フローセンサ
【課題】コストの増加を抑制しつつ広範囲の流速を検出することのできるフローセンサを提供する。
【解決手段】所定速度で流れる流体を加熱するヒータ部と、ヒータ部によって生ずる流体の温度差を測定するように構成された上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３と、を備え、ヒータ部は、上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３との距離Ｄ１，Ｄ２がそれぞれ異なる第１ヒータ３１ａと第２ヒータ３１ｂとを有する。
【解決手段】所定速度で流れる流体を加熱するヒータ部と、ヒータ部によって生ずる流体の温度差を測定するように構成された上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３と、を備え、ヒータ部は、上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３との距離Ｄ１，Ｄ２がそれぞれ異なる第１ヒータ３１ａと第２ヒータ３１ｂとを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明に係るいくつかの態様は、流体の速度（流速）を検出するフローセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種のフローセンサとして、薄膜絶縁層の中央部にヒータ（発熱用抵抗体）を設け、その両側に温度センサを配置したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このフローセンサは、ヒータの両側に、一組の低流量用温度センサと一組の高流量用温度センサとを備え、外側に配置した一組の温度センサで低い流速を検出し、内側に配置したもう一組の温度センサで高い流速を検出することで、広範囲の流速を検出可能にしていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】実開平２−５７０２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来のフローセンサでは、広範囲の流量を検出可能にするために、二組の温度センサが必要になるので、温度センサの出力信号を処理する信号処理回路を複数備えたり、高度化・複雑化したりすることで、コストが増加するという問題が生じていた。
【０００５】
本発明のいくつかの態様は前述の問題に鑑みてなされたものであり、コストの増加を抑制しつつ広範囲の流速を検出することのできるフローセンサを提供することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係るフローセンサは、所定速度で流れる流体を加熱するヒータ部と、ヒータ部によって生ずる前述の流体の温度差を測定するように構成された測温部と、を備え、ヒータ部は、測温部との距離がそれぞれ異なる複数の発熱体を有する。
【０００７】
かかる構成によれば、ヒータ部が、測温部との距離がそれぞれ異なる複数の発熱体を有する。ここで、測温部と発熱体との距離は、測温部が測定する、ヒータ部の加熱によって生ずる流体の温度差の感度に影響を及ぼす。すなわち、測温部と発熱体との距離が遠い場合、ヒータ部からの熱伝導による伝熱の影響が小さくなり、相対的に流体による熱伝達の影響が大きくなるため、流速に対する感度（測温部によって測定される流体の温度差）が大きくなる。よって、流速が低い範囲（低流速域）における感度は向上するが、所定の流速を超えると次第に感度が飽和してしまう。一方、測温部と発熱体との距離が近い場合、ヒータ部からの熱伝導による伝熱の影響が大きく、特に低流速域では流体による熱伝達の影響を受けにくいので、流速に対する感度（測温部によって測定される流体の温度差）が小さくなる。よって、流速が低い範囲（低流速域）における感度は低いが、流速が高い範囲（高流速域）において感度が飽和しにくい。従って、ヒータ部が、測温部との距離がそれぞれ異なる複数の発熱体を有することにより、流速に対する測温部の感度を変更することができる。
【０００８】
好ましくは、複数の発熱体は、一の前記発熱体を他の前記発熱体が囲むように配置される。
【０００９】
かかる構成によれば、ヒータ部が有する複数の発熱体が、一の発熱体を他の発熱体が囲むように配置される。これにより、測温部との距離がそれぞれ異なる複数の発熱体を容易に実現（構成）することができる。
【００１０】
好ましくは、ヒータ部は、複数の発熱体のうちの一の発熱体と他の発熱体との間を熱的に絶縁する開口部を有する。
【００１１】
かかる構成によれば、ヒータ部が、複数の発熱体のうちの一の発熱体と他の発熱体との間を熱的に絶縁する開口部を有する。これにより、一の発熱体と他の発熱体との間が断熱されるので、例えば、一の発熱体と測温部との間に開口部が存在する場合、一の発熱体が発する熱は、測温部及びヒータ部が設けられる固体内を更に伝熱しにくくなり、測温部は、流速に対する温度上昇（温度差）がより敏感になる。よって、一の発熱体を使用する場合、流速が低い範囲（低流速域）における感度が更に向上する。これにより、低流速を更に高い精度で検出することができる。
【００１２】
好ましくは、前述の所定速度に基づいて、ヒータ部において使用する発熱体を切替えるヒータ制御部を更に備える。
【００１３】
かかる構成によれば、ヒータ制御部が、流体の所定速度に基づいて、ヒータ部において使用する発熱体を切替える。これにより、低流速の感度を向上させる一の発熱体を使用し、高流速の感度を向上させる他の発熱体を使用することができ、流速に対する測温部の感度を、流速に応じて設定することができる。これにより、広範囲の流速を高い精度で検出することができる。
【００１４】
好ましくは、外部信号に基づいて、ヒータ部において使用する発熱体を切替えるヒータ制御部を更に備える。
【００１５】
かかる構成によれば、かかる構成によれば、ヒータ制御部が、外部信号に基づいて、ヒータ部において使用する発熱体を切替える。これにより、測温部の検出信号をトリガーとして、低流速の感度を向上させる一の発熱体を使用し、高流速の感度を向上させる他の発熱体を使用することができ、流速に対する測温部の感度を、流速に応じて設定することができる。これにより、広範囲の流速を高い精度で検出することができる。
【００１６】
好ましくは、発熱体を切替えるスイッチを更に備え、ヒータ制御部は、スイッチを切替える。
【００１７】
かかる構成によれば、ヒータ制御部が、発熱体を切替えるスイッチを切替える。これにより、ヒータ部において使用する発熱体を容易に切替えることができる。
【００１８】
好ましくは、測温部は、ヒータ部に対して上流側と下流側とにそれぞれ配置される複数の温度センサを有する。
【００１９】
かかる構成によれば、測温部が、ヒータ部に対して上流側と下流側とにそれぞれ配置される複数の温度センサを有する。これにより、所定速度で流れる流体における上流側と下流側との温度差を容易に測定することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、ヒータ部が、測温部との距離がそれぞれ異なる複数の発熱体を有することにより、流速に対する測温部の感度を変更することができる。これにより、十分な感度で広範囲の流速を検出することができる。また、従来のフローセンサと比較して、測温部を複数設けたり、測温部の出力信号を処理する信号処理回路を高度化・複雑化したりする必要がなく、ヒータの数を増やすだけで良いので、コストの増加を抑制することができるとともに、チップサイズを小型化することができ、配線パターンが短くなることで、製造プロセスの歩留まり低下、及び検査工程の増加を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係るセンサの例によるフローセンサを説明する斜視図である。
【図２】図１に示したＶＩ−ＶＩ線矢視方向断面である。
【図３】図１に示したフローセンサの論理構成を説明するブロック図である。
【図４】図１及び図２に示した第１ヒータ及び第２ヒータの一例を説明する要部拡大平面図である。
【図５】流度と測定される温度差との関係を示すグラフである。
【図６】図１及び図２に示した第１ヒータ及び第２ヒータの他の例を説明する要部拡大平面図である。
【図７】図１及び図２に示した第１ヒータ及び第２ヒータの他の例を説明する要部拡大平面図である。
【図８】変形例における第１ヒータ及び第２ヒータの一例を説明する要部拡大平面図である。
【図９】流度と測定される温度差との関係を示すグラフである。
【図１０】変形例における第１ヒータ及び第２ヒータの他の例を説明する要部拡大平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものである。したがって、具体的な寸法などは以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。なお、以下の説明において、図面の上側を「上」、下側を「下」、左側を「左」、右側を「右」という。
【００２３】
