JP3044582B2 - ガスレートセンサ - Google Patents
ガスレートセンサInfo
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- JP3044582B2 JP3044582B2 JP24015491A JP24015491A JP3044582B2 JP 3044582 B2 JP3044582 B2 JP 3044582B2 JP 24015491 A JP24015491 A JP 24015491A JP 24015491 A JP24015491 A JP 24015491A JP 3044582 B2 JP3044582 B2 JP 3044582B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、センサ本体に角速度が
作用したときのセンサ内部におけるガス流の偏向にもと
づいて角速度を検出するガスレートセンサに関する。
作用したときのセンサ内部におけるガス流の偏向にもと
づいて角速度を検出するガスレートセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】この種のガスレートセンサにあっては、
角速度を精度良く検出することができるように、ガスを
ポンプによりノズル孔からガス通路内に層流としてその
ガス通路内に設けられたヒートワイヤ対に向かってまっ
すぐに噴出させる必要があり、そのため従来のガスレー
トセンサ（特公昭６４−４６２３号公報参照）では、比
較的サイズの大きなガス通路内において安定した層流を
得ることができるように、動粘度の高いヘリウム（Ｈ
ｅ）などのガスを使用するようにしている。
角速度を精度良く検出することができるように、ガスを
ポンプによりノズル孔からガス通路内に層流としてその
ガス通路内に設けられたヒートワイヤ対に向かってまっ
すぐに噴出させる必要があり、そのため従来のガスレー
トセンサ（特公昭６４−４６２３号公報参照）では、比
較的サイズの大きなガス通路内において安定した層流を
得ることができるように、動粘度の高いヘリウム（Ｈ
ｅ）などのガスを使用するようにしている。
【０００３】動粘度の高いＨｅガスなどにあっては一般
に熱伝達率が大きいが、従来では、ヒートワイヤとして
タングステンなどの裸線がそのまま用いられているの
で、熱伝達率の大きなガスを用いても必要なレート感度
すなわちガス流の偏向に応じたヒートワイヤ対の各抵抗
値の変化の度合が得られている。
に熱伝達率が大きいが、従来では、ヒートワイヤとして
タングステンなどの裸線がそのまま用いられているの
で、熱伝達率の大きなガスを用いても必要なレート感度
すなわちガス流の偏向に応じたヒートワイヤ対の各抵抗
値の変化の度合が得られている。
【０００４】また、最近、ＩＣ製造技術を利用したマイ
クロマシニング加工により、半導体基板をエッチングす
ることによってノズル孔およびガス通路を形成するとと
もに、ガス通路内に形成されたブリッジ部の面上にヒー
トワイヤの材料となる白金などを蒸着し、それをエッチ
ングするなどしてガス通路内にヒートワイヤ対をパター
ン形成した半導体ガスレートセンサが開発されている
（特開平３−２９８５８号公報参照）。
クロマシニング加工により、半導体基板をエッチングす
ることによってノズル孔およびガス通路を形成するとと
もに、ガス通路内に形成されたブリッジ部の面上にヒー
トワイヤの材料となる白金などを蒸着し、それをエッチ
ングするなどしてガス通路内にヒートワイヤ対をパター
ン形成した半導体ガスレートセンサが開発されている
