヒータ制御回路を示す図である。
【図１１】測温抵抗体及びヒータの温度と各抵抗値との関係を説明するための図である。
【図１２】本発明の別な実施形態におけるヒータ制御回路を示す図である。
【図１３】本発明のさらに別な実施形態におけるヒータ制御回路を示す図である。
【図１４】本発明のさらに別な実施形態におけるヒータ制御回路を示す図である。
【図１５】本発明のさらに別な実施形態におけるヒータ制御回路を示す図である。
【図１６】本発明にかかるガス圧センサを用いた給湯器の構造を示す概略図である。
【図１７】本発明にかかる流量センサを用いた加速度センサの概略断面図である。
【図１８】加速度センサにおけるおける重力加速度の影響を説明する図である。
【図１９】同上の加速度センサに用いられている信号処理回路の構成を示す回路ブロック図である。
【図２０】（ａ）（ｂ）は本発明にかかる流量センサを用いた別な構造の加速度センサを示す概略断面図である。
【図２１】本発明にかかる加速度センサにおいて、重力加速度の影響を除去するための信号処理回路の構成を示す回路ブロック図である。
【図２２】同上の信号処理回路の原理を説明する図である。
【図２３】重力加速度の影響を除去した別な加速度センサの構造を示す概略断面図である。
【図２４】本発明にかかる３次元加速度センサの概略図である。
【図２５】本発明にかかる加速度センサを利用したゲームコントローラを示す斜視図である。
【図２６】本発明にかかる加速度センサを利用した別なゲームコントローラを示す一部分解した斜視図である。
【符号の説明】
【００９７】
６１ ヒータ制御回路
６２ オペアンプ
６３、６４ 固定抵抗
６５ トランジスタ
６６ 定電圧回路
７１ ヒータ制御回路
７２、７３ 分圧抵抗
７４ 抵抗
８１ ヒータ制御回路
８２ 抵抗
【技術分野】
【０００１】
本発明はセンサ用発熱装置、センサ及び加速度センサに関する。具体的には、発熱体から発生する熱により、物質の熱伝導性の違いを利用して物性値や物理量を計測するセンサ及び加速度を計測する加速度センサと、当該センサにおいて、測温抵抗体の温度と発熱体の発熱温度との温度差を一定に保つためのセンサ用発熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば、従来の流量センサとしては、発熱体であるヒータを熱源とし、その上流側と下流側の温度差で流速を検出する方式がある。このような流量センサ１を図１及び図２に示す。ここで、図２は図１のＡ−Ａ線断面を表している。ただし、図１ではヒータやサーモパイル等を露出させた状態で表しており、図２ではその上を保護膜１０等で覆った状態で表している。この流量センサ１にあっては、シリコン基板２の上面に凹状の空隙部３を形成し、この空隙部３を覆うようにしてシリコン基板２の上面に絶縁薄膜４を設け、この絶縁薄膜４の一部によって空隙部３の上に薄膜状のブリッジ部５を形成している。このブリッジ部５は空隙部３内の空間（空気）によってシリコン基板２と断熱されている。ブリッジ部５の表面においては、その中央部にヒータ６を設け、ヒータ６を挟んで対称な位置（上流側と下流側）にそれぞれ測温体としてサーモパイル７、８を設けている。また、ヒータ６及びサーモパイル７、８を覆うようにしてシリコン基板２の上を保護膜１０で被覆している。
【０００３】
上記サーモパイル７、８はＢｉＳｂ／Ｓｂからなる熱電対によって構成されており、ブリッジ部５の縁を横切るようにしてＢｉＳｂからなる第１の細線１１とＳｂからなる第２の細線１２が交互に配線され、ブリッジ部５内における第１の細線１１と第２の細線１２の接続点によって温接点１３の群が構成され、ブリッジ部５外における第１の細線１１と第２の細線１２の接続点によって冷接点１４の群が構成されている。
【０００４】
サーモパイル７、８の温接点１３及び冷接点１４の数をそれぞれｎ個、温接点１３の温度をＴw、冷接点１４の温度をＴcとすると、サーモパイル７、８の出力電圧（両端間電圧）Ｖは、次の（１）式で表される。
Ｖ＝ｎ・α（Ｔw−Ｔc） …（１）
ただし、αはゼーベック係数である。
【０００５】
符号９及び１５は、それぞれヒータ６、サーモパイル７、８にワイヤボンディングするためのワイヤパッド、符号１７は絶縁薄膜である。
【０００６】
この流量センサ１は気体の流れが生じる箇所に置かれ、ヒータ６に電流を流して発熱させながら上流側及び下流側のサーモパイル７、８の出力が監視される。気体の流れていない無風時においては、図３（ａ）に示すように配置の対称性より上流側サーモパイル７の温接点温度と下流側サーモパイル８の温接点温度とは等しいから、サーモパイル７の出力電圧とサーモパイル８の出力電圧とは等しくなる。これに対し、図１に矢印で示すように、上流側から下流側に向けて気体が移動していると、図３（ｂ）に示すように、上流側のサーモパイル７の温接点１３は気体の流れで冷却されて降温し、その出力電圧は小さくなる。一方、気体によってヒータ６の熱が下流側へ輸送されて下流側のサーモパイル８の温接点１３は温度が上昇し、その出力電圧は大きくなる。しかも、両サーモパイル７、８の温接点温度の差は、気体の流量が大きくなるにつれて拡大するから、それに伴う両サーモパイル７、８の出力電圧値の差により気体の流量を測定することができる。
【０００７】
また、図１及び図２に示したようなセンサ構造は、流量センサ以外にも、湿度センサやガスセンサなどとしても用いられる。図４（ａ）（ｂ）は、このようなセンサ構造により湿度やガス種を検出する原理を示している。図１及び図２の符号を用いて説明すると、流量センサの場合には、ガス等の気体の流れによって図３（ｂ）のように温度分布が非対称になったが、湿度センサやガス圧センサの場合には、湿度の変化やガス種の変化によって図４（ａ）（ｂ）に示すように、ヒータ６を中心とする温度分布密度が変化するので、両サーモパイル７、８で検知する温度が変化する。従って、ヒータ６を一定温度で発熱させ、そのときサーモパイル７、８で検知している温度から湿度やガス種を検知することができる。
【０００８】
【特許文献１】特開昭５７−１６３８２２号公報
【特許文献２】特開昭５７−１５３２１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記のようなセンサにおいては、サーモパイル７、８の冷接点１４の温度はシリコン基板２の温度に等しく、熱平衡状態ではシリコン基板２の温度は周囲温度に等しいから、冷接点１４の温度はほぼ周囲温度に等しい。また、ヒータ６によって加熱されている温接点１３の温度は、ヒータ６の発熱温度が一定で、かつガス流量や湿度、ガス種などが同じであれば、ほぼ一定温度となる。このため、前記（１）式から分かるように、ヒータ６の発熱温度を一定温度に保っていたのでは、ガス流量や湿度、ガス圧等の被検知量が等しくても周囲温度によって出力電圧Ｖが変化し、検知誤差となる問題がある。よって、ヒータ６の発熱温度は、周囲温度に対して常に一定温度だけ高くなるようにすることが要求される。
【００１０】
このような周囲温度の変化に伴う出力変動を補正するためには、例えば特開２０００−１３１０９４号公報に開示されている温度補償回路を利用することが考えられる。しかし、上記公報に開示されている温度補償回路では、複数の演算増幅器や増幅回路等を必要とし、構成が複雑でコストが高くつくことになる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、抵抗等からなるブリッジ回路を用いることで簡単な構成により、周囲温度等の環境変数の変化に伴う出力の変動を防止し、さらにその補正精度を向上させることにある。
【００１２】