図１乃至図６は、本発明に係るフローセンサの一例を示すためのものである。図１は、本発明に係るフローセンサを説明する斜視図であり、図２は、図１に示したＶＩ−ＶＩ線矢視方向断面図である。図１及び図２に示すように、フローセンサ１０は、一方の面（図１及び図２において上面）にキャビティ（凹部）２５を有する基台２０と、基台２０の上にキャビティ２５を覆うように配置された薄膜状の絶縁膜３０と、を備える。絶縁膜３０において、キャビティ２５を覆う部分は、熱容量が小さく、基台２０に対して断熱性を有するダイアフラムを成す。
【００２４】
また、フローセンサ１０は、絶縁膜３０の中央部に設けられ、所定速度で流れる流体を加熱するための第１ヒータ（抵抗素子）３１ａ及び第２ヒータ（抵抗素子）３１ｂと、半導体基板３０において第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂを挟んで第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂの両側に設けられた一組の抵抗素子３２，３３と、基台２０の一辺側に設けられた周囲温度センサ（抵抗素子）３４と、絶縁膜３０の対角関係にある角部近傍に設けられた電極パッド３５と、を更に備える。なお、本実施形態における第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂは、本発明のフローセンサにおける「ヒータ部」に相当し、抵抗素子３２，３３は、本発明のフローセンサにおける「測温部」に相当する。
【００２５】
このような構成を備えるフローセンサ１０は、例えば図１及び図２中にブロック矢印で示すように、流速又は流量の検出対象である流体、例えばガスの流れる方向に沿って、抵抗素子３２、第１ヒータ３１ａ、第２ヒータ３１ｂ、及び抵抗素子３３が順に並ぶように配置される。この場合、抵抗素子３２は、第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂよりも上流側（図１及び図２において左側）に設けられた上流側測温抵抗素子（上流側温度センサ）として機能し、抵抗素子３３は、第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂよりも下流側（図１及び図２において右側）に設けられた下流側測温抵抗素子（上流側温度センサ）として機能する。このように、第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂに対して一方側（図１及び図２において左側）が流体の上流側、他方側（図１及び図２において右側）が流体の下流側となるように、フローセンサ１０を設置することにより、後述するように、第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂの加熱によって生ずる流体の温度差を容易に測定することができる。
【００２６】
周囲温度センサ３４は、フローセンサ１０が設置された管路（図示省略）を流通するガスの温度を測定する。第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂは、周囲温度センサ３４が計測したガスの温度よりも一定温度（例えば４０℃）高くなるように、ガスを加熱する。上流側測温抵抗素子３２は、第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂよりも上流側の温度を検出するために用いられ、下流側測温抵抗素子３３は、第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂよりも下流側の温度を検出するために用いられる。
【００２７】
ここで、管路内のガスが静止している場合、第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂで加えられた熱は、上流方向及び下流方向へ対称的に拡散する。従って、上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３の温度は等しくなり、上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３の電気抵抗は等しくなる。これに対し、管路内のガスが上流から下流に流れている場合、第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂで加えられた熱は、下流方向に運ばれる。従って、上流側測温抵抗素子３２の温度よりも、下流側測温抵抗素子３３の温度が高くなる。
【００２８】
このような温度差は、上流側測温抵抗素子３２の電気抵抗と下流側測温抵抗素子３３の電気抵抗との間に差を生じさせる。下流側測温抵抗素子３３の電気抵抗と上流側測温抵抗素子３２の電気抵抗との差は、管路内のガスの速度や流量と相関関係がある。そのため、下流側測温抵抗素子３３の電気抵抗と上流側測温抵抗素子３２の電気抵抗との差を基に、管路を流れる流体の速度（流速）や流量を算出することができる。抵抗素子３１、３２及び３３の電気抵抗の情報は、図１に示す電極パッド３５を通じて電気信号として取り出すことができる。
【００２９】
図１及び図２に示す基台２０の厚さは、例えば５２５μｍであり、基台２０の縦横の寸法は、例えばそれぞれ２ｍｍ程度である。但し、基板２０の寸法及び形状は、これらに限られない。基台２０の材料としては、例示的に、シリコン（Ｓｉ）などが使用可能である。
【００３０】
キャビティ２５は、異方性エッチングやＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術などを用いて形成することができる。図２には、一例として断面形状が舟形凹状のキャビティ２５が形成された様子を例示している。
【００３１】
図１及び図２に示す絶縁膜３０の厚さは、例えば１μｍであり、絶縁膜３０の縦横の寸法は、例えば基台２０と同一（２ｍｍ程度）である。絶縁膜３０の材料としては、例示的に、窒化ケイ素（ＳｉＮ）や酸化ケイ素（ＳｉＯ2）などが使用可能である。
【００３２】
各抵抗素子３１ａ，３１ｂ，３２，３３，３４のそれぞれの材料には、白金（Ｐｔ）などが使用可能である。また、各抵抗素子３１ａ，３１ｂ，３２，３３，３４の形成には、リソグラフィ法などが適用可能である。
【００３３】
図３は、図１に示したフローセンサの論理構成を説明するブロック図である。図３に示すように、上流側測温抵抗素子３２と、下流側測温抵抗素子３３と、周囲温度センサ３４から出力される電気信号は、図１に示す電極パッド３５を介して制御回路４０に入力される。また、制御回路４０から出力される電気信号は、図１に示す電極パッド３５を介して第１ヒータ３１ａと、第２ヒータ３１ｂとに入力される。制御回路４０は、後述するように、上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３の出力信号に基づいて、第１ヒータ３１ａ又は第２ヒータ３１ｂに電気信号を出力する。
【００３４】
図４は、図１及び図２に示した第１ヒータ及び第２ヒータの一例を説明する要部拡大平面図である。図４に示すように、各抵抗素子３１ａ，３１ｂ，３２，３３は、線幅の狭い微細な金属線を引き回した配線パターンにより形成されている。第１ヒータ３１ａと第２ヒータ３１ｂとは、上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３との距離がそれぞれ異なっている。すなわち、第１ヒータ３１ａと上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３との距離Ｄ１は相対的に長く、第２ヒータ３１ｂと上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３との距離Ｄ２は相対的に短くなっている（Ｄ１＜Ｄ２）。
【００３５】
図５は、流度と測定される温度差との関係を示すグラフである。ここで、図３に示す上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３と第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂとの距離は、下流側測温抵抗素子３３の電気抵抗と上流側測温抵抗素子３２の電気抵抗との差、言い換えれば、第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂの加熱によって生ずる流体の温度差、における感度に影響を及ぼす。すなわち、図４に示す距離Ｄ１のように、第１ヒータ３１ａと上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３とが遠い場合、第１ヒータ３１ａからの熱伝導による伝熱の影響が小さくなり、相対的に流体による熱伝達の影響が大きくなるため、流速に対する感度（上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３によって測定される流体の温度差）が大きくなる。よって、図５の特性Ｌ１に示すように、流速が低い範囲（低流速域）における感度は向上する（特性Ｌ１の傾きが大きい）が、所定の流速を超えると次第に感度が飽和してしまう（特性Ｌ１の傾きが小さい）。一方、図４に示す距離Ｄ２のように、第２ヒータ３１ｂと上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３とが近い場合、第２ヒータ３１ｂからの熱伝導による伝熱の影響が大きく、特に低流速域では流体による熱伝達の影響を受けにくい、流速に対する感度（上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３によって測定される流体の温度差）が小さくなる。よって、図５の特性Ｈに示すように、流速が低い範囲（低流速域）における感度は低い（特性Ｈの傾きが小さい）が、流速が高くなっても絶縁膜３０内を十分な熱が伝導するので、流速が高い範囲（高流速域）において感度が飽和しにくい（特性Ｌの傾きがあまり小さくならない）。従って、上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３との距離がそれぞれ異なる第１ヒータ３１ａと第２ヒータ３１ｂとを有することにより、流速に対する上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３の感度を変更することができる。