（特開平３−２９８５８号公報参照）。
【０００５】しかして、このような半導体ガスレートセ
ンサでは、普通、平面的にパターン形成されたヒートワ
イヤの部分をＳｉＮなどの保護膜により覆って保護する
ようにしていることもあって、Ｈｅなどの熱伝達率の大
きなガスを使用すると、加熱されているヒートワイヤの
表面温度が下がりすぎて、必要なレート感度が得難くな
ってしまい、また、ヒートワイヤ部分に生ずるガスの対
流（図４中点線で示すガスの流れ）によってもヒートワ
イヤの表面温度が大きく低下して、その分検出誤差とな
って角速度の検出精度が悪くなってしまう。
ンサでは、普通、平面的にパターン形成されたヒートワ
イヤの部分をＳｉＮなどの保護膜により覆って保護する
ようにしていることもあって、Ｈｅなどの熱伝達率の大
きなガスを使用すると、加熱されているヒートワイヤの
表面温度が下がりすぎて、必要なレート感度が得難くな
ってしまい、また、ヒートワイヤ部分に生ずるガスの対
流（図４中点線で示すガスの流れ）によってもヒートワ
イヤの表面温度が大きく低下して、その分検出誤差とな
って角速度の検出精度が悪くなってしまう。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】解決しようとする問題
点は、半導体ガスレートセンサにおいて、Ｎｅなどの熱
伝達率の大きなガスを使用すると、必要なレート感度が
得難くなってしまい、また角速度の検出精度が低下して
しまうことである。
点は、半導体ガスレートセンサにおいて、Ｎｅなどの熱
伝達率の大きなガスを使用すると、必要なレート感度が
得難くなってしまい、また角速度の検出精度が低下して
しまうことである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、半導体ガスレ
ートセンサにおいて、熱伝達率の小さなガスを使用する
ことにより、必要なレート感度が得られ、かつヒートワ
イヤ部分に生ずるガスの対流による影響を受けることな
く、しかも動粘度が低いながらも安定した層流を得て、
角速度を精度良く検出するという目的を達成した。
ートセンサにおいて、熱伝達率の小さなガスを使用する
ことにより、必要なレート感度が得られ、かつヒートワ
イヤ部分に生ずるガスの対流による影響を受けることな
く、しかも動粘度が低いながらも安定した層流を得て、
角速度を精度良く検出するという目的を達成した。
【０００８】
【作用】本発明によれば、ヒートワイヤ対に向かって噴
出されるガス流におけるガスの熱伝達率が小さいので、
ヒートワイヤの表面温度が下がりすぎるようなことがな
く、またヒートワイヤ部分に生ずるガスの対流によるヒ
ートワイヤの表面温度の低下の程度が問題ではなくな
り、また、動粘度の低いガスを使用しても、半導体ガス
レートセンサではそのガス通路のサイズが非常に小さ
く、またガスの流速が小さくて安定した層流が得られ
る。
出されるガス流におけるガスの熱伝達率が小さいので、
ヒートワイヤの表面温度が下がりすぎるようなことがな
く、またヒートワイヤ部分に生ずるガスの対流によるヒ
ートワイヤの表面温度の低下の程度が問題ではなくな
り、また、動粘度の低いガスを使用しても、半導体ガス
レートセンサではそのガス通路のサイズが非常に小さ
く、またガスの流速が小さくて安定した層流が得られ
る。
【０００９】
【実施例】図１ないし図３に、半導体ガスレートセンサ
におけるセンサ本体の一構成例を示している。
におけるセンサ本体の一構成例を示している。
【００１０】ここでは、半導体基板にノズル孔３を形成
する半孔３１とそれにつながるガス通路４を形成する半