本発明に係るセンサ用発熱装置にあっては、不純物をドーピングされた測温抵抗体と固定抵抗とを含んで第１の枝が構成され、不純物をドーピングされた発熱体と前記固定抵抗とは別な固定抵抗とを含んで第２の枝が構成され、第１の枝と第２の枝を並列に接続してブリッジ回路が構成され、第１の枝の中点と第２の枝の中点との電位差に基づいて前記ブリッジ回路に印加する電圧又は前記ブリッジ回路に供給する電流を調整することにより、測温抵抗体と発熱体の温度差を制御する手段が構成されている。そして、前記ブリッジ回路と前記制御手段とを備えたセンサ用発熱装置において、前記測温抵抗体のドーピング量を前記発熱体のドーピング量よりも大きくしたことを特徴としている。
【００１３】
このセンサ用発熱装置では、第１の枝に含まれる固定抵抗と第２の固定抵抗に含まれる固定抵抗は、いずれも１個である必要はなく、複数個の固定抵抗が含まれていてもよい。また、ブリッジ回路に交流電圧を印加する場合には、ブリッジ回路には抵抗以外のキャパシタやインダクタなどが含まれていてもよい。
【００１４】
このセンサ用発熱装置によれば、温度変化に伴って測温抵抗体の抵抗値が変化すると、ブリッジ回路とその制御手段を通して発熱体の抵抗値も自動調整され、その結果発熱体の発熱温度が制御される。しかも、測温抵抗体のドーピング量を発熱体のドーピング量よりも大きくしているので、測温抵抗体のドーピング量と発熱体のドーピング量とを等しくする場合と比較して、ブリッジ回路の平衡条件に拘束されることなく、測温抵抗体の温度変化に対する発熱体の発熱温度の制御形態の自由度を高めることができる。しかも、発熱体と測温抵抗体とで同一材料を用いてドーピング量を異ならせるだけでよいので、工程数の増加も必要最小限に抑えることができ、センサ用発熱装置の回路構成を複雑にすることもない。
【００１５】
特に、このセンサ用発熱装置の実施態様としては、
βｂ＝βｈ／（１＋βｈ・ΔＴｈ）
ただし、βｂ： 記測温抵抗体の抵抗温度係数
βｈ： 発熱体の抵抗温度係数
ΔＴｈ： 測温抵抗体と発熱体の温度差
とすることができる。この実施形態によれば、測温抵抗体の温度が変化したときの発熱体の発熱温度の変化を高い精度で測温抵抗体の温度変化と等しくすることができる。従って、測温抵抗体の温度と発熱体の発熱温度との温度差を常に高い精度で一定に保つことが可能になる。
【００１６】
特に、測温抵抗体と発熱体の温度差ΔＴは、通常５℃〜１００℃程度であり、ポリシリコンの抵抗温度係数は、約０.００１／℃であるから、測温抵抗体及び発熱体がポリシリコンによって形成されている場合には、測温抵抗体の抵抗温度係数に対する発熱体の抵抗温度係数の比は、１.００５以上１.１以下であればよい。
【００１７】
本発明のセンサは、上記のようなセンサ用発熱装置と、センサ用発熱装置の近傍に配置され、該センサ用発熱装置の発熱部から発生した熱による温度変化を検出する温度測定手段とを備えている。
【００１８】
このようなセンサは、流量センサ（ガスフローセンサ）や湿度センサ、ガス（種）センサなどとして用いることができるものであり、本発明のセンサ用発熱装置を用いれば測温抵抗体の温度（すなわち、周囲温度）に対して発熱体の発熱温度を一定温度だけ高い温度に保つことができるので、周囲温度の変化に対する温度補正を高精度に行うことができ、センサの検出精度を向上させることができる。
【００１９】
本発明の加速度センサは、上記のようなセンサ用発熱装置と、前記センサ用発熱装置の近傍に配置され、該センサ用発熱装置の発熱部から発生した熱による温度変化を検出する温度測定手段とを密閉空間内に納め、当該温度測定手段の出力により加速度を計測するようにしたことを特徴としている。
【００２０】
このような加速度センサによれば、加速度によって密閉空間の内部に生じるガス（密閉空間内に封入したガスや空気など）の流れが温度分布の変化として温度測定手段によって検知されるので、この温度測定手段からの出力信号により加速度センサに働く加速度を検出することができる。しかも、この加速度センサは、本発明のセンサ用発熱装置を用いているので、測温抵抗体の温度（すなわち、周囲温度）に対して発熱体の発熱温度を一定温度だけ高い温度に保つことができ、周囲温度の変化に対する温度補正を高精度に行うことができ、センサの検出精度を向上させることができる。
【００２１】
また、このような加速度センサにおいて、前記センサ用発熱装置に用いられている発熱体を間欠駆動する手段を設けてもよい。発熱体を間欠駆動することで周囲の温度上昇を小さくできるので、加速度センサの出力を安定させることができると共に加速度センサの消費電力を抑えることができる。
【００２２】
また、上記のような加速度センサにおいては、前記温度測定手段からの出力信号がローパスフィルタを通過させるようにしてもよい。温度測定手段からの出力信号をローパスフィルタに通すようにすれば、出力信号から高周波ノイズを除去することができると共に加速度センサを取り付けられている機器の振動や、当該機器が手持ち操作されるものである場合には手ぶれなどによる不要な信号を除去することができる。
【００２３】
なお、この発明の以上説明した構成要素は、可能な限り任意に組み合わせることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
（第１の実施形態）
本発明の一実施形態による流量センサ（ガスフローセンサ）３１の構造を図５及び図６に示す。図６は図５のＢ−Ｂ線断面を表し、図５は保護膜４０等を除去してサーモパイル３７、３８を露出させた状態の平面を表している。この流量センサ３１にあっては、シリコン基板３２の上面に上方で広くなった凹状の空隙部３３を形成し、この空隙部３３を覆うようにしてシリコン基板３２の上面に絶縁薄膜３４を設け、この絶縁薄膜３４の一部によって空隙部３３の上に薄膜状のブリッジ部３５を形成している。このブリッジ部３５は空隙部３３によってシリコン基板３２と断熱されている。ブリッジ部３５の表面においては、その中央部にポリシリコンからなるヒータ３６を設け、ヒータ３６を挟んで上流側と下流側の対称な位置にそれぞれ測温体としてサーモパイル３７、３８を設けている。また、ブリッジ部３５の外側において、絶縁薄膜３４の上に周囲温度感知用の測温抵抗体５２を設けてあり、ヒータ３６、サーモパイル３７、３８及び測温抵抗体５２を覆うようにしてシリコン基板３２の上を保護膜４０で覆っている。
【００２５】
上記サーモパイル３７、３８はポリシリコン／アルミニウムからなる熱電対によって構成されており、ブリッジ部３５の縁を横切るようにしてポリシリコンからなる第１の細線４１とアルミニウムからなる第２の細線４２が交互に、かつ平行に配線され、ブリッジ部３５内における第１の細線４１と第２の細線４２の接続点によって温接点４３の群が構成され、ブリッジ部３５外における第１の細線４１と第２の細線４２の接続点によって冷接点４４の群を構成している。
【００２６】
冷接点４４は、ヒートシンクの役目をするシリコン基板３２の上に位置しているので、気体に接触しても温度は変化しにくく、常に周囲温度とほぼ等しい温度に保たれている。温接点４３は、シリコン基板３２から浮いたブリッジ部３５の上に形成されているので、熱容量が小さく、気体に触れると敏感に温度が変化する。
【００２７】
この流量センサ３１においても、サーモパイル３７、３８の温接点４３及び冷接点４４の数をそれぞれｎ個、温接点４３の温度をＴw、冷接点４４の温度をＴcとすると、サーモパイル３７、３８の出力電圧（両端間電圧）Ｖは、次の（２）式で表される。
Ｖ＝ｎ・α（Ｔw−Ｔc） …（２）
ただし、αはゼーベック係数である。
【００２８】
ブリッジ部３５の外側（シリコン基板３２の上面）で、絶縁薄膜３４の上面に設けられた測温抵抗体５２は、ポリシリコンによって形成されている。この測温抵抗体５２は、シリコン基板３２の温度、すなわち周囲温度と等しい温度に保たれている。