【００３６】
また、図４に示したように、第１ヒータ３１ａを第２ヒータ３１ｂが囲むように、言い換えれば入れ子状に配置されるのが好ましい。これにより、上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３との距離がそれぞれ異なる第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂを容易に実現（構成）することができる。
【００３７】
図６は、図１及び図２に示した第１ヒータ及び第２ヒータの他の例を説明する要部拡大平面図である。第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂは、図４に示した例に限定されず、図６に示すように第１ヒータ３１ａの面積に対して第２ヒータ３１ｂの面積の方が大きくなるようにしてもよい。この場合、図６に示すように、第１ヒータ３１ａを第２ヒータ３１ｂが囲むように配置することが好ましい。また、第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂを入れ子状に配置しない場合であっても、上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３との距離がそれぞれ異なっていればよい。
【００３８】
また、図３に示す制御回路４０は、上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３から入力される電気信号、すなわち流速に基づいて、電気信号の出力先、すなわち第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂにおいて、使用するヒータを切替えることが好ましい。これにより、例えば、図５に示す流速Ｓ１以下の範囲では低流速の感度を向上させる第１ヒータ３１ａを使用し、図５に示す流速Ｓ１以上の範囲では高流速の感度を向上させる第２ヒータ３１ｂを使用することができ、流速に対する上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３の感度を、流速に応じて設定することができる。
【００３９】
換言すれば、図３に示す制御回路４０は、上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３から入力される電気信号、すなわち外部信号に基づいて、第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂにおいて、使用するヒータを切替える。これにより、上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３の検出信号（出力信号）をトリガーとして、例えば、図５に示す流速Ｓ１以下の範囲では低流速の感度を向上させる第１ヒータ３１ａを使用し、図５に示す流速Ｓ１以上の範囲では高流速の感度を向上させる第２ヒータ３１ｂを使用することができ、流速に対する上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３の感度を、流速に応じて設定することができる。
【００４０】
図７は、図１及び図２に示した第１ヒータ及び第２ヒータの他の例を説明する要部拡大平面図である。第１ヒータ３１ａと第２ヒータ３１ｂとを切替えるために、図７に示すように、第１スイッチ４１ａ及び第２スイッチ４１ｂとを備え、図３に示す制御回路４０は第１スイッチ４１ａ及び第２スイッチ４１ｂを切り替えるようにしてもよい。例えば、第１ヒータ３１ａを使用する場合には、図３に示す制御回路４０は、図７に示す第１スイッチ４１ａを右側に切替えるとともに第２スイッチ４１ｂを左側に切替える。逆に、第２ヒータ３１ｂを使用する場合には、図３に示す制御回路４０は、図７に示す第１スイッチ４１ａを左側に切替えるとともに第２スイッチ４１ｂを右側に切替える。これにより、第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂにおいて使用する発熱体を容易に切替えることができる。
【００４１】
本実施形態では、流体を加熱するものとして、第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂの２つのヒータを示したが、これに限定されず、３つ以上の複数のヒータを設けるようにしてもよい。この場合、複数のヒータは、上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３との距離が、それぞれ異なるように配置される。
【００４２】
このように、本実施形態におけるフローセンサ１０によれば、上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３との距離Ｄ１，Ｄ２がそれぞれ異なる第１ヒータ３１ａと第２ヒータ３１ｂとを有する。ここで、図４に示す上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３と第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂとの距離Ｄ１，Ｄ２は、下流側測温抵抗素子３３の電気抵抗と上流側測温抵抗素子３２の電気抵抗との差、言い換えれば、第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂの加熱によって生ずる流体の温度差、における感度に影響を及ぼす。すなわち、図４に示す距離Ｄ１のように、第１ヒータ３１ａと上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３とが遠い場合、第１ヒータ３１ａからの熱伝導による伝熱の影響が小さくなり、相対的に流体による熱伝達の影響が大きくなるため、流速に対する感度（上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３によって測定される流体の温度差）が大きくなる。よって、図５の特性Ｌ１に示すように、流速が低い範囲（低流速域）における感度は向上する（特性Ｌ１の傾きが大きい）が、所定の流速を超えると次第に感度が飽和してしまう（特性Ｌ１の傾きが小さい）。一方、図４に示す距離Ｄ２のように、第２ヒータ３１ｂと上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３とが近い場合、第２ヒータ３１ｂからの熱伝導による伝熱の影響が大きく、特に低流速域では流体による熱伝達の影響を受けにくい、流速に対する感度（上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３によって測定される流体の温度差）が小さくなる。よって、図５の特性Ｈに示すように、流速が低い範囲（低流速域）における感度は低い（特性Ｈの傾きが小さい）が、流速が高くなっても絶縁膜３０内を十分な熱が伝導するので、流速が高い範囲（高流速域）において感度が飽和しにくい（特性Ｈの傾きがあまり小さくならない）。従って、上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３との距離Ｄ１，Ｄ２がそれぞれ異なる第１ヒータ３１ａと第２ヒータ３１ｂとを有することにより、流速に対する上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３の感度を変更することができる。これにより、十分な感度で広範囲の流速を検出することができる。また、従来のフローセンサと比較して、上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３を複数設けたり、上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３の出力信号を処理する信号処理回路を高度化・複雑化したりする必要がなく、ヒータの数を増やすだけで良いので、コストの増加を抑制することができるとともに、チップサイズを小型化することができ、配線パターンが短くなることで、製造プロセスの歩留まり低下、及び検査工程の増加を防止することができる。
