專利名稱：流速探測器的制作方法
技術領域：
本發明涉及探測被測流體(例如空氣)流速的流速探測器。
傳統上是把兩個傳感器與加熱元件(發熱體)組成的隔膜式流速探測器用作這種流速探測器。圖13中示明了先有隔膜式流速探測器的概略剖面結構，圖12則示明其中隔膜部的平面圖。在圖12與13中，1為硅片(基座)，1-1為在基座1的上面通過設置空間1-2而形成薄壁狀的隔膜部，2(2-1)為隔膜部1-1上形成的金屬膜的發熱體(加熱器)，3U(3UO)與3D(3DO)為加熱器(發熱體)2兩側形成的金屬膜的熱敏電阻體(溫度傳感器)，4為貫通隔膜的槽。
加熱器2與溫度傳感器3U、3D例如涂覆以氮化硅組成的薄膜絕緣層5。加熱器2與溫度傳感器3U、3D或為許多曲柄形連接成的梳齒狀，將這種梳齒形狀的凹凸方向布置成大致垂直于被測流體的流動方向。
下面描述用這種流速探測器的流速探測方法的原理。加熱器2經驅動至比周圍溫度高出一定的溫度，溫度傳感器3U、3D由恒定電流或恒定電壓驅動。在這樣的受驅狀態下，當被測流體的流速為零時，溫度傳感器3U、3D的溫度相同，它們的電阻差無差別。當被測流體流過時，位于上游的溫度傳感器(上游溫度傳感器)3U由于被測流體流向加熱器2方向帶走了熱量而冷卻。另一方面，位于下游的溫度傳感器(下游溫度傳感器)3D則由于加熱器2加熱的被測流體的流動而被加熱。由于上游與下游產生了溫差，上游溫度傳感器3U與下游溫度傳感器3D便產生了電阻值差。通過將這一電阻值差作為電壓值的差檢測出，則可由所述流速探測器求出被測流體的流速。
但上述傳統的流速探測器，當被測流體的流速例如超過20m/s時，溫度傳感器3U、3D的溫度便達到飽和值，而有不能探測流速的問題。圖11中示明流速與傳感器輸出的關系。此圖中所示的特性的曲線Ⅰ表示的是傳統的流速探測器中流速傳感器的輸出特性，從20m/s附近起，傳感器的輸出飽和，不能進行高流速的探測。這是源于加熱器2與溫度傳感器3U、3D的熱耦合度低所致。
作為提高加熱器2與溫度傳感器3U、3D的熱耦合度的結構，本申請人提出了特開平4-74672號公報(申請1)與特開平6-68451號公報(申請2)中所示的流速傳感器。申請1通過于隔膜上重疊地形成加熱器與溫度傳感器來提高熱耦合度，而能探測高流速。申請人通過以金屬層被覆并列地設于隔膜之上的加熱器與溫度傳感器來提高熱耦合度，可以探測高流速。
但在先申請1與2中，雖然通過提高加熱器與溫度傳感器的熱耦合度雖可探測高流速，但是有制造困難和不易工業化生產的問題。
例如在先申請1中，首先于第1工序中在隔膜的表面上形成加熱器的圖形。隨后在形成的加熱器上形成絕緣膜(第2工序)，再于絕緣膜上形成溫度傳感器的圖形(第3工序)。在此情形下，于第1工序結束時，若從微觀觀點考慮，加熱器結構于隔膜平面上成為突出的形狀。一般地說，在這樣的凹凸面上于后一工序中再來形成結構是困難的，因而難以工業化生產。在前述的第2工序中，則難以確切地保證加熱器與溫度傳感器能可靠地電絕緣，而難以實現大規模生產。
再有，如先申請1所述在加熱器上形成溫度傳感器的情形，或如申請2所述在加熱器與溫度傳感器上面用金屬層被覆的情形，由于各層膜有不同的熱膨脹系數，就會成為產生機械應變的狀態。這種機械應變會影響溫度傳感器的電阻值(溫度傳感器將如應變計那樣波動)，結果將加大流速探測值的誤差，特別是在工業化生產中將加大制品的特性偏差，也就難以進行工業化生產。
為了解決上述問題，本發明的流速探測器按梳齒狀的凹凸方向與被測流體的流向大致平行的方式來設置熱敏電阻體。