【００２９】
この流量センサ３１においては、測温抵抗体５２、ヒータ３６、サーモパイル３７、３８の第１の細線４１はそれぞれ同一材料（ポリシリコン）によって形成され、Ｐ（燐）等の不純物をドーピングされている。
【００３０】
符号３９、４５及び５３は、それぞれヒータ３６、サーモパイル３７、３８及び測温抵抗体５２にワイヤボンディングするためのワイヤパッドである。
【００３１】
なお、図示しないが、サーモパイルは、ヒータの片側にだけ設けてもよい。上記実施形態のようにヒータの両側にサーモパイルを配置した構造の場合には、図５の矢印方向と反対向きに気体が流れた場合にも流体流量（ガス流量）を検出することができる。一方、ヒータの片側にのみサーモパイルを設けた構造では、両側にサーモパイルを設けた構造と比較して、より高流速域で測定可能になる。
【００３２】
次に、上記流量センサ３１の製造プロセスを図７（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）、図８（ｅ）（ｆ）（ｇ）（ｈ）（ｉ）及び図９（ｊ）（ｋ）（ｌ）（ｍ）により説明する。これらの製造プロセスを説明する図はいずれも、図５（ａ）のＣ−Ｃ線に沿った断面を表している。以下、これらの図に従って当該製造プロセスを説明する。
【００３３】
まず、熱酸化法等によりシリコン基板３２の表裏両面に例えばＳｉＯ２からなる絶縁薄膜３４を形成し［図７（ａ）］、ＣＶＤ法等を用いて上面側の絶縁薄膜３４の上にポリシリコンを膜厚５００ｎｍとなるように堆積させてポリシリコン膜４６を形成する［図７（ｂ）］。ついで、イオン注入法等によりポリシリコン膜４６の全体にＰ等の不純物原子をイオン注入法等でドーズ量１×１０２０個／ｃｍ３だけドープする［図７（ｃ）］。さらに、ポリシリコン膜４６の表面全体をレジスト膜５４で覆った後、ポリシリコン膜４６のヒータ形成領域５６ａ及び測温体形成領域５６ｂでレジスト膜５４に窓５５を開口させる［図７（ｄ）］。
【００３４】
この窓５５を通してさらにＰ等の不純物原子をイオン注入法等により３×１０２０個／ｃｍ３よりも少ないドーズ量で追加注入させる［図８（ｅ）］。ついで、レジスト膜５４にあけた窓５５のうち、測温体形成領域５６ｂの窓５５をレジストによって塞いだ後、ヒータ形成領域５６ａで開口している窓５５を通してＰ等の不純物原子をイオン注入法等により追加注入し、全注入量が４×１０２０個／ｃｍ３となるようにする。
【００３５】
この後、レジスト膜５４を除去すると、ヒータ形成領域５６ａでは４×１０２０個／ｃｍ３の不純物濃度となり、ヒータ形成領域５６ａ及び測温体形成領域５６ｂ以外の領域（特に、サーモパイル形成領域）では不純物濃度が１×１０２０個／ｃｍ３となる［図８（ｆ）］。測温体形成領域５６ｂでは不純物濃度が４×１０２０個／ｃｍ３よりも少なくなっているが、この不純物濃度は、ヒータ３６の抵抗温度係数と測温抵抗体５２の抵抗温度係数とが後述のような比になるよう制御される。
【００３６】
この後、フォトリソグラフィによりポリシリコン膜４６をエッチングし、ポリシリコン膜４６によってヒータ３６、周囲温度測定用の測温抵抗体５２、サーモパイル３７、３８の各第１の細線４１のパターンを形成し、さらにパターニングされたポリシリコン膜４６の不純物を熱拡散させる。このとき、ポリシリコン膜４６の表面には酸化膜４７が形成される［図８（ｇ）］。
【００３７】
この結果、同時にパターニングされたヒータ３６、測温抵抗体５２、サーモパイル３７、３８の各第１の細線４１のうち、ヒータ３６の不純物濃度がもっとも高く、つぎに測温抵抗体５２の不純物濃度が高くなる。
【００３８】
ついで、温接点４３及び冷接点４４となる箇所で第１の細線４１を覆う酸化膜４７の一部をエッチングして開口４８を設け［図８（ｈ）］、酸化膜４７の上からアルミニウムをスパッタ等で堆積させ、さらにフォトリソグラフィによってアルミニウム膜をパターニングしてサーモパイル３７、３８の第２の細線４２を形成する［図８（ｉ）］。このとき、第２の細線４２は、酸化膜４７の開口４８を通して各端を第１の細線４１の各端に接続され、酸化膜４７の下に形成された第１の細線４１と第２の細線４２とによってサーモパイル３７、３８が形成される。
【００３９】
次に、サーモパイル３７、３８の両端、ヒータ３６の両端および測温抵抗体５２の両端において、酸化膜４７の一部をエッチングして開口４９を設け、サーモパイル３７、３８の両端、ヒータ３６の両端及び測温抵抗体５２の両端に金属材料を堆積させてそれぞれのワイヤパッド４５、３９、５３を設ける［図９（ｊ）］。ついで、ＣＶＤ法等により基板全体に例えばＳｉＯ２を堆積させ、配線保護のための保護膜４０を形成する［図９（ｋ）］。
【００４０】
この後、保護膜４０を部分的にエッチングして各ワイヤパッド４５、３９、５３の上面を露出させる。同時にヒータ３６とサーモパイル３７、３８の中間において、保護膜４０をエッチング除去し、さらにエッチングにより絶縁薄膜３４も部分的に除去して開口５１を形成し、開口５１からシリコン基板３２を露出させる［図９（ｌ）］。ついで、この開口５１からシリコン基板３２の上面をエッチングすることによりシリコン基板３２の上面に空隙部３３を凹設すると共に絶縁薄膜３４によってブリッジ部３５を形成する［図９（ｍ）］。
【００４１】
このようにしてヒータ形成領域５６ａと測温体形成領域５６ｂで不純物を追加ドーピングすることによって流量センサ３１を製造すれば、無駄なドーピング処理時間を減らすことができ、効率よく感度の良好な流量センサを製造することができる。
【００４２】
この流量センサ３１にあっても、ヒータ３６に電流を流して発熱させながら上流側及び下流側のサーモパイル３７、３８の出力が監視される。気体の流れていない無風時には、サーモパイル３７の出力電圧とサーモパイル３８の出力電圧とは等しいが、図５に矢印で示す方向に、上流側から下流側に向けて気体が移動していると、上流側のサーモパイル３７の温接点４３は冷却されて降温し、出力電圧が小さくなる。一方、気体によって運ばれる熱で下流側のサーモパイル３８の温接点４３は温度が上昇し、出力電圧が大きくなる。従って、両サーモパイル３７、３８の出力電圧値の差により空気の流量を測定することができる。
【００４３】
また、この流量センサ３１では、ヒータ３６の不純物ドーピング量は第１の細線４１の不純物ドーピング量よりも大きくなっている。例えば、上記のようにヒータ３６と第１の細線４１が膜厚５００ｎｍのポリシリコンからなる場合、第１の細線４１には１×１０２０個／ｃｍ３程度の密度でＰがドーピングされるのに対し、ヒータ３６には４×１０２０個／ｃｍ３程度の密度でＰがドーピングされる。このように、第１の細線４１よりもヒータ３６の不純物ドーピング量を大きくしているので、ヒータ３６の抵抗を下げることができ、ヒータ３６の発熱温度を高くすることができる。一方、第１の細線４１の不純物ドーピング量はヒータ３６よりも小さくなっているので、ゼーベック係数を高くすることができる。よって、ゼーベック係数の高いサーモパイル３７、３８を用いながらヒータ３６の発熱温度を高くすることができ、流量センサ３１の感度を向上させることができる。
【００４４】
図１０はヒータ制御回路６１の構成を示す図である。このヒータ制御回路６１は、ヒータ３６の発熱温度が測温抵抗体５２で検出されている周囲温度よりも一定温度だけ高い温度に自動調整する働きをする。このヒータ制御回路６１は、固定抵抗６３、６４、ヒータ３６、測温抵抗体５２、オペアンプ（差動増幅回路）６２及びトランジスタ６５によって構成されている。固定抵抗６３、６４はヒータ３６及び測温抵抗体５２と共にブリッジ回路を構成されており、固定抵抗６３と測温抵抗体５２の中点がオペアンプ６２の反転入力端子に接続され、固定抵抗６４とヒータ３６の中点がオペアンプ６２の非反転入力端子に接続されている。トランジスタ６５は、定電圧回路６６と固定抵抗６３及び６４との間に挿入されており、オペアンプ６２の出力はトランジスタ６５のベースに接続されている。