【００４３】
また、本実施形態におけるフローセンサ１０によれば、第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂが、入れ子状に配置される。これにより、上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３との距離Ｄ１，Ｄ２がそれぞれ異なる第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂを容易に実現（構成）することができる。
【００４４】
また、本実施形態におけるフローセンサ１０によれば、制御回路４０が、流速に基づいて、第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂにおいて使用するヒータを切替える。これにより、例えば、図５に示す流速Ｓ１以下の範囲では低流速の感度を向上させる第１ヒータ３１ａを使用し、図５に示す流速Ｓ１以上の範囲では高流速の感度を向上させる第２ヒータ３１ｂを使用することができ、流速に対する上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３の感度を、流速に応じて設定することができる。これにより、広範囲の流速を高い精度で検出することができる。
【００４５】
また、本実施形態におけるフローセンサ１０によれば、制御回路４０は、外部信号に基づいて、第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂにおいて使用するヒータを切替える。これにより、上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３の検出信号（出力信号）をトリガーとして、例えば、図５に示す流速Ｓ１以下の範囲では低流速の感度を向上させる第１ヒータ３１ａを使用し、図５に示す流速Ｓ１以上の範囲では高流速の感度を向上させる第２ヒータ３１ｂを使用することができ、流速に対する上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３の感度を、流速に応じて設定することができる。これにより、広範囲の流速を高い精度で検出することができる。
【００４６】
また、本実施形態におけるフローセンサ１０によれば、制御回路４０は、第１ヒータ３１ａと第２ヒータ３１ｂとを切替える第１スイッチ４１ａ及び第２スイッチ４１ｂを切替える。これにより、第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂにおいて使用するヒータを容易に切替えることができる。
【００４７】
また、本実施形態におけるフローセンサ１０によれば、上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３が、第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂに対して一方側（図１及び図２において左側）と他方側（図１及び図２において右側）とにそれぞれ配置される。これにより、図１及び図２に示すように、第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂに対して左側が流体の上流側、右側が流体の下流側となるように、フローセンサ１０を設置することにより、流体の温度差を容易に測定することができる。
【００４８】
（変形例）
図８乃至図１０は、本発明に係るフローセンサの変形例を示すためのものである。なお、特に記載がない限り、前述した実施形態と同一構成部分は同一符号をもって表し、その説明を省略する。また、図示しない構成部分は、前述した実施形態と同様とする。
【００４９】
図８は、図１に示したフローセンサの変形例における第１ヒータ及び第２ヒータの一例を説明する要部拡大平面図であり、図９は、流体の速度と測定される温度差との関係を示すグラフである。図８に示すように、絶縁膜３０において第１ヒータ３１ａと第１ヒータ３１ｂとの間を熱的に絶縁するために、第１ヒータ３１ａと第１ヒータ３１ｂとの間に、絶縁膜３０の上面から下面に貫通するスリット（開口）３６が形成される。これにより、第１ヒータ３１ａと第１ヒータ３１ｂとの間が断熱されるので、上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３との間にスリット３６が存在する第１ヒータ３１ａが発する熱は、絶縁膜３０内を更に伝導しにくくなり、上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３は、流速に対する温度上昇（温度差）がより敏感になる。よって、上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３との距離が遠い第１ヒータ３１ａを使用する場合、図９の特性Ｌ２に示すように、流速が低い範囲（低流速域）における感度が更に向上する（特性Ｌ２の傾きが更に大きい）。
【００５０】
図１０は、図８に示した第１ヒータ及び第２ヒータの他の例を説明する要部拡大平面図である。第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂは、図８に示した例に限定されず、第１ヒータ３１ａと第２ヒータ３１ｂとの間にスリット３６を形成する場合であっても、前述した実施形態と同様に、図１０に示すように第１ヒータ３１ａの面積に対して第２ヒータ３１ｂの面積の方が大きくなるようにしてもよい。
【００５１】
このように、変形例におけるフローセンサ１０によれば、第１ヒータ３１ａと第１ヒータ３１ｂとの間を熱的に絶縁するスリット３６を有する。これにより、第１ヒータ３１ａと第１ヒータ３１ｂとの間が断熱されるので、上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３との間にスリット３６が存在する第１ヒータ３１ａが発する熱は、絶縁膜３０内を更に伝達しにくくなり、上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３は、流速に対する温度上昇（温度差）がより敏感になる。よって、上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３との距離が遠い第１ヒータ３１ａを使用する場合、図９の特性Ｌ２に示すように、流速が低い範囲（低流速域）、特に、流速Ｓ２以下における感度が更に向上する（特性Ｌ２の傾きが更に大きい）。これにより、低流速を更に高い精度で検出することができる。
【００５２】
なお、前述の実施形態の構成は、組み合わせたり或いは一部の構成部分を入れ替えたりしたりしてもよい。また、本発明の構成は前述の実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えてもよい。
【符号の説明】
【００５３】
１０…フローセンサ
２０…基台
２５…キャビティ
３０…絶縁層
３１ａ…第１ヒータ
３１ｂ…第２ヒータ
３２…上流側測温抵抗素子
３３…下流側測温抵抗素子
３４…周囲温度センサ
３５…電極パッド
４１ａ…第１スイッチ
４１ｂ…第２スイッチ
５０…制御回路
【技術分野】
【０００１】
本発明に係るいくつかの態様は、流体の速度（流速）を検出するフローセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種のフローセンサとして、薄膜絶縁層の中央部にヒータ（発熱用抵抗体）を設け、その両側に温度センサを配置したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このフローセンサは、ヒータの両側に、一組の低流量用温度センサと一組の高流量用温度センサとを備え、外側に配置した一組の温度センサで低い流速を検出し、内側に配置したもう一組の温度センサで高い流速を検出することで、広範囲の流速を検出可能にしていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】実開平２−５７０２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来のフローセンサでは、広範囲の流量を検出可能にするために、二組の温度センサが必要になるので、温度センサの出力信号を処理する信号処理回路を複数備えたり、高度化・複雑化したりすることで、コストが増加するという問題が生じていた。
【０００５】
本発明のいくつかの態様は前述の問題に鑑みてなされたものであり、コストの増加を抑制しつつ広範囲の流速を検出することのできるフローセンサを提供することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係るフローセンサは、所定速度で流れる流体を加熱するヒータ部と、ヒータ部によって生ずる前述の流体の温度差を測定するように構成された測温部と、を備え、ヒータ部は、測温部との距離がそれぞれ異なる複数の発熱体を有する。
