热流量计的制作方法

专利名称：热流量计的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可以高精度地测量稳定流量区域中的流体流量，并且即使在偏离所述 稳定流量区域的大量流体流通的情况下，也可以可靠地检测其流量的结构简单的热式流量 计。
背景技术：
作为能高精度地检测出各种流体的质量流量的流量传感器，正受到关注的是这样一种 传感器芯片，例如如图8所示，在半导体基板(如硅板)B上形成有一对温感元件Ru、 Rd， 加热器元件Rh位于两者之间。并且，所述加热器元件Rh及一对温感元件Ru、 Rd由例如 白金(Pt)的薄膜电阻构成。而且，图9示意性示出加热器元件Rh及一对温感元件Ru、 Rd的剖面结构，如该图9所示，该加热器元件Rh及一对测温元件Ru、 Rd沿流体的流通方 向F并列设置于薄壁的膜片D上，该膜片D架设于形成在半导体基板B上的腔体(凹部) C上。并且，图中的Rr是设置于远离半导体基板B的所述膜片D的位置的、检测所述传感 器芯片的周围环境温度(流体温度)的温度检测元件。
如日本特开2003-247876号公报所示，使用这样的传感器芯片的热式流量计，着眼于 当将所述温感元件Ru、 Rd的附近的环境温度，具体来说，当所述加热器元件Rh的发热温 度比所述温度检测元件Rr所检测的环境温度(流体温度)高一定温度时，膜片D的附近 的温度分布根据流体的流量(流速)Q而变化，由所述一对测温元件Ru、 Rd分别检测的温 度产生温度差。而且，根据由所述温感元件Ru、 Rd所检测的温度差求得所述流体的质量 流量Q。
但上述结构的热式流量计虽然尺寸小且检测精度高，但其流量测量区域(动态范围) 难以确保较广的范围。因此，以往采用例如微小流量测量用的热式流量计和大流量测量用 的热式流量计并用等方法来确保较广范围的流量测量区域(动态范围)。但是， 一般来说， 在从构成流体流通管的主流路分支出的流量测量用的细管流路中，很难组合流量测量区域 不同的多个传感器芯片(流量传感器)。并且在此类细管流路中，组合流量测量区域相互 不同的多个传感器芯片时，恐怕会给微小流量的测量带来妨碍。

发明内容
3本发明是基于对此类问题的考虑，其目的在于提供一种可以高精度地测量在所需的稳 定流量区域中的流体流量，即使在偏离所述稳定流量区域的大量流体流通的情况下，也可 以可靠地检测其流量的结构简单的热式流量计。
本发明着眼于以下两点，即相当于维持一对温感元件的附近温度比其环境温度高一定 温度所必要的热量的加热器元件的驱动功率与流体的流量相对应地变化，并且即使在大流 量时、且在基于由所述一对温感元件所检测的温度差高精度地求得的流量偏离其流量测量 区域(动态范围)而处于饱和的情况下，所述热能(加热器元件的驱动功率)与流体的流 量相对应地发生变化。
为了达成上述目的，本发明的热式流量计，其特征在于包括传感器芯片，其具有一 对温感元件；加热单元，使该传感器芯片的所述一对的温感元件附近的环境温度比沿该传 感器芯片流通的流体的温度高一定温度；第l流量运算单元，根据所述一对温感元件所检 测的温度差求得所述流体流量；第2流量运算单元，根据使所述环境温度比所述流体温度 高一定温度的所述加热单元的驱动能量求得所述流体的流量；输出控制单元，所述第1流 量运算单元求得的流量超过预先设定的流量阈值时，输出所述第2流量运算单元求得的流 量,替代所述第1流量运算单元求得的流量。
采用如上述构成的热式流量计，由于所述第1流量运算单元是根据由一对温感元件所 检测的温度差求得所述流体的流量，因此在预先设定的规定的测量流量区域中可以以足够 高的精度来检测流体流量。相对于此，所述第2流量运算单元，只基于例如加热器元件的 驱动功率检测流体流量，因此相比于第1流量运算单元在所述测量流量区域的测量精度不 太高。