溝４１とがエッチングによって形成された下側半導体基
板１と上側半導体基板２とを、それぞれの半孔３１およ
び半溝４１をつき合せるように重ねて、両者を接着させ
ることによってノズル孔３およびガス通路４が形成され
ている。
する半孔３１とそれにつながるガス通路４を形成する半
溝４１とがエッチングによって形成された下側半導体基
板１と上側半導体基板２とを、それぞれの半孔３１およ
び半溝４１をつき合せるように重ねて、両者を接着させ
ることによってノズル孔３およびガス通路４が形成され
ている。
【００１１】また、下側半導体基板１をエッチングして
ガス通路４にかかるブリッジ部６が形成され、そのブリ
ッジ部６の上面に一対のヒートワイヤ５１，５２がパタ
ーン形成されており、その両側には電極部７が形成され
ている。
ガス通路４にかかるブリッジ部６が形成され、そのブリ
ッジ部６の上面に一対のヒートワイヤ５１，５２がパタ
ーン形成されており、その両側には電極部７が形成され
ている。
【００１２】そのパターン形成された各ヒートワイヤ５
１，５２は、その強度保持、製造工程時の保護、高温時
での劣化防止およびガス吸着防止などの理由から、Ｓｉ
Ｎなどの保護膜によって覆われている。
１，５２は、その強度保持、製造工程時の保護、高温時
での劣化防止およびガス吸着防止などの理由から、Ｓｉ
Ｎなどの保護膜によって覆われている。
【００１３】しかして、このように構成されたセンサ本
体をガスが密封されたハウジング内に設置して、センサ
本体側に設けたマイクロポンプ（図示せず）を駆動する
ことにより、センサ本体のノズル孔３からガス通路４内
にガスが層流として噴出され、センサ本体に角速度が作
用したときのガス流の偏向の向きおよびその偏向の程度
が一対のヒートワイヤ５１，５２における出力差によっ
て検出される。
体をガスが密封されたハウジング内に設置して、センサ
本体側に設けたマイクロポンプ（図示せず）を駆動する
ことにより、センサ本体のノズル孔３からガス通路４内
にガスが層流として噴出され、センサ本体に角速度が作
用したときのガス流の偏向の向きおよびその偏向の程度
が一対のヒートワイヤ５１，５２における出力差によっ
て検出される。
【００１４】本発明では、このような半導体ガスレート
センサにあって、使用ガスとして、窒素（Ｎ２）または
アルゴン（Ａｒ）などの熱伝達率の小さなガスを使用し
たことを特徴としている。
センサにあって、使用ガスとして、窒素（Ｎ２）または
アルゴン（Ａｒ）などの熱伝達率の小さなガスを使用し
たことを特徴としている。
【００１５】一般に、加熱されたヒートワイヤからガス
中への放熱の効率はガスの熱伝達率とヒートワイヤの表
面温度によって決定される。
中への放熱の効率はガスの熱伝達率とヒートワイヤの表
面温度によって決定される。
【００１６】したがって、ヒートワイヤが保護膜によっ
て覆われてヒートワイヤの表面温度が高くなっている場
合、従来のＨｅのような熱伝達率の大きなガスを使用す
ると、その表面温度が下がりすぎて必要な感度が得難く
なってしまうとともに、ヒートワイヤ部分に生ずるガス
の対流によっても表面温度が顕著に低下してしまい、そ
の分検出誤差となって角速度の検出精度が悪くなってし
まう。
て覆われてヒートワイヤの表面温度が高くなっている場
合、従来のＨｅのような熱伝達率の大きなガスを使用す
ると、その表面温度が下がりすぎて必要な感度が得難く
なってしまうとともに、ヒートワイヤ部分に生ずるガス
の対流によっても表面温度が顕著に低下してしまい、そ
の分検出誤差となって角速度の検出精度が悪くなってし
まう。