【０００７】
かかる構成によれば、ヒータ部が、測温部との距離がそれぞれ異なる複数の発熱体を有する。ここで、測温部と発熱体との距離は、測温部が測定する、ヒータ部の加熱によって生ずる流体の温度差の感度に影響を及ぼす。すなわち、測温部と発熱体との距離が遠い場合、ヒータ部からの熱伝導による伝熱の影響が小さくなり、相対的に流体による熱伝達の影響が大きくなるため、流速に対する感度（測温部によって測定される流体の温度差）が大きくなる。よって、流速が低い範囲（低流速域）における感度は向上するが、所定の流速を超えると次第に感度が飽和してしまう。一方、測温部と発熱体との距離が近い場合、ヒータ部からの熱伝導による伝熱の影響が大きく、特に低流速域では流体による熱伝達の影響を受けにくいので、流速に対する感度（測温部によって測定される流体の温度差）が小さくなる。よって、流速が低い範囲（低流速域）における感度は低いが、流速が高い範囲（高流速域）において感度が飽和しにくい。従って、ヒータ部が、測温部との距離がそれぞれ異なる複数の発熱体を有することにより、流速に対する測温部の感度を変更することができる。
【０００８】
好ましくは、複数の発熱体は、一の前記発熱体を他の前記発熱体が囲むように配置される。
【０００９】
かかる構成によれば、ヒータ部が有する複数の発熱体が、一の発熱体を他の発熱体が囲むように配置される。これにより、測温部との距離がそれぞれ異なる複数の発熱体を容易に実現（構成）することができる。
【００１０】
好ましくは、ヒータ部は、複数の発熱体のうちの一の発熱体と他の発熱体との間を熱的に絶縁する開口部を有する。
【００１１】
かかる構成によれば、ヒータ部が、複数の発熱体のうちの一の発熱体と他の発熱体との間を熱的に絶縁する開口部を有する。これにより、一の発熱体と他の発熱体との間が断熱されるので、例えば、一の発熱体と測温部との間に開口部が存在する場合、一の発熱体が発する熱は、測温部及びヒータ部が設けられる固体内を更に伝熱しにくくなり、測温部は、流速に対する温度上昇（温度差）がより敏感になる。よって、一の発熱体を使用する場合、流速が低い範囲（低流速域）における感度が更に向上する。これにより、低流速を更に高い精度で検出することができる。
【００１２】
好ましくは、前述の所定速度に基づいて、ヒータ部において使用する発熱体を切替えるヒータ制御部を更に備える。
【００１３】
かかる構成によれば、ヒータ制御部が、流体の所定速度に基づいて、ヒータ部において使用する発熱体を切替える。これにより、低流速の感度を向上させる一の発熱体を使用し、高流速の感度を向上させる他の発熱体を使用することができ、流速に対する測温部の感度を、流速に応じて設定することができる。これにより、広範囲の流速を高い精度で検出することができる。
【００１４】
好ましくは、外部信号に基づいて、ヒータ部において使用する発熱体を切替えるヒータ制御部を更に備える。
【００１５】
かかる構成によれば、かかる構成によれば、ヒータ制御部が、外部信号に基づいて、ヒータ部において使用する発熱体を切替える。これにより、測温部の検出信号をトリガーとして、低流速の感度を向上させる一の発熱体を使用し、高流速の感度を向上させる他の発熱体を使用することができ、流速に対する測温部の感度を、流速に応じて設定することができる。これにより、広範囲の流速を高い精度で検出することができる。
【００１６】
好ましくは、発熱体を切替えるスイッチを更に備え、ヒータ制御部は、スイッチを切替える。
【００１７】
かかる構成によれば、ヒータ制御部が、発熱体を切替えるスイッチを切替える。これにより、ヒータ部において使用する発熱体を容易に切替えることができる。
【００１８】
好ましくは、測温部は、ヒータ部に対して上流側と下流側とにそれぞれ配置される複数の温度センサを有する。
【００１９】
かかる構成によれば、測温部が、ヒータ部に対して上流側と下流側とにそれぞれ配置される複数の温度センサを有する。これにより、所定速度で流れる流体における上流側と下流側との温度差を容易に測定することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、ヒータ部が、測温部との距離がそれぞれ異なる複数の発熱体を有することにより、流速に対する測温部の感度を変更することができる。これにより、十分な感度で広範囲の流速を検出することができる。また、従来のフローセンサと比較して、測温部を複数設けたり、測温部の出力信号を処理する信号処理回路を高度化・複雑化したりする必要がなく、ヒータの数を増やすだけで良いので、コストの増加を抑制することができるとともに、チップサイズを小型化することができ、配線パターンが短くなることで、製造プロセスの歩留まり低下、及び検査工程の増加を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係るセンサの例によるフローセンサを説明する斜視図である。
【図２】図１に示したＶＩ−ＶＩ線矢視方向断面である。
【図３】図１に示したフローセンサの論理構成を説明するブロック図である。
【図４】図１及び図２に示した第１ヒータ及び第２ヒータの一例を説明する要部拡大平面図である。
【図５】流度と測定される温度差との関係を示すグラフである。
【図６】図１及び図２に示した第１ヒータ及び第２ヒータの他の例を説明する要部拡大平面図である。
【図７】図１及び図２に示した第１ヒータ及び第２ヒータの他の例を説明する要部拡大平面図である。
【図８】変形例における第１ヒータ及び第２ヒータの一例を説明する要部拡大平面図である。
【図９】流度と測定される温度差との関係を示すグラフである。
【図１０】変形例における第１ヒータ及び第２ヒータの他の例を説明する要部拡大平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものである。したがって、具体的な寸法などは以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。なお、以下の説明において、図面の上側を「上」、下側を「下」、左側を「左」、右側を「右」という。
【００２３】
図１乃至図６は、本発明に係るフローセンサの一例を示すためのものである。図１は、本発明に係るフローセンサを説明する斜視図であり、図２は、図１に示したＶＩ−ＶＩ線矢視方向断面図である。図１及び図２に示すように、フローセンサ１０は、一方の面（図１及び図２において上面）にキャビティ（凹部）２５を有する基台２０と、基台２０の上にキャビティ２５を覆うように配置された薄膜状の絶縁膜３０と、を備える。絶縁膜３０において、キャビティ２５を覆う部分は、熱容量が小さく、基台２０に対して断熱性を有するダイアフラムを成す。
【００２４】
また、フローセンサ１０は、絶縁膜３０の中央部に設けられ、所定速度で流れる流体を加熱するための第１ヒータ（抵抗素子）３１ａ及び第２ヒータ（抵抗素子）３１ｂと、半導体基板３０において第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂを挟んで第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂの両側に設けられた一組の抵抗素子３２，３３と、基台２０の一辺側に設けられた周囲温度センサ（抵抗素子）３４と、絶縁膜３０の対角関係にある角部近傍に設けられた電極パッド３５と、を更に備える。なお、本実施形態における第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂは、本発明のフローセンサにおける「ヒータ部」に相当し、抵抗素子３２，３３は、本発明のフローセンサにおける「測温部」に相当する。
【００２５】
このような構成を備えるフローセンサ１０は、例えば図１及び図２中にブロック矢印で示すように、流速又は流量の検出対象である流体、例えばガスの流れる方向に沿って、抵抗素子３２、第１ヒータ３１ａ、第２ヒータ３１ｂ、及び抵抗素子３３が順に並ぶように配置される。この場合、抵抗素子３２は、第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂよりも上流側（図１及び図２において左側）に設けられた上流側測温抵抗素子（上流側温度センサ）として機能し、抵抗素子３３は、第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂよりも下流側（図１及び図２において右側）に設けられた下流側測温抵抗素子（上流側温度センサ）として機能する。このように、第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂに対して一方側（図１及び図２において左側）が流体の上流側、他方側（図１及び図２において右側）が流体の下流側となるように、フローセンサ１０を設置することにより、後述するように、第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂの加熱によって生ずる流体の温度差を容易に測定することができる。