但是，流体的流量增大，所述第1流量运算单元求得的流量超过所述流量测量区域的 界限时，具体的说所述第1流量运算单元所求得的流量饱和时，代替所述第l流量运算单 元求得的流量，输出所述第2流量运算单元求得的流量。因此，即使在所述第l流量运算 单元求得的流量饱和而无法进行其流量检测的状况下，可以将其替代输出所述第2流量运 算单元求得的流量，因此，实质上其测量流量区域(动态范围)可以扩大。
因此，在使用具有一对热感元件的传感器芯片的热式流量计中，可以使用所述一对温 感元件高精度地进行能够测量的稳定测量流量区域内的流量测量，还可以在偏离所述稳定 测量流量区域的较宽范围内有效地实施该流量测量。即，不需要并用微小流量测量用的热 式流量计和大流量测量用的热式流量计，就可以跨越较宽的范围进行测量，因此能够实现 小型且结构简单的热式流量计。
所述加热单元，优选加热与所述一对温感元件并列且位于这些温感元件之间的加热器 元件，所述第2流量运算单元根据所述加热器元件的驱动功率求得所述流体的流量。根据该结构，所述加热单元是由与所述温感元件并列且形成于这些温感元件之间的加 热器元件所构成，因此，能够将该加热单元组装到所述芯片内，并且可以基于该加热器元 件的驱动功率通过所述第2流量运算单元没有任何障碍地求得流量，因此对实现小型且结 构简单的热式流量计是有用的。
又，相替代的，所述加热单元，加热所述一对温感元件，所述第2流量运算单元根据 所述一对温感元件的加热功率求得所述流体的流量。
根据该结构，所述加热单元加热所述一对温感元件，并且可以基于该温感元件的驱动 功率通过所述第2流量运算单元没有任何障碍地求得流量，因此可以实现小型且结构简单
的热式流量计。
进一步的，所述输出控制单元，根据需要还具有以下功能所述第1流量运算单元所 求得的流量显示负值时，输出所述第2流量运算单元所求得的流量作为所述流体的逆流流 量，替代所述第1流量运算单元求得的流量。
根据该结构，流体逆流时，将所述第2流量运算单元所求得的流量作为所述流体的逆 流流量输出，因此，没有必要设置逆流时切换第1流量运算单元的输出和第2流量运算单
元的输出用的电路等单元。其适用于，所述第1流量运算单元的测量流量区域在构造上非 常小的时候等，在逆流时的流量检测时，进行该切换的效果较小的状况下实施。通过该结 构，可以实现结构简单化，并且可以降低成本。


图1是示出本发明一实施形态的热式流量计的概略构成的框图。
图2是示出相对于流量的变化热式流量计的传感器信号VI和加热器信号V2的变化情 况的图。
图3是示出本发明的实施形态的传感器驱动电路的构成例的图。 图4是示出输出控制部的概略的处理步骤的图。
图5是示出本发明的实施形态的传感器驱动电路的其他的构成例的图。
图6是示出本发明的实施形态的传感器驱动电路的另一其他的构成例的图。
图7是示出流量传感器的相对于逆流的检测特性的图。
图8是示出热式流量传感器的概略构成的图。
图9是示出图8所示的热式流量传感器的剖面构造的图。
具体实施例方式
下面，参照附图对本发明的热式流量计进行说明。本发明的热式流量计是这样一种类型的流量计，其使得设置于传感器芯片的一对温感元件Ru、 Rd附近的环境温度比沿该传感器芯片流通的流体的温度高一定温度T，此时根据所述一对温感元件Ru、 Rd所检测的温度差A T求得所述流体的流量Q。
图1是示出本发明一实施形态的热式流量计的概略构成，1是传感器芯片，在硅等半导体基板上形成有一对温感元件Ru、 Rd、加热器元件Rh及温度检测元件Rr，其元件构造例如如上述的图7及图8所示。该传感器芯片1的驱动电路2基本上包括加热器温度控制部3和传感器电压检测部(第1流量检测装置)4，加热器温度控制部3与所述温度检测元件Rr所检测的环境温度T相对应，加热所述加热器元件Rh，使所述一对温感元件Ru、Rd的附近的温度只升高一定温度AT，传感器电压检测部4通过所述温感元件Ru、 Rd分别检测其附近的温度Tu、 Td，求得其温度差AT 。Tu—Ud)作为沿所述传感器芯片1流通的流体的流量Ql。