根據本發明，來自加熱器的熱首先加熱成為梳齒狀的熱敏電阻體的曲柄形連接部，再沿熱敏電阻體的曲柄形，按照與被測流體的流向大致平行的方向傳遞給直線部。
圖1為本發明的流速探測器一實施例的斜視圖。
圖2為沿被測流體的流向從橫向觀察本發明的流速探測器的隔膜部中央部分的放大剖面圖。
圖3為本發明的流速探測器隔膜部的平面圖。
圖4示明本發明的流速探測器的隔膜部上溫度傳感器與加熱器的圖形布置的變形例。
圖5示明本發明的流速探測器的隔膜部上溫度傳感器與加熱器的圖形布置的變形例。
圖6示明本發明的流速探測器的隔膜部上溫度傳感器與加熱器的圖形布置的變形例。
圖7示明本發明的流速探測器的隔膜部上溫度傳感器與加熱器的圖形布置的變形例。
圖8示明本發明的流速探測器的隔膜部上溫度傳感器與加熱器的圖形布置的變形例。
圖9示明本發明的流速探測器的隔膜部上溫度傳感器與加熱器的圖形布置的變形例。
圖10示明本發明的流速探測器的隔膜部上溫度傳感器與加熱器的圖形布置的變形例。
圖11示明傳統的與本發明的流速探測器的流速-傳感器輸出特性的比較。
圖12是傳統的流速探測器的隔膜部的平面圖。
圖13是示明傳統的流速探測器的概略剖面結構的側視剖面圖。
下面參照
本發明的實施例。
圖1是本發明的流速探測器一實施例的斜視圖。圖2為沿被測流體的流向從橫向觀察圖1的流速探測器隔膜部的中央部的放大剖面圖。圖1和2中與圖12和13中相同的標號表示同一結構部件，在此略去其說明。
本實施例中，上游溫度傳感器3U1與下游溫度傳感器3D1置于加熱器2-1的兩側，同時將各溫度傳感器3U1、3D1的梳齒狀的凹凸方向設置成與被測流體的流向大致平行。各溫度傳感器3U1、3D1描摹梳齒的輪廓，將許多平行的曲柄狀來回連接而成為鋸齒形。以后將這種形狀稱作梳齒形狀。于是，各溫度傳感器3U1、3D1布置成，使曲柄狀的相對配置的長的平行部分即梳齒的延伸方向與被測流體的流向平行。此外，曲柄狀的相互平行的長部在實質上都是等長的，與長部正交而將相鄰的長部連接的短部一致地設于同一直線。換言之，各溫度傳感器3U1、3D1以梳齒的連接方向作為節距方向，而設置成使此節距方向與被測流體的流向正交。
圖1中的標號6是形成于基座1端部中的周圍溫度傳感器(熱敏電阻體)。在隔膜部1-1的下側，與圖13所示傳統的流速探測器相同，形成空間1-2。至于上述各溫度傳感器3U1、3D1的圖形布置以外的結構(構造、材料、制造方法、信號處理方法)，由于已在前述的特公平4-74672號公報與特開平6-68451號公報以及特開昭61-88532號公報等中公開，在此略去其詳細說明。
本實施形式的流速探測器中，由于金屬組成的各溫度傳感器3U、3D的熱導率遠大于絕緣體組成的隔膜部1-1的熱導率，因而傳熱狀態在很大程度上取決于各溫度傳感器3U、3D的圖案形狀。于是，來自加熱器2-1的熱將取梳齒狀的各溫度傳感器3U1、3D1的曲柄狀的連接部J(參看圖3)加熱，再沿連接部J的曲柄狀朝向與被測流體流向大致平行的方向傳遞給直線部S。由此，加熱器2-1產生的熱對于各溫度傳感器3U1、3D1的離加熱器2-1很遠的部分也能有效地傳熱。這樣，本實施例的流速探測器提高了加熱器2-1與各溫度傳感器3U1、3D1的熱耦合度，能夠探測高流速。這里的加熱器2-1以及各溫度傳感器3U1、3D1的曲柄狀連接部J最好布置得盡可能地接近。