【００２６】
周囲温度センサ３４は、フローセンサ１０が設置された管路（図示省略）を流通するガスの温度を測定する。第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂは、周囲温度センサ３４が計測したガスの温度よりも一定温度（例えば４０℃）高くなるように、ガスを加熱する。上流側測温抵抗素子３２は、第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂよりも上流側の温度を検出するために用いられ、下流側測温抵抗素子３３は、第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂよりも下流側の温度を検出するために用いられる。
【００２７】
ここで、管路内のガスが静止している場合、第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂで加えられた熱は、上流方向及び下流方向へ対称的に拡散する。従って、上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３の温度は等しくなり、上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３の電気抵抗は等しくなる。これに対し、管路内のガスが上流から下流に流れている場合、第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂで加えられた熱は、下流方向に運ばれる。従って、上流側測温抵抗素子３２の温度よりも、下流側測温抵抗素子３３の温度が高くなる。
【００２８】
このような温度差は、上流側測温抵抗素子３２の電気抵抗と下流側測温抵抗素子３３の電気抵抗との間に差を生じさせる。下流側測温抵抗素子３３の電気抵抗と上流側測温抵抗素子３２の電気抵抗との差は、管路内のガスの速度や流量と相関関係がある。そのため、下流側測温抵抗素子３３の電気抵抗と上流側測温抵抗素子３２の電気抵抗との差を基に、管路を流れる流体の速度（流速）や流量を算出することができる。抵抗素子３１、３２及び３３の電気抵抗の情報は、図１に示す電極パッド３５を通じて電気信号として取り出すことができる。
【００２９】
図１及び図２に示す基台２０の厚さは、例えば５２５μｍであり、基台２０の縦横の寸法は、例えばそれぞれ２ｍｍ程度である。但し、基板２０の寸法及び形状は、これらに限られない。基台２０の材料としては、例示的に、シリコン（Ｓｉ）などが使用可能である。
【００３０】
キャビティ２５は、異方性エッチングやＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術などを用いて形成することができる。図２には、一例として断面形状が舟形凹状のキャビティ２５が形成された様子を例示している。
【００３１】
図１及び図２に示す絶縁膜３０の厚さは、例えば１μｍであり、絶縁膜３０の縦横の寸法は、例えば基台２０と同一（２ｍｍ程度）である。絶縁膜３０の材料としては、例示的に、窒化ケイ素（ＳｉＮ）や酸化ケイ素（ＳｉＯ2）などが使用可能である。
【００３２】
各抵抗素子３１ａ，３１ｂ，３２，３３，３４のそれぞれの材料には、白金（Ｐｔ）などが使用可能である。また、各抵抗素子３１ａ，３１ｂ，３２，３３，３４の形成には、リソグラフィ法などが適用可能である。
【００３３】
図３は、図１に示したフローセンサの論理構成を説明するブロック図である。図３に示すように、上流側測温抵抗素子３２と、下流側測温抵抗素子３３と、周囲温度センサ３４から出力される電気信号は、図１に示す電極パッド３５を介して制御回路４０に入力される。また、制御回路４０から出力される電気信号は、図１に示す電極パッド３５を介して第１ヒータ３１ａと、第２ヒータ３１ｂとに入力される。制御回路４０は、後述するように、上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３の出力信号に基づいて、第１ヒータ３１ａ又は第２ヒータ３１ｂに電気信号を出力する。
【００３４】
図４は、図１及び図２に示した第１ヒータ及び第２ヒータの一例を説明する要部拡大平面図である。図４に示すように、各抵抗素子３１ａ，３１ｂ，３２，３３は、線幅の狭い微細な金属線を引き回した配線パターンにより形成されている。第１ヒータ３１ａと第２ヒータ３１ｂとは、上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３との距離がそれぞれ異なっている。すなわち、第１ヒータ３１ａと上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３との距離Ｄ１は相対的に長く、第２ヒータ３１ｂと上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３との距離Ｄ２は相対的に短くなっている（Ｄ１＜Ｄ２）。
【００３５】
図５は、流度と測定される温度差との関係を示すグラフである。ここで、図３に示す上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３と第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂとの距離は、下流側測温抵抗素子３３の電気抵抗と上流側測温抵抗素子３２の電気抵抗との差、言い換えれば、第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂの加熱によって生ずる流体の温度差、における感度に影響を及ぼす。すなわち、図４に示す距離Ｄ１のように、第１ヒータ３１ａと上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３とが遠い場合、第１ヒータ３１ａからの熱伝導による伝熱の影響が小さくなり、相対的に流体による熱伝達の影響が大きくなるため、流速に対する感度（上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３によって測定される流体の温度差）が大きくなる。よって、図５の特性Ｌ１に示すように、流速が低い範囲（低流速域）における感度は向上する（特性Ｌ１の傾きが大きい）が、所定の流速を超えると次第に感度が飽和してしまう（特性Ｌ１の傾きが小さい）。一方、図４に示す距離Ｄ２のように、第２ヒータ３１ｂと上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３とが近い場合、第２ヒータ３１ｂからの熱伝導による伝熱の影響が大きく、特に低流速域では流体による熱伝達の影響を受けにくい、流速に対する感度（上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３によって測定される流体の温度差）が小さくなる。よって、図５の特性Ｈに示すように、流速が低い範囲（低流速域）における感度は低い（特性Ｈの傾きが小さい）が、流速が高くなっても絶縁膜３０内を十分な熱が伝導するので、流速が高い範囲（高流速域）において感度が飽和しにくい（特性Ｌの傾きがあまり小さくならない）。従って、上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３との距離がそれぞれ異なる第１ヒータ３１ａと第２ヒータ３１ｂとを有することにより、流速に対する上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３の感度を変更することができる。
【００３６】
また、図４に示したように、第１ヒータ３１ａを第２ヒータ３１ｂが囲むように、言い換えれば入れ子状に配置されるのが好ましい。これにより、上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３との距離がそれぞれ異なる第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂを容易に実現（構成）することができる。
【００３７】
図６は、図１及び図２に示した第１ヒータ及び第２ヒータの他の例を説明する要部拡大平面図である。第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂは、図４に示した例に限定されず、図６に示すように第１ヒータ３１ａの面積に対して第２ヒータ３１ｂの面積の方が大きくなるようにしてもよい。この場合、図６に示すように、第１ヒータ３１ａを第２ヒータ３１ｂが囲むように配置することが好ましい。また、第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂを入れ子状に配置しない場合であっても、上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３との距離がそれぞれ異なっていればよい。
【００３８】