【００４５】
このヒータ制御回路６１は、ヒータ３６を周囲温度に対して一定温度ΔＴｈだけ高い温度で熱平衡状態を保とうとするものであり、例えば無風状態の熱平衡状態から気体の流れのある状態に変化してヒータ３６の温度が下がると、オペアンプ６２の非反転入力端子の電位が下がり、トランジスタ６５を駆動し、電流が供給されて再び熱平衡状態になるという動作を繰り返す。周囲温度が変化した場合も同様である。詳しくいうと、このヒータ制御回路６１にあっては、ヒータ３６の発熱温度が平衡時の温度よりも上昇すると、オペアンプ６２から出力される電位が高くなるので、トランジスタ６５のベース電流が減少し、ブリッジ回路に流れる電流も減少する。この結果、ヒータ３６に流れる電流が減少してヒータ３６の発熱温度が下がる。逆に、ヒータ３６の発熱温度が平衡時の温度よりも低下すると、オペアンプ６２の出力電位が低下するので、トランジスタ６５のベース電流が増加し、ブリッジ回路に流れる電流も増加する。この結果、ヒータ３６に流れる電流が増加してヒータ３６の発熱温度が上がる。
【００４６】
また、周囲温度を検出している測温抵抗体５２の温度が平衡時の温度よりも上昇すると、オペアンプ６２から出力される電位が低下するので、トランジスタ６５のベース電流が増加し、ブリッジ回路に流れる電流も増加する。この結果、ヒータ３６に流れる電流が増加してヒータ３６の発熱温度が上がる。逆に、測温抵抗体５２の発熱温度が平衡時の温度よりも低下すると、オペアンプ６２から出力される電位が高くなるので、トランジスタ６５のベース電流が減少し、ブリッジ回路に流れる電流も減少する。この結果、ヒータ３６に流れる電流が減少してヒータ３６の発熱温度が下がる。
【００４７】
ヒータ制御回路６１は、上記のような動作により、ヒータ３６の発熱温度が測温抵抗体５２に対して一定に保たれるように自動調整すると共に、測温抵抗体５２の検知温度が下がったらヒータ３６の温度も下げ、測温抵抗体５２の検知温度が上がったらヒータ３６の温度も上昇させる。ただし、ヒータ３６には、通電による温度上昇が無視できない電流値が流れるようにし、測温抵抗体５２には通電による温度上昇が無視できる程度の電流しか流れないよう、ヒータ３６及び測温抵抗体５２の抵抗値が設定されるものとする。
【００４８】
しかし、このようなブリッジ回路を用いたヒータ制御回路６１で、ヒータ３６と測温抵抗体５２とを同一材質で形成した場合には、以下に説明するように、ヒータ３６は周囲温度（測温抵抗体５２の温度）に対して厳密には一定温度上昇とならず、この温度上昇値の温度特性が流速センサの特性誤差を生むことになる。
【００４９】
ヒータ３６と測温抵抗体５２とが同じ材質で、不純物のドーピング量が等しいとすると、ヒータ３６の抵抗温度係数と測温抵抗体５２の抵抗温度係数とは等しくなる。いま、横軸に温度をとり、縦軸に抵抗値をとって、ヒータ３６及び測温抵抗体５２の抵抗値温度特性を考える。ヒータ３６と測温抵抗体５２とでは、抵抗値の温度特性は一致しない（抵抗率の温度特性は一致する。）が、説明の便宜上ヒータ３６と測温抵抗体５２の抵抗値温度特性が一致するとして説明する。
【００５０】
はじめに周囲温度がＴ１で、そのときの測温抵抗体５２の抵抗値がＲｂであって、ヒータ３６の温度が周囲温度よりもΔＴｈだけ大きな温度Ｔ２（＝Ｔ１＋ΔＴｈ）で、そのときのヒータ３６の抵抗値がＲｈであったとすると、ブリッジ回路の平衡条件より、
Ｒ１・Ｒｈ＝Ｒ２・Ｒｂ …（３）
が成り立つ。ただし、Ｒ１は固定抵抗６３の抵抗値、Ｒ２は固定抵抗６４の抵抗値である。
【００５１】
いま、周囲温度がＴ１からΔＴだけ上昇してＴ１´となり、測温抵抗体５２の抵抗値がＲｂ´となったとする。ブリッジ回路においては、測温抵抗体５２の抵抗値がＲｂからＲｂ´に増加したとすると、ブリッジ回路の平衡条件を満たすところで安定し、その結果ヒータ３６に流れる電流が大きくなってヒータ３６の発熱温度も高くなる。この時のヒータ３６の抵抗値をＲｈ´とすると、ブリッジ回路の平衡条件より、
Ｒ１・Ｒｈ´＝Ｒ２・Ｒｂ´ …（４）
となる。よって、上記（３）式と（４）式とから、
Ｒｈ´／Ｒｈ＝Ｒｂ´／Ｒｂ …（５）
が得られる。ここで、測温抵抗体５２の抵抗値Ｒｂに比べてヒータ３６の抵抗値Ｒｈは大きいので、（５）式又は図１１から分かるように、測温抵抗体５２の温度がＴ１からＴ１´へとΔＴだけ上昇したとしても、ヒータ３６の温度上昇ΔＴ´は周囲温度の上昇ΔＴよりも大きくなる。
【００５２】
この結果、温度上昇後におけるヒータ３６の温度Ｔ２´と測温抵抗体５２の温度Ｔ１´との温度差ΔＴｈ´＝Ｔ２´−Ｔ１´は、はじめの温度差ΔＴよりも大きくなってしまう。
【００５３】
そこで、上記のようなヒータ制御回路６１において、ヒータ３６の発熱温度を測温抵抗体５２の温度よりも一定温度だけ高い温度に保つための条件を以下で明らかにする。いま、ヒータ３６の抵抗温度係数をβｈ、測温抵抗体５２の抵抗温度係数をβｂとする。ただし、抵抗温度係数βｈ及びβｂは、いずれもを同一温度（以下、基準温度という。）を基準とする係数であるとする。従って、基準温度における測温抵抗体５２の抵抗値をｒｂ、基準温度よりもΔＴだけ温度が上昇したときの測温抵抗体５２の抵抗値をＲｂ（ΔＴ）とすれば、
Ｒｂ（ΔＴ）＝ｒｂ（１＋βｂ・ΔＴ） …（６）
となる。同様に、基準温度におけるヒータ３６の抵抗値をｒｈ、基準温度よりもΔＴだけ温度が上昇したときのヒータ３６の抵抗値をＲｈ（ΔＴ）とすれば、
Ｒｈ（ΔＴ）＝ｒｈ（１＋βｈ・ΔＴ） …（７）
と表される。
【００５４】
いま、周囲温度が基準温度に等しく、ヒータ３６が周囲温度よりもΔＴｈだけ高い温度に保たれていて、ブリッジ回路が平衡状態にあるとすると、次の（８）式が成り立つ。ただし、Ｒ １、Ｒ２は２つの固定抵抗６３、６４の抵抗値である。
Ｒ１・Ｒｈ（ΔＴｈ）＝Ｒ２・Ｒｂ（０）
すなわち、（６）式、（７）式を用いると、
Ｒ１・ｒｈ（１＋βｈ・ΔＴｈ）＝Ｒ２・ｒｂ …（８）
【００５５】
この平衡状態から、周囲温度がΔＴだけ上昇した場合を考えると、測温抵抗体５２の温度は、
Ｒｂ（ΔＴ）＝ｒｂ（１＋βｂ・ΔＴ） …（９）
となる。このとき、ヒータ３６の温度も同じだけ上昇していると、
Ｒｈ（ΔＴｈ＋ΔＴ）＝ｒｈ（１＋βｈ・ΔＴｈ＋βｈ・ΔＴ）
…（１０）
となる。この状態でブリッジ回路が平衡すればよいから、次の（１１）式が成立すればよい。
Ｒ１・Ｒｈ（ΔＴｈ＋ΔＴ）＝Ｒ２・Ｒｂ（ΔＴ） …（１１）
この（１１）式に（９）式及び（１０）式を代入すると、
Ｒ１・ｒｈ（１＋βｈ・ΔＴｈ＋βｈ・ΔＴ）
＝Ｒ２・ｒｂ（１＋βｂ・ΔＴ） …（１２）
となる。この（１２）式に上記（８）式を適用すると、
Ｒ１・ｒｈ（βｈ・ΔＴ）＝Ｒ２・ｒｂ（βｂ・ΔＴ） …（１３）
が得られる。
【００５６】
よって、
βｈ＝｛（Ｒ２・ｒｂ）／（Ｒ１・ｒｈ）｝βｂ …（１４）
であれば、任意の上昇温度ΔＴについて条件を満たすことになる。ここで、この（１４）式に（８）式を代入すると、
βｈ＝（１＋βｈ・ΔＴｈ）・βｂ …（１５）
となる。
【００５７】
（１５）式においては、
（１＋βｈ・ΔＴｈ）＞１
であるから、周囲温度が変動してもヒータ３６の発熱温度が周囲温度よりもΔＴｈだけ高くなるようにするためには、上記（１５）式を満たす必要があり、ヒータ３６の抵抗温度係数βｈが測温抵抗体５２の抵抗温度係数βｂよりも大きくなっていなければならない。
【００５８】