如上所述，根據本實施例，由于加熱器2-1對各溫度傳感器3U1、3D1的供熱量增大，兩者的熱耦合度加大，因而即使被測流體的流速加快，各溫度傳感器3U1、3D1的溫度也難以飽和而能探測高流速。這特別能有效地解決上游溫度傳感器3U1的溫度飽和問題。此外，對各溫度傳感器3U1、3D1的供熱量增大，對應于此增大部分，加熱器2-1的耗電量也會增加。圖11示明了這種情形下的流速傳感器輸出特性，作為特性曲線Ⅱ。傳統情形下的特性曲線Ⅰ是在20m/s附近使傳感器的輸出飽和，與之相反，本實施例的特性曲線Ⅱ中即使超過20m/s時，傳感器的輸出也能根據流速而變化，可知能夠探測高流速的。
再有，在圖12所示的傳統的各溫度傳感器3U0、3D0的圖形布置中，加熱器2-1的熱不是從形成梳齒狀的各溫度傳感器3U0、3D0的曲柄狀連接部J，而是朝與被測流體流向大致垂直的方向傳遞給與加熱器2-1接近處的直線部S，流向隔膜部1-1而朝向垂直方向端部，使熱逸散，這樣就不能有效地將熱傳給各溫度傳感器3U0、3D0的離加熱器遠的那些部分。相反，本實施例中的加熱器2-1的熱能有效地傳至各溫度傳感器3U1、3D1的遠離加熱器2-1的部分，提高了加熱器2-1與各溫度傳感器3U1、3D1的熱耦合度，而能探測高流速。
圖4～10中示明圖形布置的變形例。圖5中，將加熱器2-2布置成使其梳齒狀的凹凸方向與被測流體的流向A大致平行。圖6中則對加熱器2-3與各溫度傳感器3U3、3D3布置成，使它們的梳齒狀中凹凸的一部分彼此成組，相互嚙合。
圖7中將加熱器2-4與各溫度傳感器3U3、3D3布置成，使它們的梳齒狀中凹凸的一部分彼此相互嚙合。另一方面使加熱器2-4的梳齒狀嚙合到各溫度傳感器3U3、3D3的凸部2-4a朝被測流體的流向增寬，不讓加熱器2-4的電阻值太大。若是加熱器的電阻過大，當驅動電壓不高，就不會流過所需的電流，因而在圖7中采用了上述結構。
圖8中，將加熱器2-5的一部分延長，圍繞各溫度傳感器3U4、3D4的三個方面設置。圖9中，將加熱器2-6的一部分延長，圍繞各溫度傳感器3U4、3D4的四個方面設置。圖10中，將加熱器2-5的一部分延長，除圍繞各溫度傳感器3U5、3D5的三方設置外，同時將各溫度傳感器3U5、3D5的信號導出部設置到離加熱器2-5的最遠位置處(L1=L2)。
此外，在圖4～6中，也把各溫度傳感器3U、3D的信號導出部設于距離加熱器2最遠的位置處。這樣，由于將各溫度傳感器3U、3D的信號導出部設置到距加熱器2的最遠處，就可最大限度地減少通過各溫度傳感器3U、3D的信號導出部逸散到隔膜部1-1外側的基座1的熱量。由于根據熱導率移動的熱量與溫差成正比，各溫度傳感器3U、3D的信號導出部使得比起基本在環境溫度下的基座1與加熱器附近高溫部的聯系情形，此基座1與遠離加熱器1的低溫部相聯系的結果使得溫度差減小而可以減少熱的逸散。
根據圖5設定的圖形布置，在與前述各溫度傳感器3U1、3D1相同的原理下，加熱器2-2的熱導率高，能夠提高加熱器2-2與高溫度傳感器3U2、3D2的熱耦合度。
根據圖6～10所取的圖形布置，加熱器2與各溫度傳感器3U、3D相接近的面積增大，可以提高加熱器2對各溫度傳感器3U、3D的熱導率，而能提高加熱器2與各溫度傳感器3U、3D的熱耦合度。
將配置有圖6中圖形時的流速傳感器輸出特性曲線作為圖11中的特性曲線Ⅲ，同時將配置有圖6中圖形時的流速傳感器輸出特性曲線作為圖11中的特性曲線Ⅳ，供參考之用。如圖11所示，特性曲線Ⅳ與特性曲線Ⅱ相比而特性曲線Ⅳ與特性曲線Ⅲ相比，都提高了在高流速下的敏感度(曲線的傾度)。