本发明的热式流量计在此基本构成之上还包括控制传感器信号输出的输出控制部5。该输出控制部5具有级别判定部6，将由例如所述传感器电压检测部4所检测的流量Q1(传感器信号V1)与预先设定的阈值相比较；传感器电压检测部(第2流量检测装置)7，根据由所述加热器温度控制3发热控制的所述加热器元件Rh的驱动能量求得沿所述传感器芯片1流通的流体的流量Q2 (加热器信号V2);开关电路8，根据所述级别判定部6的判定结果选择性地输出所述流量Q1、 Q2。
特别是，所述级别判定部6构成为，将例如所述热式流量计所要求的标准的流量计测范围的上限值(计测规格)设定为阈值Qmax，当所述传感器电压检测部5所检测的流量Ql大于所述阈值Qmax时，通过切换控制所述开关电路8，将所述传感器电压检测部7所检测的流量Q2代替所述流量Ql作为传感器信号输出。
具体的，传感器芯片1及其驱动电路2专门被设计为，能够在与热式流量计所要求的规格相对应的标准的流量计测范围内高灵敏度、且高精度地进行流量计测。即，所述传感器芯片1及其驱动电路2被设计为，在作为流量计测的规格而赋予的从0%流量的状态到100%流量的计测对象范围内，其输出电压Va例如如图2所示那样在所述传感器电压检测部3的最小输出电压Vmin和最大输出电压Vmax之间大致呈直线变化。因此，在流体的流量Q超过上述计测范围的上限值(100%流量)时，所述传感器电压检测部3的输出电压(传感器信号)VI都以所述最大输出电压Vmax达到饱和。
柑对于此，所述加热器温度控制部4，如前所述，只是用于加热所述加热器元件Rh，使所述一对温感元件Ru、 Rd附近的温度比由所述温度传感器Rr所检测的环境温度T高一定温度AT。而且，流体所带走的热量随着该流体的流量Q的增加而增大，因此，所述加热器温度控制部4使加热器元件Rh的加热量增加以补偿流体所带走的热量所引起的温度降低。其结果是，所述加热器温度控制部4对所述加热器元件Rh的驱动能量(加热器信 号V2)，如图2所示随着流量Q的增大逐渐变大。对应于流量Q的变化的加热器信号V2的 变化虽然没有前文所述的传感器电压检测部3所输出的传感器信号VI的变化那么显著(高 敏感度)，但也可以说大概表示了流体的流量Q。并且加热器信号V2，如图2所示，即使 超过100%流量也会逐渐增大。因此，如果着眼于该加热器信号V2，虽然其计测精度较低， 但其不拘泥于热式流量计所要求的流量计测范围(0 100%流量)就可以求得流体流量Q。
因此，本发明的热式流量计，通过前述的级别判定部6将由所述传感器电压检测部5 所检测的流量Ql (传感器信号VI)与预先设定的阈值(计测范围的上限值100%流量) Qmax相比较。并且，其流量Q超过10(^流量时，代替所述流量Ql (传感器信号V1)输出 根据所述加热器信号求得的流量Q2 (加热器信号V2)，从而，即使在无法根据所述传感器 信号V1求得流量Q的情况下，也能概略地求得其流量Q。因此，利用本发明的热式流量计， 即使是在超过100%流量的过大的流量流通的情况下，由于可以求得该过大的流量为何种程 度，从而达到可以正确地求得其累积流量等效果。
图3是示出本发明的热式流量计的具体的构成例。又，这里使用的传感器芯片1的元 件构造，首先如上文中参照图8及图9所说明的那样，薄壁的膜片D架设形成在穿设于半 导体基板(例如硅板)B上的凹状的腔体C上，在该膜片D上沿所述腔体C的开口方向(流 体流通方向F)设置有将加热器元件Rh夹于其间的一对温感元件Ru、 Rd,并在半导体基 板B的远离所述膜片D的位置上设置有温度检测元件Rr。并且，所述加热器元件Rh、 一 对温感元件Ru、 Rd及温度检测元件Rr，例如由通过绝缘膜分别蒸镀形成在所述膜片D上 的白金(Pt)等的薄膜电阻构成。