言い換えると、この実施形態では、測温抵抗体５２の抵抗温度係数βｂがヒータ３６の抵抗温度係数βｈよりも小さくなっていて、上記（１５）式を満たすようにしているので、ヒータ３６の発熱温度が常に周囲温度よりもΔＴｈだけ高くなるよう、より高精度に制御することができる。
【００５９】
抵抗温度係数の数値で言えば、ポリシリコンを使用した測温抵抗体５２における抵抗温度係数βｂは約０.１％／℃程度であり、ヒータ３６の温度上昇ΔＴｈは５℃〜１００℃程度であるので、上記（１５）式によれば、ヒータ３６の抵抗温度係数βｈは測温抵抗体５２の抵抗温度係数βｂの１.００５倍〜１.１倍に設定すればよいことが分かる。
【００６０】
（第２の実施形態）
図１２は本発明の別な実施形態によるヒータ制御回路７１の構成を示す回路図である。第１の実施形態では、ヒータ３６の抵抗温度係数βｈと測温抵抗体５２の抵抗温度係数βｂとが異なるので、ヒータ３６と測温抵抗体５２を別工程で形成するか、別工程でドーピングするか、いずれにしても工程が増加するが、この実施形態では、ヒータ３６の抵抗温度係数βｈと測温抵抗体５２の抵抗温度係数βｂは同じであってもよいので、工程数を少なくできる。
【００６１】
以下、この実施形態を図１２に従って説明する。このヒータ制御回路７１は、図１０に示したヒータ制御回路６１に対して、定電圧回路６６の電圧Ｖｃｃを分圧抵抗７２、７３で分圧し、その電圧Ｖａを抵抗７４を介して測温抵抗体５２に印加し、測温抵抗体５２に電流を流し込むことができるようにしたものである。すなわち、固定抵抗６３、６４、ヒータ３６及び測温抵抗体５２によってブリッジ回路が構成されており、固定抵抗６３と測温抵抗体５２の中点がオペアンプ６２の反転入力端子に接続され、固定抵抗６４とヒータ３６の中点がオペアンプ６２の非反転入力端子に接続されている。トランジスタ６５は、定電圧回路６６と固定抵抗６３及び６４との間に挿入されており、オペアンプ６２の出力は、トランジスタ６５のベースに接続されている。また、定電圧回路６６の出力とグランドとの間には、直列に接続された分圧抵抗７２、７３が接続されており、分圧抵抗７２、７３の中点と、固定抵抗６３及び測温抵抗体５２の中点との間には抵抗７４が接続されており、定電圧回路６６の出力電圧Ｖｃｃを分圧抵抗７２、７３で分圧し、抵抗７４を介して測温抵抗体５２に印加できるようにしている。
【００６２】
このような構成のヒータ制御回路７１において、分圧抵抗７２、７３の中点の電圧をＶａ、固定抵抗６３と測温抵抗体５２の中点の電圧をＶｂ、定電圧回路６６の出力電圧をＶｃｃとすれば、電圧ＶａとＶｂとの間には、次のような関係がある。ただし、Ｒ３、Ｒ４は分圧抵抗７２、７３の抵抗値、Ｒ５は抵抗７４の抵抗値である。
【００６３】
【数１】
【００６４】
従って、抵抗７４の両端間の電圧差ΔＶは、次の（１７）式のように表される。
【００６５】
【数２】
【００６６】
図１０に示したようなヒータ制御回路６１（以下においては、図１０のヒータ制御回路とは、ヒータ３６の抵抗温度係数βｈと測温抵抗体５２の抵抗温度係数βｂとが等しいものをさす。以下、同じ）では、固定抵抗６３と測温抵抗体５２に流れる電流は常に等しくなるため、周囲温度の上昇に伴って測温抵抗体５２の抵抗値Ｒｂが大きくなると、ヒータ３６の発熱温度は周囲温度の変化以上に大きく変化する。
【００６７】
これに対し、この実施形態によるヒータ制御回路７１では、周囲温度が上昇して測温抵抗体５２の抵抗値Ｒｂが大きくなると、測温抵抗体５２の上側の電圧Ｖｂが大きくなるので、抵抗７４の両端間の電圧差ΔＶは、測温抵抗体５２の上側の電圧Ｖｂが上昇するにつれて小さくなり、抵抗７４から測温抵抗体５２に流れ込む電流も減少する。その結果、測温抵抗体５２の上側の電圧Ｖｂの上昇が抑制されることになり、測温抵抗体５２の上側に加わる電圧Ｖｂは図１０のヒータ制御回路６１ほどは上昇しないことになる。すなわち、図１１を参照して説明すれば、周囲温度がＴ１からＴ１´に上昇し、測温抵抗体５２の抵抗値がＲｂからＲｂ´に変化したとしても、測温抵抗体５２の上側の電圧Ｖｂは、抵抗７４からの流入電流の減少により図１０のヒータ制御回路６１の場合ほど上昇せず、結果としてヒータ３６の抵抗Ｒｈ´も図１０のヒータ制御回路６１の場合ほどには上昇し得ないことになり、ヒータ３６の発熱温度の上昇ΔＴ´も図１０のヒータ制御回路６１の場合より小さくなる。
【００６８】
このような構成のヒータ制御回路７１によれば、定電圧回路６６の出力電圧Ｖｃｃに対して分圧抵抗７２、７３及び抵抗７４の抵抗値Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５を適当に選択することにより、抵抗７４を通って測温抵抗体５２に流れ込む電流を自由に設定することができるから、結局は抵抗７４を通ってブリッジ回路に流れ込む電流を自由に設定できることを意味する。従って、このような構成のヒータ制御回路７１によれば、温度特性を自由に設定できることになり、測温抵抗体５２の抵抗温度係数βｂとヒータ３６の抵抗温度係数βｈとが等しい場合でも周囲温度の変化に伴うヒータ３６の発熱温度の変化を図１０のヒータ制御回路６１よりも小さくすることができ、好ましくはヒータ３６の発熱温度の変化ΔＴ´を周囲温度の変化ΔＴにほぼ等しくすることができる。
【００６９】
よって、図１２に示すような構成のヒータ制御回路７１によれば、図１０のようなヒータ制御回路６１（βｈ＝βｂのもの）と比較して、ヒータ３６の発熱温度と測温抵抗体５２の温度（周囲温度）との差ΔＴｈをより精度よく一定に保つことができる。しかも、測温抵抗体５２の抵抗温度係数βｂとヒータ３６の抵抗温度係数βｈとが等しくてもよいので、測温抵抗体５２とヒータ３６とを同一材料によって形成し、Ｐ等の不純物の注入量も同じでよく、測温抵抗体５２及びヒータ３６を同一工程で製作することができ、製作工程の簡略化によってコストを安価にできる。
【００７０】
つぎに、図１３に示したヒータ制御回路８１を説明する。これは図１２のヒータ制御回路７１の変形例でもある。ヒータ制御回路７１では、固定抵抗６３及び測温抵抗体５２の中点と分圧抵抗７２、７３の中点とを抵抗７４によって接続していたのに対し、このヒータ制御回路８１では、固定抵抗６４及びヒータ３６の中点と分圧抵抗７２、７３の中点とを抵抗８２によって接続している。
【００７１】
このようなヒータ制御回路８１によれば、周囲温度の上昇によって測温抵抗体５２の抵抗Ｒｂが大きくなると、ヒータ３６に流れる電流が増加してヒータ３６の発熱温度が高くなると共にヒータ３６の抵抗値Ｒｈも大きくなる。ヒータ３６の抵抗値Ｒｈが大きくなると、ヒータ３６の上側の電圧Ｖｃが高くなり、抵抗８２の両端間の電圧差ΔＶ＝Ｖｃ−Ｖａはヒータ３６の上側の電圧Ｖｃが上昇するにつれて大きくなり、抵抗８２から外部へ流れ出す電流が増加する。その結果、ヒータ３６に流れる電流が減少し、ヒータ３６の発熱温度の上昇が抑制されることになる。
【００７２】
よって、図１３に示すような構成のヒータ制御回路８１によっても、図１０のようなヒータ制御回路６１（βｈ＝βｂのもの）と比較して、ヒータ３６の発熱温度と測温抵抗体５２の温度（周囲温度）との差ΔＴｈをより精度よく一定に保つことができる。
【００７３】
この実施形態は、図１２のような構成や図１３のような構成以外にも種々設計変更することができるが、その場合でも固定抵抗６３（又は、固定抵抗６４）に流れる電流と抵抗７４（又は、抵抗８２）に流れる電流との比が一定でないことが重要である。
【００７４】
この実施形態の変形例としては、測温抵抗体５２及びヒータ３６を固定抵抗６３、６４よりも高電圧側に配置したブリッジ回路を用いてもよい。その場合には、図１４に示すように、測温抵抗体５２と固定抵抗６３との中点に、電流をブリッジ回路へ流入させるための抵抗７４を介して電圧Ｖａを印加し、周囲温度の上昇によって測温抵抗体５２の抵抗値が大きくなり、その枝の中点電圧が低くなったときに抵抗７４を介して固定抵抗６３に流れる電流が増大し、当該中点の電圧低下が抑制されるようにしてもよい。同様に、図１５に示すように、ヒータ３６と固定抵抗６４との中点に、ブリッジ回路から電流を流出させるための抵抗８２を介して電圧Ｖａを印加するようにしてもよい。