また、図３に示す制御回路４０は、上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３から入力される電気信号、すなわち流速に基づいて、電気信号の出力先、すなわち第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂにおいて、使用するヒータを切替えることが好ましい。これにより、例えば、図５に示す流速Ｓ１以下の範囲では低流速の感度を向上させる第１ヒータ３１ａを使用し、図５に示す流速Ｓ１以上の範囲では高流速の感度を向上させる第２ヒータ３１ｂを使用することができ、流速に対する上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３の感度を、流速に応じて設定することができる。
【００３９】
換言すれば、図３に示す制御回路４０は、上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３から入力される電気信号、すなわち外部信号に基づいて、第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂにおいて、使用するヒータを切替える。これにより、上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３の検出信号（出力信号）をトリガーとして、例えば、図５に示す流速Ｓ１以下の範囲では低流速の感度を向上させる第１ヒータ３１ａを使用し、図５に示す流速Ｓ１以上の範囲では高流速の感度を向上させる第２ヒータ３１ｂを使用することができ、流速に対する上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３の感度を、流速に応じて設定することができる。
【００４０】
図７は、図１及び図２に示した第１ヒータ及び第２ヒータの他の例を説明する要部拡大平面図である。第１ヒータ３１ａと第２ヒータ３１ｂとを切替えるために、図７に示すように、第１スイッチ４１ａ及び第２スイッチ４１ｂとを備え、図３に示す制御回路４０は第１スイッチ４１ａ及び第２スイッチ４１ｂを切り替えるようにしてもよい。例えば、第１ヒータ３１ａを使用する場合には、図３に示す制御回路４０は、図７に示す第１スイッチ４１ａを右側に切替えるとともに第２スイッチ４１ｂを左側に切替える。逆に、第２ヒータ３１ｂを使用する場合には、図３に示す制御回路４０は、図７に示す第１スイッチ４１ａを左側に切替えるとともに第２スイッチ４１ｂを右側に切替える。これにより、第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂにおいて使用する発熱体を容易に切替えることができる。
【００４１】
本実施形態では、流体を加熱するものとして、第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂの２つのヒータを示したが、これに限定されず、３つ以上の複数のヒータを設けるようにしてもよい。この場合、複数のヒータは、上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３との距離が、それぞれ異なるように配置される。
【００４２】
このように、本実施形態におけるフローセンサ１０によれば、上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３との距離Ｄ１，Ｄ２がそれぞれ異なる第１ヒータ３１ａと第２ヒータ３１ｂとを有する。ここで、図４に示す上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３と第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂとの距離Ｄ１，Ｄ２は、下流側測温抵抗素子３３の電気抵抗と上流側測温抵抗素子３２の電気抵抗との差、言い換えれば、第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂの加熱によって生ずる流体の温度差、における感度に影響を及ぼす。すなわち、図４に示す距離Ｄ１のように、第１ヒータ３１ａと上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３とが遠い場合、第１ヒータ３１ａからの熱伝導による伝熱の影響が小さくなり、相対的に流体による熱伝達の影響が大きくなるため、流速に対する感度（上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３によって測定される流体の温度差）が大きくなる。よって、図５の特性Ｌ１に示すように、流速が低い範囲（低流速域）における感度は向上する（特性Ｌ１の傾きが大きい）が、所定の流速を超えると次第に感度が飽和してしまう（特性Ｌ１の傾きが小さい）。一方、図４に示す距離Ｄ２のように、第２ヒータ３１ｂと上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３とが近い場合、第２ヒータ３１ｂからの熱伝導による伝熱の影響が大きく、特に低流速域では流体による熱伝達の影響を受けにくい、流速に対する感度（上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３によって測定される流体の温度差）が小さくなる。よって、図５の特性Ｈに示すように、流速が低い範囲（低流速域）における感度は低い（特性Ｈの傾きが小さい）が、流速が高くなっても絶縁膜３０内を十分な熱が伝導するので、流速が高い範囲（高流速域）において感度が飽和しにくい（特性Ｈの傾きがあまり小さくならない）。従って、上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３との距離Ｄ１，Ｄ２がそれぞれ異なる第１ヒータ３１ａと第２ヒータ３１ｂとを有することにより、流速に対する上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３の感度を変更することができる。これにより、十分な感度で広範囲の流速を検出することができる。また、従来のフローセンサと比較して、上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３を複数設けたり、上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３の出力信号を処理する信号処理回路を高度化・複雑化したりする必要がなく、ヒータの数を増やすだけで良いので、コストの増加を抑制することができるとともに、チップサイズを小型化することができ、配線パターンが短くなることで、製造プロセスの歩留まり低下、及び検査工程の増加を防止することができる。
【００４３】
また、本実施形態におけるフローセンサ１０によれば、第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂが、入れ子状に配置される。これにより、上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３との距離Ｄ１，Ｄ２がそれぞれ異なる第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂを容易に実現（構成）することができる。
【００４４】
また、本実施形態におけるフローセンサ１０によれば、制御回路４０が、流速に基づいて、第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂにおいて使用するヒータを切替える。これにより、例えば、図５に示す流速Ｓ１以下の範囲では低流速の感度を向上させる第１ヒータ３１ａを使用し、図５に示す流速Ｓ１以上の範囲では高流速の感度を向上させる第２ヒータ３１ｂを使用することができ、流速に対する上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３の感度を、流速に応じて設定することができる。これにより、広範囲の流速を高い精度で検出することができる。
【００４５】
また、本実施形態におけるフローセンサ１０によれば、制御回路４０は、外部信号に基づいて、第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂにおいて使用するヒータを切替える。これにより、上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３の検出信号（出力信号）をトリガーとして、例えば、図５に示す流速Ｓ１以下の範囲では低流速の感度を向上させる第１ヒータ３１ａを使用し、図５に示す流速Ｓ１以上の範囲では高流速の感度を向上させる第２ヒータ３１ｂを使用することができ、流速に対する上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３の感度を、流速に応じて設定することができる。これにより、広範囲の流速を高い精度で検出することができる。
【００４６】
また、本実施形態におけるフローセンサ１０によれば、制御回路４０は、第１ヒータ３１ａと第２ヒータ３１ｂとを切替える第１スイッチ４１ａ及び第２スイッチ４１ｂを切替える。これにより、第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂにおいて使用するヒータを容易に切替えることができる。