所述流量计测装置如前所述包括加热器温度控制部3，控制加热器元件Rh的发热温 度；传感器电压检测部4，根据所述一对温感元件Ru、 Rd的电阻值的变化检测流体的流量。 具体来说，传感器电压检测部4的构成如图3所示，包括流量计测用第l电桥电路4a， 由将所述加热器元件Rh夹于其间的沿流体流通方向设置的一对温感元件Ru、 Rd及一对固 定电阻Rx、 Ry构成；差动放大器4b，检测与该第1电桥电路4a的上述温感元件Ru、 Rd 的电阻值的变化相对应的电桥输出电压(电桥间电位差)。
又，所述加热器温度控制部3构成为，包括温度控制用的第2电桥电路3a，由所述 加热器元件Rh和温度检测元件Rr及一对固定电阻Rl、 R2构成；晶体管3b,接收电源电 压Vcc并使所述电桥电路3a的驱动电压可变；差动放大器3c，求出所述电桥电路3a的电 桥输出电压(电桥间电位差)，反馈控制所述晶体管3b的动作，使得该电桥输出电压为零。 通过基于该差动放大器3c的输出对所述晶体管3b的反馈控制，所述加热器元件Rh的发 热温度被控制为始终比由所述温度检测元件Rr所检测的周围温度T高一定温度AT。又，此例中的所述加热器温度控制部3，输出作为所述晶体管3b的输出电压的所述电 桥电路3a的驱动电压Va和施加于所述加热器元件Rh的电压Vb。而且，由例如微处理器 所构成的输出控制部5，将所述驱动电压Va、 Vb的差(Va—Vb)作为与所述加热器元件 Rh的发热量相当的加热器驱动能量(加热器信号V2)来求出。
具有级别判定部6、加热器电压检测部7及开关电路8的所述流量运算部5，按照例 如图4所示的处理步骤，基于所述传感器信号VI及加热器信号V2，求出与流体的流量Q 对应的输出。g卩，所述流量运算部5按照规定的动作周期，首先分别取得传感器信号VI 及加热器信号V2[步骤S1、 S2]，将传感器信号V1的值(流量Q1)与上述阈值(流量Qmax) 相比较[步骤S3]。当所述传感器信号V1的值在所述阈值以下时，即100%流量以下时，基 于所述传感器信号VI算出那一时刻的瞬时流量[步骤S4]。然后，通过累加瞬时流量求得 其累加流量。
相对于此，当所述传感器信号VI的值超过所述阈值(100%流量)时，基于上述加热 器信号V2算出瞬时流量Q2[步骤S6]。代替基于上述传感器信号VI求出的瞬时流量Ql， 将基于所述加热器信号V2求出的瞬时流量Q2累加为至今为止的累加流量值[步骤S5]。因 此，即使有过大的流量流过，也可以正确地进行其流量的累加。然后，将如此累加的流量 值作为该热式流量计所计测的流量值进行输出或者显示[步骤S7]。
上述实施形态中，使一对温感元件Ru、 Rd附近的温度比温度检测元件Rr所检测的环 境温度高一定温度来进行流量检测，但是，也能够将由所述一对温感元件Ru、 Rd分别检 测的温度的平均温度Tave控制为比所述温度检测元件Rr所检测的环境温度T高一定温度 AT,然后进行流量检测。
图5示出在对这样的加热器元件Th温度控制之下进行流量检测时的驱动电路的构成 例。在该情况下，如图5所示出的构成那样，其包括上述的窠l电桥电路4a，在该电桥电 路4a和所述温度检测元件Rr之间构成代替第2电桥电路3a的电桥电路3d。而且，使用 检测该电桥电路3d的电桥输出电压的差动放大器3e控制所述加热器元件Rh的驱动，由 此使所述电桥电路3d平衡。
即使在这样构成流量传感器的驱动电路的情况下，也能够将与流量Q对应的加热器元 件Rh的驱动功率作为与该加热器元件Rh串联的固定电阻的两端间电压来进行检测，因此 可以将其用作加热器信号V2。因此，与前面的实施形态相同，即使超过100%流量时，也 可以根据加热器信号V2进行流量检测，因此能够在广泛的流量区域进行流量检测。