【００７５】
また、ブリッジ回路も測温抵抗体、ヒータ及び３個以上の固定抵抗によって構成されている必要はなく、例えば固定抵抗６３又は６４に代えて複数の抵抗からなる抵抗ネットワークを用いてもよい。また、ブリッジ回路に交流電圧を加えてヒータを発熱させる場合には、ブリッジ回路にキャパシタやインダクタが含まれていてもよい。
【００７６】
なお、本発明のセンサは、上記のような流量センサに限らず、湿気センサやガスセンサとして用いる場合にも適用することができる。さらには、特にセンサの種類を限定することなく、ブリッジ回路によって温度補償を行いたい場合には有用である。
【００７７】
（第３の実施形態）
図１６は上記のような流量センサ３１を用いた給湯器９１の構造を示す図である。この給湯器９１にあっては、缶体９２内にガスバーナ９３が設けられており、その上方には内部を流れる水とガスバーナ９３の燃焼ガスとを熱交換させて水を加熱するための熱交換器９４が配設されている。また、缶体９２の底面には、ガスバーナ９３に燃焼空気を供給するための送風ファン９５が設けられており、缶体９２の上部には燃焼ガスを排出するための排気口９６が開口されている。缶体９２には、ガスバーナ９３の上面側と下面側を連通させるように空気バイパス路９７が設けられており、空気バイパス路９７には流量センサ３１が設けられている。
【００７８】
空気バイパス路９７に設けられた流量センサ３１で空気の流量（送風量）を計測することによって空気バイパス路９７の入口と出口との圧力差を測ることができ、それによってガスバーナ９３を通過する空気の流量を知ることができるので、ガス流量に対して最適な空燃比（空気とガスの混合比）となるように送風ファン９５の回転数をフィードバック制御し、煤や一酸化炭素ガスなどの発生を抑制することができる。
【００７９】
（第４の実施形態）
図１７は上記のような流量センサを用いた２次元加速度センサ１０１の構造を示す断面図である。この加速度センサ１０１は、密閉ケース１０２の上面に回路基板１０３を取付け、回路基板１０３の下面に取付けられた本発明の流量センサ（フローセンサ）１０４を回路基板１０３と密閉ケース１０２によって構成されたセンサ収納室１０５内に密封し、さらにセンサ収納室１０５内にガス１０６を封入したものである。また、密閉ケース１０２の底面のうち、流量センサ１０４と対向する部分１０７を上方へ膨らませることにより、流量センサ１０４と対向する部分では流量センサ１０４と密閉ケース１０２の底面との間の距離を小さくし、ガス１０６の流路１０８を狭くしている。このように流量センサ１０４を密閉した密閉型の加速度センサ１０１では、１０４からは、加速度センサ１０１に働いている加速度を示す信号が出力される。
【００８０】
１方向の加速度を検知する場合には、流量センサ１０４として例えば図５に示したような構造の流量センサを１つ用いれば良いが、この実施形態のように２次元加速度センサとして用いる場合には、例えば図５のような構造の流量センサを流量検知方向を互いに直交させるようにして回路基板１０３に実装すればよい。あるいは、ヒータ３６と２つのサーモパイル３７、３８からなる図５のような電極構造を２組み互いに直交させるようにして１枚のシリコン基板２上に形成したものでもよい。もちろん、３組の流量センサを用いれば３次元加速度センサとすることもできる。
【００８１】
次に、流量センサ１０４を用いた加速度センサ１０１と加速度との関係について説明する。流量センサ１０４を用いた加速度センサ１０１を動かしたときの流量センサ１０４からの出力信号には、加速度センサ１０１を操作したときの移動方向の速度に応じた信号成分と、移動方向の加速度に応じた信号成分と、重力加速度による信号成分とが含まれている。
【００８２】
この重力加速度による信号成分とは、流量センサ１０４がヒータ３６を備えていることによるものである。流量センサ１０４は、例えばＸ軸方向で考えると、図１８（ａ）に示すように、ヒータ３６の両側にサーモパイル３７、３８を配置した構造を有しており、加速度センサ１０１が水平に移動すると、図１８（ｂ）に示すように、サーモパイル３７側とサーモパイル３８側とで温度分布が異なることによってサーモパイル３７、３８の差信号が変化するものである（図３の説明を参照）。ところが、このような流量センサ１０４では、ヒータ３６で気体が温められているため、加速度センサ１０１が傾くと、図１８（ｃ）に示すように温められた気体が上昇し、対流によって図１８（ｂ）と同様な温度分布となる。このため、加速度センサ１０１を移動させていない場合でも、加速度センサ１０１が傾いているとサーモパイル３７、３８から差信号が出力され、加速度センサ１０１から信号が出力されてしまう。これが重力加速度による信号成分である。
【００８３】
流量センサを用いたセンサが開放型である場合には、そのセンサを移動させたときの移動方向の加速度に応じた信号成分と重力加速度による信号成分とは、移動方向の速度に応じた信号成分と比較して非常に小さいので、移動方向の加速度に応じた信号成分と重力加速度による信号成分とは無視することができる。しかし、密閉型の加速度センサ１０１の場合には、移動加速度と比較して移動速度に対する感度が低いので、流量センサ３７、３８から出力される差信号は、加速度センサ１０１が感知している加速度を表しているものとして扱われる。従って、流量センサ１０４を密閉した加速度センサ１０１では、移動速度に対する感度は無視することができ、また水平に設置されている場合には重力加速度による信号成分も無視することができるので、この加速度センサ１０１からは感知している加速度を示す加速度信号を出力させることができ、加速度計測用のセンサとして用いることができる。
【００８４】
図１９は上記２次元加速度センサ１０１に用いられている信号処理回路１１１を示す回路ブロック図である。流量センサ１０４は、２つの流量センサ１０４Ａ及び１０４Ｂで表されており、流量センサ１０４ＡはＸ軸方向の加速度を検知するように設置されており、流量センサ１０４ＢはＹ軸方向の加速度を検知するように設置されている。また、センサ駆動回路１１２及び１１５は、それぞれ流量センサ１０４Ａ、１０４Ｂのヒータ３６の発熱量を制御する回路であって、ヒータ３６を間欠駆動する。センサ駆動回路１１２及び１１５で、流量センサ１０４Ａ及び１０４Ｂのヒータ３６を間欠駆動することで流量センサ１０４Ａ、１０４Ｂの周辺の温度上昇を防止し、出力を安定化させるとともに消費電力を抑えることができる。Ｘ軸方向の流量センサ１０４Ａから出力された信号（加速度信号）は、増幅回路１１３により増幅され、ローパスフィルタ１１４で高周波成分をカットされた後、Ｘ方向の加速度を示す信号として演算処理回路（マイコン）１１８のＡ／Ｄポートへ入力される。ここで、ローパスフィルタ１１４（ローパスフィルタ１１７も同じ。）を用いるのは、高周波ノイズをカットするとともに加速度センサ１０１を取り付けた機器の振動（あるいは、加速度センサ１０１を取り付けた機器が手持ち機器の場合には、手振れ）による不要な信号成分を除去するためである。同様に、Ｙ軸方向の流量センサ１０４Ｂから出力された信号（加速度信号）は、増幅回路１１６により増幅され、ローパスフィルタ１１７で高周波成分をカットされた後、Ｙ方向の加速度を示す信号として演算処理回路（マイコン）１１８のＡ／Ｄポートへ入力される。演算処理回路（マイコン）１１８においては、Ｘ軸方向の加速度とＹ軸方向の加速度の合成など、必要な処理が実行される。なお、ローパスフィルタ１１４、１１７の後段に、電圧−周波数（ＶＦ）変換回路を設け、カウンタを通してパルス出力を演算処理回路１１８へ送るようにしてもよい。