【００４７】
また、本実施形態におけるフローセンサ１０によれば、上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３が、第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂに対して一方側（図１及び図２において左側）と他方側（図１及び図２において右側）とにそれぞれ配置される。これにより、図１及び図２に示すように、第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂに対して左側が流体の上流側、右側が流体の下流側となるように、フローセンサ１０を設置することにより、流体の温度差を容易に測定することができる。
【００４８】
（変形例）
図８乃至図１０は、本発明に係るフローセンサの変形例を示すためのものである。なお、特に記載がない限り、前述した実施形態と同一構成部分は同一符号をもって表し、その説明を省略する。また、図示しない構成部分は、前述した実施形態と同様とする。
【００４９】
図８は、図１に示したフローセンサの変形例における第１ヒータ及び第２ヒータの一例を説明する要部拡大平面図であり、図９は、流体の速度と測定される温度差との関係を示すグラフである。図８に示すように、絶縁膜３０において第１ヒータ３１ａと第１ヒータ３１ｂとの間を熱的に絶縁するために、第１ヒータ３１ａと第１ヒータ３１ｂとの間に、絶縁膜３０の上面から下面に貫通するスリット（開口）３６が形成される。これにより、第１ヒータ３１ａと第１ヒータ３１ｂとの間が断熱されるので、上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３との間にスリット３６が存在する第１ヒータ３１ａが発する熱は、絶縁膜３０内を更に伝導しにくくなり、上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３は、流速に対する温度上昇（温度差）がより敏感になる。よって、上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３との距離が遠い第１ヒータ３１ａを使用する場合、図９の特性Ｌ２に示すように、流速が低い範囲（低流速域）における感度が更に向上する（特性Ｌ２の傾きが更に大きい）。
【００５０】
図１０は、図８に示した第１ヒータ及び第２ヒータの他の例を説明する要部拡大平面図である。第１ヒータ３１ａ及び第２ヒータ３１ｂは、図８に示した例に限定されず、第１ヒータ３１ａと第２ヒータ３１ｂとの間にスリット３６を形成する場合であっても、前述した実施形態と同様に、図１０に示すように第１ヒータ３１ａの面積に対して第２ヒータ３１ｂの面積の方が大きくなるようにしてもよい。
【００５１】
このように、変形例におけるフローセンサ１０によれば、第１ヒータ３１ａと第１ヒータ３１ｂとの間を熱的に絶縁するスリット３６を有する。これにより、第１ヒータ３１ａと第１ヒータ３１ｂとの間が断熱されるので、上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３との間にスリット３６が存在する第１ヒータ３１ａが発する熱は、絶縁膜３０内を更に伝達しにくくなり、上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３は、流速に対する温度上昇（温度差）がより敏感になる。よって、上流側測温抵抗素子３２及び下流側測温抵抗素子３３との距離が遠い第１ヒータ３１ａを使用する場合、図９の特性Ｌ２に示すように、流速が低い範囲（低流速域）、特に、流速Ｓ２以下における感度が更に向上する（特性Ｌ２の傾きが更に大きい）。これにより、低流速を更に高い精度で検出することができる。
【００５２】
なお、前述の実施形態の構成は、組み合わせたり或いは一部の構成部分を入れ替えたりしたりしてもよい。また、本発明の構成は前述の実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えてもよい。
【符号の説明】
【００５３】
１０…フローセンサ
２０…基台
２５…キャビティ
３０…絶縁層
３１ａ…第１ヒータ
３１ｂ…第２ヒータ
３２…上流側測温抵抗素子
３３…下流側測温抵抗素子
３４…周囲温度センサ
３５…電極パッド
４１ａ…第１スイッチ
４１ｂ…第２スイッチ
５０…制御回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定速度で流れる流体を加熱するヒータ部と、
前記ヒータ部によって生ずる前記流体の温度差を測定するように構成された測温部と、を備え、
前記ヒータ部は、前記測温部との距離がそれぞれ異なる複数の発熱体を有する
ことを特徴とするフローセンサ。
【請求項２】
前記複数の発熱体は、一の前記発熱体を他の前記発熱体が囲むように配置される
ことを特徴とする請求項１に記載のフローセンサ。
【請求項３】
前記ヒータ部は、前記複数の発熱体のうちの一の前記発熱体と他の前記発熱体との間を熱的に絶縁する開口部を有する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のフローセンサ。
【請求項４】
前記所定速度に基づいて、前記ヒータ部において使用する前記発熱体を切替えるヒータ制御部を更に備える
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載のフローセンサ。
【請求項５】
外部信号に基づいて、前記ヒータ部において使用する前記発熱体を切替えるヒータ制御部を更に備える
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載のフローセンサ。
【請求項６】
前記発熱体を切替えるスイッチを更に備え、
前記ヒータ制御部は、前記スイッチを切替える
ことを特徴とする請求項４又は５に記載のフローセンサ。
【請求項７】
前記測温部は、前記ヒータ部に対して上流側と下流側とにそれぞれ配置される複数の温度センサを含む
ことを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載のフローセンサ。
【請求項１】
所定速度で流れる流体を加熱するヒータ部と、
前記ヒータ部によって生ずる前記流体の温度差を測定するように構成された測温部と、を備え、
前記ヒータ部は、前記測温部との距離がそれぞれ異なる複数の発熱体を有する
ことを特徴とするフローセンサ。
【請求項２】
前記複数の発熱体は、一の前記発熱体を他の前記発熱体が囲むように配置される
ことを特徴とする請求項１に記載のフローセンサ。
【請求項３】
前記ヒータ部は、前記複数の発熱体のうちの一の前記発熱体と他の前記発熱体との間を熱的に絶縁する開口部を有する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のフローセンサ。
【請求項４】
前記所定速度に基づいて、前記ヒータ部において使用する前記発熱体を切替えるヒータ制御部を更に備える
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載のフローセンサ。
【請求項５】
外部信号に基づいて、前記ヒータ部において使用する前記発熱体を切替えるヒータ制御部を更に備える
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載のフローセンサ。
【請求項６】
前記発熱体を切替えるスイッチを更に備え、
前記ヒータ制御部は、前記スイッチを切替える
ことを特徴とする請求項４又は５に記載のフローセンサ。
【請求項７】
前記測温部は、前記ヒータ部に対して上流側と下流側とにそれぞれ配置される複数の温度センサを含む
ことを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載のフローセンサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図９】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図５】
【図９】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−２０９０３８（Ｐ２０１１−２０９０３８Ａ）
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−７５６６７（Ｐ２０１０−７５６６７）
【出願日】平成２２年３月２９日（２０１０．３．２９）
【出願人】（０００００６６６６）株式会社山武 (1,808)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月２９日（２０１０．３．２９）
【出願人】（０００００６６６６）株式会社山武 (1,808)
【Ｆターム（参考）】
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