【００１７】図４はガス通路４内におけるガスの流れを
示しておリ、ヒートワイヤ５の部分で図中点線で示すよ
うな対流が生じてしまう。
示しておリ、ヒートワイヤ５の部分で図中点線で示すよ
うな対流が生じてしまう。
【００１８】しかし、本発明の場合のように、Ｎ２，Ａ
ｒなどのような熱伝達率の小さなガスを使用すると、そ
の表面温度が下がりすぎるようなことがなくなり、充分
必要なレート感度が得られ、またヒートワイヤ部分に生
ずる対流によって表面温度が低下する程度が問題ではな
くなり、検出誤差がなくなる。
ｒなどのような熱伝達率の小さなガスを使用すると、そ
の表面温度が下がりすぎるようなことがなくなり、充分
必要なレート感度が得られ、またヒートワイヤ部分に生
ずる対流によって表面温度が低下する程度が問題ではな
くなり、検出誤差がなくなる。
【００１９】ちなみに、Ｈｅガスの熱伝達率としては
０．１４２〔Ｗ／ｍ・Ｋ］程度であり、Ｎ２ガスの熱伝
達率としては０．０２４〔Ｗ／ｍ・Ｋ］程度であり、Ａ
ｒガスの熱伝達率としては０．０１６〔Ｗ／ｍ・Ｋ］程
度である。
０．１４２〔Ｗ／ｍ・Ｋ］程度であり、Ｎ２ガスの熱伝
達率としては０．０２４〔Ｗ／ｍ・Ｋ］程度であり、Ａ
ｒガスの熱伝達率としては０．０１６〔Ｗ／ｍ・Ｋ］程
度である。
【００２０】図５は、２００℃に加熱したヒートワイヤ
にＮ２ガスとＨｅガスとをそれぞれ流量を変えながらふ
きつけたときのヒートワイヤにおける抵抗値の変化を示
している。
にＮ２ガスとＨｅガスとをそれぞれ流量を変えながらふ
きつけたときのヒートワイヤにおける抵抗値の変化を示
している。
【００２１】Ｎ２ガスの場合にはほぼ１０〜１００ｃｃ
／ｍｉｎにもわたる広範囲な流量域で大きなレート感度
が得られるが、Ｈｅガスの場合には約５ｃｃ／ｍｉｎ以
下の低流量域で多少の感度を示すにすぎない。すなわ
ち、半導体ガスレートセンサにあっては、熱伝達率の小
さなＮ２ガスの方がレート感度の面で有利となってい
る。
／ｍｉｎにもわたる広範囲な流量域で大きなレート感度
が得られるが、Ｈｅガスの場合には約５ｃｃ／ｍｉｎ以
下の低流量域で多少の感度を示すにすぎない。すなわ
ち、半導体ガスレートセンサにあっては、熱伝達率の小
さなＮ２ガスの方がレート感度の面で有利となってい
る。
【００２２】また、図６にＮ２ガスを流量３０ｃｃ／ｍ
ｉｎで半導体ガスレートセンサにおけるガス通路に流し
たときの流速の変化に対するヒートワイヤの抵抗値の変
化量の特性を、同じく図７にＨｅガスを用いたときの流
速の変化に対するヒートワイヤの抵抗値の変化量の特性
をそれぞれ示している。
ｉｎで半導体ガスレートセンサにおけるガス通路に流し
たときの流速の変化に対するヒートワイヤの抵抗値の変
化量の特性を、同じく図７にＨｅガスを用いたときの流
速の変化に対するヒートワイヤの抵抗値の変化量の特性
をそれぞれ示している。
【００２３】Ｈｅガスの場合には大流量を流してもヒー
トワイヤの小さな抵抗値の変化しか得られずに流速分布
が正確に得られないが、Ｎ２ガスの場合には流量の変化
に対してヒートワイヤの大きな抵抗値の変化を示して、
ヒートワイヤの抵抗値Ｒに対するその抵抗値の変化（△
Ｒｍａｘ−△Ｒｍｉｎ）の割合がほぼ２０％にもなり、
理論と一致する正確な流速分布が得られる。
トワイヤの小さな抵抗値の変化しか得られずに流速分布
が正確に得られないが、Ｎ２ガスの場合には流量の変化
に対してヒートワイヤの大きな抵抗値の変化を示して、
ヒートワイヤの抵抗値Ｒに対するその抵抗値の変化（△
Ｒｍａｘ−△Ｒｍｉｎ）の割合がほぼ２０％にもなり、
理論と一致する正確な流速分布が得られる。