【００８５】
このような流量センサ１０４を利用した加速度センサ１０１では、構造が単純であるため、安価に加速度センサ１０１を製作することができる。また、半導体プロセスを用いて流量センサ１０４を製造できるので、加速度センサ１０１を小型化できる。さらに、可動部分を持たないので、衝撃に強くて破損しにくという特徴がある。また、このような加速度センサ１０１は、出力感度が高いので、高精度の出力を得ることができる。さらに、周辺回路も安価な部品で構成することが可能である。
【００８６】
（第５の実施形態）
図２０（ａ）（ｂ）は別な実施形態による加速度センサ１２１を示している。この加速度センサ１２１では、回路基板１０３と密閉ケース１０２とで構成されたセンサ収納室１０５内に比較的比重の重いガス１２２と比較的比重の軽いガス１２３との２種のガスを封入している。しかして、センサ収納室１０５内では、図２０（ａ）に示すように重いガス１２２と軽いガス１２３とが分離して２層となっている。この状態では、図２０（ｂ）に示すように、加速度センサ１０４を＋Ｘ方向に移動させると、重いガス１２２が慣性等によって相対的に−Ｘ方向へ移動するので、軽いガス１２３は＋Ｘ方向へ押し出される。このとき軽いガス１２３の流れ（加速度）が流量センサ１０４により検出される。この実施形態では、重いガス１２２と軽いガス１２３を封入することにより軽いガス１２３の流れを構造的に増幅させることにより、加速度センサ１２１の感度を高めている。
【００８７】
（第６の実施形態）
２次元加速度センサが傾けて設置される場合には、重力加速度による信号成分を無視することができず、これを補正する必要がある。この重力加速度の補正方法としては、図２１のような信号処理回路を用いる方法がある。
【００８８】
図２１の信号処理回路１３１では、Ｘ軸方向の流量センサ１０４Ａから出力された信号（加速度信号）は、増幅回路１１３により増幅された後、ハイパスフィルタ１３２で低周波成分をカットされた後、Ｘ方向の加速度を示す信号として演算処理回路（マイコン）１１８のＡ／Ｄポートへ入力される。同様に、Ｙ軸方向の流量センサ１０４Ｂから出力された信号（加速度信号）は、増幅回路１１６により増幅され、ハイパスフィルタ１３３で低周波成分をカットされた後、Ｙ方向の加速度を示す信号として演算処理回路（マイコン）１１８のＡ／Ｄポートへ入力される。
【００８９】
重力加速度による加速度センサからの出力は、ほぼ直流成分（あるいは、非常に低い周波数成分）であるから、Ｘ軸流量センサ１０４Ａ及びＹ軸流量センサ１０４Ｂの出力に接続するハイパスフィルタ１３２、１３３の周波数特性を、図２２に示すように、カットオフ周波数Ｆｃが重力加速度による出力成分の周波数域よりも高く、加速度センサの計測範囲下限値よりも低くなるように設定すれば、重力加速度による影響のみをカットすることができ、加速度センサの精度を向上させることができる。
【００９０】
なお、重力加速度の影響をカットすると共に、図１９の信号処理回路１１１のように高周波ノイズもカットする必要がある場合には、このハイパスフィルタ１３２、１３３に代えてバンドパスフィルタを用いてもよい。
【００９１】
（第７の実施形態）
図２３は別な実施形態による加速度センサ１４１を示す斜視図である。この加速度センサ１４１にあっては、ケース１４２内に、密閉式のセンサユニット１４３が納められている。加速度センサ１４１は、図２３に示すように、中空のケース１４２内に支持梁１４４を掛け渡し、フック１４５でセンサユニット１４３を支持梁１４４の屈曲箇所に揺動自在に吊り下げたものである。センサユニット１４３は、流量センサ１０４を実装した回路基板１４６をユニットケース１４７内に固定したものであり、ユニットケース１４７の上面に設けられたフック１４５で揺動自在に吊り下げた時、安定した状態では、流量センサ１０４の垂直方向が重力加速度方向と平行となるように重心位置を調整してある。また、ケース１４２内に適当な粘度のオイル１４８を貯めてオイルダンパーとしてあり、センサユニット１４３はオイル１４８内に浸けられている。さらに、加速度センサ１４１のケース１４２には、内外に貫通するようにして電極端子１４９が埋め込まれており、流量センサ１０４又は回路基板１４と電極端子１４９とは柔軟なリード線１５０によって結ばれているので、流量センサ１０４の出力は電極端子１４９に取り出されるようになっている。
【００９２】
しかして、この加速度センサ１４１によれば、傾けて設置されていても、加速度センサ１４１内のセンサユニット１４３はオイル１４８の抵抗に抗しながら動いて水平姿勢に保持されるので、流量センサ１０４は常に重力加速度の影響を受けない状態に維持される。よって、重力加速度による出力成分は常にゼロとなり、加速度センサ１４１の精度が向上させられる。
【００９３】
（第８の実施形態）
図２４は、別な実施形態による３次元加速度センサ１５１を示す概略斜視図である。この加速度センサ１５１にあっては、Ｘ軸方向の移動を検知する流量センサ１５２Ａ、Ｙ軸方向の移動を検知する流量センサ１５２Ｂ、Ｚ軸方向の移動を検知する流量センサ１５２Ｃをそれぞれれ立方体状をしたブロック１５３の各面に貼り付けたものが密閉ケース１５４内に密封されている。よって、各流量センサ１５２Ａ、１５２Ｂ、１５２ＣによりＸ軸方向の加速度、Ｙ軸方向の加速度、Ｚ軸方向の加速度を計測することができ、３次元加速度センサとして用いることができる。
【００９４】
（第９の実施形態）
図２５は本発明にかかる加速度センサを用いたゲームコントローラ１６１であって、ゲームコントローラ１６１内の回路基板１６２に上記のような密閉型の３次元加速度センサ１６３を実装している。そして、このゲームコントローラ１６１の空中における操作状態が加速度センサ１６３によって検出され、その計測信号がゲームコントローラ１６１からパーソナルコンピュータやゲームマシンなどに出力される。
【００９５】
（図１０の実施形態）
図２６は異なるゲームコントローラ１６１の形態を表している。このゲームコントローラ１６１では、内部の回路基板１６２の上に本発明にかかる流体センサ１６４がＣＢＯ（チップ・オン・ボード）で実装されており、この流体センサ１６４を覆うようにして回路基板１６２にキャップ１６５を取り付け、回路基板１６２とキャップ１６５によって内部に流体センサ１６４を封止して密閉型の加速度センサを構成している。キャップ１６５と回路基板１６２の間を密閉構造とするためには、キャップ１６５の爪１６７を回路基板１６２の孔１６８に係合させてキャップ１６５を回路基板１６２の表面に取り付けると共にキャップ１６５と回路基板１６２の間に気密用のゴムパッキンなどを挟み込んでおいてもよい。あるいは、キャップ１６５の下面を回路基板１６２の表面に接着剤で接着することにより、気密構造としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】従来の流量センサの構造を示す平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】（ａ）は上記流量センサに流体が流れていないときの温度分布を示す図、（ｂ）は同上の流量センサに流体が流れているときの温度分布を示す図である。
【図４】（ａ）（ｂ）は、図１に示したような構造のセンサを湿気やガス圧を検出するためのセンサとして用いる場合の検出原理を説明する図である。
【図５】本発明の一実施形態による流量センサの構造を示す平面図である。
【図６】図６のＢ−Ｂ線断面図である。