再有，在圖3～10中，雖然使得各溫度傳感器3U、3D的圖形寬度比加熱器2的圖形寬度窄，但也可使這兩者的圖形寬度相同，或也可使加熱器2的圖形寬度比各溫度傳感器3V、3D的圖形寬度窄。在前述的實施例中，加熱器2的圖形寬度由于與各溫度傳感器3U、3D相比能通過更多的電流而能拓廣可靠性，而各溫度傳感器3U、3D的力寬度則為了盡可能地提高敏感度，加大電阻值而變窄。此外，在圖1～10的所有實施例中，最好使加熱器2與各溫度傳感器3U、3D配置到盡可能接近。
為了探測高流速，雖可考慮增大各溫度傳感器3U、3D的厚度，以在提高熱導率的同時加大熱容量，但加厚的結果也加大了電力消耗，同時也使響應速度變慢。與此相反，根據本實施例，由于能不增大各溫度傳感器3U、3D的厚度來提高熱導率，就不需額外耗電，也不會減慢反應速度。此外，根據本實施例，由于只是改變了各溫度傳感器3U、3D或各溫度傳感器3U、3D與加熱器2的圖形配置，因而不會導致難以進行工業化生產。
由以上所述可知，根據本發明，來自加熱器的熱使得取梳齒狀熱敏電阻體的曲柄形連接部首先加熱，然后沿熱敏電阻體的曲柄形朝與被測流體流向大致平行的方向傳遞給直線部故能不給大規模生產帶來困難，而且能提高發熱體與熱敏電阻體的熱耦合度，故可進行高流速的探測。
權利要求
1．一種流速探測器，它具有在基座的一部分中設有空間形成薄壁狀的隔膜部、在此隔膜部中形成的發熱體以及在此發熱體兩側形成的熱敏電阻體，其特征在于，上述熱敏電阻體成連接多個曲柄狀的梳齒形，將此熱敏電阻體布置成，使上述梳齒形的凹凸方向大致平行于被測流體的流向。
2．根據權利要求1所述的流速探測器，其特征在于，所述發熱體成連接多個曲柄狀的梳齒形，且此發熱體布置成，使該梳齒形的凹凸方向大致平行于被測流體的流向。
3．根據權利要求2所述的流速探測器，其特征在于，所述熱敏電阻體與所述發熱體二者梳齒形的凹凸部配置成至少有一部分相互嚙合。
4．根據權利要求3所述的流速探測器，其特征在于，所述發熱體的梳齒形中嚙合到前述發熱體中的凸部在朝向此被測流體流向上增寬。
5．根據權利要求1所述的流速探測器，其特征在于，所述發熱體延長成包圍至少一部分所述熱敏電阻體的周圍。
6．根據權利要求2所述的流速探測器，其特征在于，所述發熱體延長成包圍至少一部分所述熱敏電阻體的周圍。
7．根據權利要求3所述的流速探測器，其特征在于，所述發熱體延長成包圍至少一部分所述熱敏電阻體的周圍。
8．根據權利要求4所述的流速探測器，其特征在于，所述發熱體延長成包圍至少一部分所述熱敏電阻體的周圍。
9．根據權利要求1所述的流速探測器，其特征在于，所述熱敏電阻體的信號導出部設置在離開前述發熱體最遠的位置處。
10．根據權利要求1所述的流速探測器，其特征在于，所述熱敏電阻體的曲柄狀中相互平行的長部實質上都是等長的，而與上述長部的端部正交且將相鄰長部連接起的短部則準直地配置于同一直線上。
全文摘要
將上游溫度傳感器3U1與下游溫度傳感器3D1設于加熱器2－1的兩側，將加熱器2－1的梳齒形的凹凸方向布置成與被測流體的流向A大致平行。此時，加熱器2－1的熱首先加熱或梳齒形的、各溫度傳感器3U1、3D1的曲柄狀連接部J，然后沿此曲柄形朝大致平行于被測流體的流向傳遞給直線部S。
文檔編號G01F1/684GK1318147SQ00801406
公開日2001年10月17日 申請日期2000年6月14日 優先權日1999年6月14日
發明者圖師信彥, 上運天昭司 申請人:株式會社山武
專業數控銑床產品供應商
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