但是，上述的各实施形态都是使用具备加热器元件Rh的流量传感器的例子，但不具 备加热器元件Rh，使用温度检测用的温感元件Ru (Rd)作为发热体的、所谓的自发热式 的热式流量计也可以适用本发明。图6示出在这样的自发热式的热式流量计中应用本发明时的构成例。此时，构成为，通过具有晶体管(FET) 3f而构成的恒流电源，对包括一对温感元件Ru、 Rd而构成的第l电桥电路4a进行恒流驱动，使所述一对温感元件Ru、 Rd自发热的同时，将与流体的流量相对应地变化的所述一对温感元件Ru、 Rd的电阻值变化作为电桥电路4a的输出(传感器信号V1)来进行检测。同时，将由所述恒流电源所驱动的所述第1电桥电路4a的驱动电压Va作为加热器电压V2来进行检测。
根据这样构成的驱动电路， 一对温感元件Ru、 Rd所散发的热量被大流量的流体夺走，即使在其输出(传感器信号V1)饱和的情况下，电桥电路4a的驱动电压Va随着所述流量的增大而变高，因此可以根据所述驱动电压Va求出超过100%流量的流量Q，因此能够达到与前面实施形态同样的效果。
又，本发明不限于上述实施形态。例如100%流量的流量值是对应其规格确定的。而且如图7所示，在流体逆流，传感器信号V1在负值区域饱和的情况下，加热器信号V2自身发生变化，因此，即使对于逆流时的流量检测，也可以在流量大时根据加热器信号V2求得。但是，传感器信号VI在负值区域饱和的流量与其在正值区域饱和的流量不同，负值区域中与传感器信号V2对应的流量也不同，因此将它们结合通过输出控制单元进行流量输出的切换及流量的输出是必要的。
又，传感器1在构造上可以构成为，在逆流时传感器信号VI在负值区域饱和的流量如图7所示那样非常小的情况下，对于逆流时的流量检测，在进行传感器信号VI和加热器信号V2的切换而得到的效果较小的情况下，检测逆流时，能够输出基于加热器信号V2检测的流量。因此，没有必要设置用于逆流时的该切换的电路，可以降低成本。此外，本发明在不脱离其要旨的范围内可以进行各种变化来实施。
权利要求
1.一种热式流量计，其特征在于，包括传感器芯片，其具有一对温感元件；加热单元，使所述传感器芯片的所述一对的温感元件附近的环境温度比沿所述传感器芯片流通的流体的温度高一定温度；第1流量运算单元，根据由所述一对温感元件所检测的温度差求得所述流体的流量；第2流量运算单元，根据使所述环境温度比所述流体温度高一定温度的所述加热单元的驱动能量求得所述流体的流量；输出控制单元，所述第1流量运算单元求得的流量超过预先设定的流量阈值时，输出所述第2流量运算单元求得的流量，替代所述第1流量运算单元求得的流量。
2. 如权利要求1所述的热式流量计，其特征在于，所述加热单元，加热与所述一对温感元件并列且位于这些温感元件之间的加热器元 件，所述第2流量运算单元根据所述加热器元件的驱动功率求得所述流体的流量。
3. 如权利要求1所述的热式流量计，其特征在于，所述加热单元，加热所述一对温感元件，所述第2流量运算单元根据所述温感元件的 驱动功率求得所述流体的流量。
4. 如权利要求1所述的热式流量计，其特征在于，所述输出控制单元还具有如下功能在由所述第1流量运算单元所求得的流量显示负 值时，输出所述第2流量运算单元所求得的流量作为所述流体的逆流流量，替代所述第1 流量运算单元求得的流量。
全文摘要
本发明旨在提供一种结构简单的热式流量计，该热式流量计可以高精度地测量稳定流量区域内的流体流量，同时也可以对偏离稳定流量区域的过大流量进行测量。所述热式流量计包括，加热单元(Rh)，使包括一对温感元件(Ru、Rd)的传感器芯片(1)的所述温感元件的附近温度比沿该传感器芯片流通的流体温度高一定温度；第1流量运算单元(6)，根据所述一对温感元件所检测的温度差求得所述流体的流量；第2流量运算单元(7)，根据所述加热单元的驱动能量求得所述流体的流量；输出控制单元(5)，在所述第1流量运算单元求得的流量超过流量阈值时，输出所述第2流量运算单元求得的流量，替代所述第1流量运算单元求得的流量。
文档编号G01F1/696GK101680788SQ20088001720
公开日2010年3月24日 申请日期2008年4月22日 优先权日2007年5月24日
发明者安西正宪, 村冈学, 松田顺一, 濑尾雅已 申请人:株式会社山武