【図７】（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は同上の流量センサの製造プロセスを説明する断面図である。
【図８】（ｅ）（ｆ）（ｇ）（ｈ）（ｉ）は図８の続図である。
【図９】（ｊ）（ｋ）（ｌ）（ｍ）は図９の続図である。
【図１０】同上の流量センサに用いられているヒータ制御回路を示す図である。
【図１１】測温抵抗体及びヒータの温度と各抵抗値との関係を説明するための図である。
【図１２】本発明の別な実施形態におけるヒータ制御回路を示す図である。
【図１３】本発明のさらに別な実施形態におけるヒータ制御回路を示す図である。
【図１４】本発明のさらに別な実施形態におけるヒータ制御回路を示す図である。
【図１５】本発明のさらに別な実施形態におけるヒータ制御回路を示す図である。
【図１６】本発明にかかるガス圧センサを用いた給湯器の構造を示す概略図である。
【図１７】本発明にかかる流量センサを用いた加速度センサの概略断面図である。
【図１８】加速度センサにおけるおける重力加速度の影響を説明する図である。
【図１９】同上の加速度センサに用いられている信号処理回路の構成を示す回路ブロック図である。
【図２０】（ａ）（ｂ）は本発明にかかる流量センサを用いた別な構造の加速度センサを示す概略断面図である。
【図２１】本発明にかかる加速度センサにおいて、重力加速度の影響を除去するための信号処理回路の構成を示す回路ブロック図である。
【図２２】同上の信号処理回路の原理を説明する図である。
【図２３】重力加速度の影響を除去した別な加速度センサの構造を示す概略断面図である。
【図２４】本発明にかかる３次元加速度センサの概略図である。
【図２５】本発明にかかる加速度センサを利用したゲームコントローラを示す斜視図である。
【図２６】本発明にかかる加速度センサを利用した別なゲームコントローラを示す一部分解した斜視図である。
【符号の説明】
【００９７】
６１ ヒータ制御回路
６２ オペアンプ
６３、６４ 固定抵抗
６５ トランジスタ
６６ 定電圧回路
７１ ヒータ制御回路
７２、７３ 分圧抵抗
７４ 抵抗
８１ ヒータ制御回路
８２ 抵抗
【特許請求の範囲】
【請求項１】
不純物をドーピングされた測温抵抗体と固定抵抗とを含む第１の枝、および不純物をドーピングされた発熱体と前記固定抵抗とは別な固定抵抗とを含む第２の枝を並列に接続したブリッジ回路と、
第１の枝の中点と第２の枝の中点との電位差に基づいて前記ブリッジ回路に印加する電圧又は前記ブリッジ回路に供給する電流を調整することにより、測温抵抗体と発熱体の温度差を制御する手段とを備えたセンサ用発熱装置において、
前記測温抵抗体のドーピング量を前記発熱体のドーピング量よりも大きくしたことを特徴とするセンサ用発熱装置。
【請求項２】
前記測温抵抗体の抵抗温度係数をβｂ、前記発熱体の抵抗温度係数をβｈ、測温抵抗体と発熱体の温度差をΔＴｈとするとき、
βｂ＝βｈ／（１＋βｈ・ΔＴｈ）
となるように前記測温抵抗体の不純物ドーピング量と前記発熱体の不純物ドーピング量を設定されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ用発熱装置。
【請求項３】
前記測温抵抗体及び前記発熱体がポリシリコンによって形成され、前記測温抵抗体の抵抗温度係数に対する前記発熱体の抵抗温度係数の比が、１.００５以上１.１以下であることを特徴とする請求項１に記載のセンサ用発熱装置。
【請求項４】
請求項１、２又は３のいずれかに記載したセンサ用発熱装置と、
前記センサ用発熱装置の近傍に配置され、該センサ用発熱装置の発熱部から発生した熱による温度変化を検出する温度測定手段とを備えたセンサ。
【請求項５】
請求項１、２又は３のいずれかに記載したセンサ用発熱装置と、前記センサ用発熱装置の近傍に配置され、該センサ用発熱装置の発熱部から発生した熱による温度変化を検出する温度測定手段とを密閉空間内に納め、当該温度測定手段の出力により加速度を計測するようにしたことを特徴とする加速度センサ。
【請求項６】
前記センサ用発熱装置に用いられている発熱体を間欠駆動する手段を備えた、請求項５に記載の加速度センサ。
【請求項７】
前記温度測定手段からの出力信号がローパスフィルタを通過するようにした、請求項５に記載の加速度センサ。
【請求項１】
不純物をドーピングされた測温抵抗体と固定抵抗とを含む第１の枝、および不純物をドーピングされた発熱体と前記固定抵抗とは別な固定抵抗とを含む第２の枝を並列に接続したブリッジ回路と、
第１の枝の中点と第２の枝の中点との電位差に基づいて前記ブリッジ回路に印加する電圧又は前記ブリッジ回路に供給する電流を調整することにより、測温抵抗体と発熱体の温度差を制御する手段とを備えたセンサ用発熱装置において、
前記測温抵抗体のドーピング量を前記発熱体のドーピング量よりも大きくしたことを特徴とするセンサ用発熱装置。
【請求項２】
前記測温抵抗体の抵抗温度係数をβｂ、前記発熱体の抵抗温度係数をβｈ、測温抵抗体と発熱体の温度差をΔＴｈとするとき、
βｂ＝βｈ／（１＋βｈ・ΔＴｈ）
となるように前記測温抵抗体の不純物ドーピング量と前記発熱体の不純物ドーピング量を設定されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ用発熱装置。
【請求項３】
前記測温抵抗体及び前記発熱体がポリシリコンによって形成され、前記測温抵抗体の抵抗温度係数に対する前記発熱体の抵抗温度係数の比が、１.００５以上１.１以下であることを特徴とする請求項１に記載のセンサ用発熱装置。
【請求項４】
請求項１、２又は３のいずれかに記載したセンサ用発熱装置と、
前記センサ用発熱装置の近傍に配置され、該センサ用発熱装置の発熱部から発生した熱による温度変化を検出する温度測定手段とを備えたセンサ。
【請求項５】
請求項１、２又は３のいずれかに記載したセンサ用発熱装置と、前記センサ用発熱装置の近傍に配置され、該センサ用発熱装置の発熱部から発生した熱による温度変化を検出する温度測定手段とを密閉空間内に納め、当該温度測定手段の出力により加速度を計測するようにしたことを特徴とする加速度センサ。
【請求項６】
前記センサ用発熱装置に用いられている発熱体を間欠駆動する手段を備えた、請求項５に記載の加速度センサ。
【請求項７】
前記温度測定手段からの出力信号がローパスフィルタを通過するようにした、請求項５に記載の加速度センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【公開番号】特開２００８−９６４５３（Ｐ２００８−９６４５３Ａ）
【公開日】平成２０年４月２４日（２００８．４．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３２３９２７（Ｐ２００７−３２３９２７）
【出願日】平成１９年１２月１４日（２００７．１２．１４）
【分割の表示】特願２０００−３４７２８２（Ｐ２０００−３４７２８２）の分割
【原出願日】平成１２年１１月１４日（２０００．１１．１４）
【出願人】（０００００２９４５）オムロン株式会社 (3,542)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年４月２４日（２００８．４．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月１４日（２００７．１２．１４）
【分割の表示】特願２０００−３４７２８２（Ｐ２０００−３４７２８２）の分割
【原出願日】平成１２年１１月１４日（２０００．１１．１４）
【出願人】（０００００２９４５）オムロン株式会社 (3,542)
【Ｆターム（参考）】
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