【００２４】ガスレートセンサにあってはガスの流速分
布の横方向の変化量を計測するものであるので、センサ
本体に作用する角速度を精度良く検出するにはガスの正
確な流速分布を得ることが重要であり、この点でも熱伝
達率の小さなＮ２ガスの優位性が示される。
布の横方向の変化量を計測するものであるので、センサ
本体に作用する角速度を精度良く検出するにはガスの正
確な流速分布を得ることが重要であり、この点でも熱伝
達率の小さなＮ２ガスの優位性が示される。
【００２５】さらに、軽いガスほど熱伝達率が大きく、
熱伝達率の小さなＮ２などのガスは分子量が大きくて重
いので、ヒートワイヤ部分で生ずる対流が少なくなり、
対流によってヒートワイヤの表面温度が低下する程度が
ほとんど問題にならなくなる。
熱伝達率の小さなＮ２などのガスは分子量が大きくて重
いので、ヒートワイヤ部分で生ずる対流が少なくなり、
対流によってヒートワイヤの表面温度が低下する程度が
ほとんど問題にならなくなる。
【００２６】また、Ｎ２またはＡｒなどの熱伝達率の小
さなガスにあっては動粘度が低くて、従来のガスレート
センサではガス通路が大きく、かつガスの流速が大きい
ために安定した層流が得られないが、半導体ガスレート
センサではそのガス通路が非常に小さく、かつガスの流
速が小さいために使用ガスの動粘度が低くても充分安定
した層流が得られる。
さなガスにあっては動粘度が低くて、従来のガスレート
センサではガス通路が大きく、かつガスの流速が大きい
ために安定した層流が得られないが、半導体ガスレート
センサではそのガス通路が非常に小さく、かつガスの流
速が小さいために使用ガスの動粘度が低くても充分安定
した層流が得られる。
【００２７】図４に示すように、ガス通路４内における
ガスの流速をｖ，ガスの動粘度係数をν，ガス通路４の
寸法をｌとしたとき、レイノルズ数Ｒｅ＝ｖ・ｌ／νが
１０００以下の値で安定した層流が得られる。
ガスの流速をｖ，ガスの動粘度係数をν，ガス通路４の
寸法をｌとしたとき、レイノルズ数Ｒｅ＝ｖ・ｌ／νが
１０００以下の値で安定した層流が得られる。
【００２８】Ｎ２ガスの動粘度係数νとしてはν＝１．
４×１０ −５ ｍ２／ｓ程度であり、Ｈｅガスの動粘度係
数νとしてはν＝１．１×１０ −４ ｍ２／ｓ程度であ
る。
４×１０ −５ ｍ２／ｓ程度であり、Ｈｅガスの動粘度係
数νとしてはν＝１．１×１０ −４ ｍ２／ｓ程度であ
る。
【００２９】いま、例えば、従来のガスレートセンサに
おいて、ｌ＝１ｍｍ，ｖ＝１００ｍ／ｓｅｃのとき、レ
イノルズ数ＲｅはＲｅ＝１０ −１ ／νとなり、その場
合、Ｈｅガスであればレイノルズ数Ｒｅが１０００以下
となって層流となり、Ｎ２ガスであればレイノルズ数Ｒ
ｅが１０００以上となって乱流となる。
おいて、ｌ＝１ｍｍ，ｖ＝１００ｍ／ｓｅｃのとき、レ
イノルズ数ＲｅはＲｅ＝１０ −１ ／νとなり、その場
合、Ｈｅガスであればレイノルズ数Ｒｅが１０００以下
となって層流となり、Ｎ２ガスであればレイノルズ数Ｒ
ｅが１０００以上となって乱流となる。
【００３０】また、例えば、半導体ガスレートセンサに
おいて、ｌ＝１００μｍ，ｖ＝１０ｍ／ｓｅｃのとき、
レイノルズ数ＲｅはＲｅ＝１０ −３ ／νとなり、その場
合、ＨｅガスおよびＮ２ガスの何れにあってもレイノル
ズ数Ｒｅが１０００以下となって層流となる。
おいて、ｌ＝１００μｍ，ｖ＝１０ｍ／ｓｅｃのとき、
レイノルズ数ＲｅはＲｅ＝１０ −３ ／νとなり、その場
合、ＨｅガスおよびＮ２ガスの何れにあってもレイノル
ズ数Ｒｅが１０００以下となって層流となる。
【００３１】なお、熱伝達率の小さなガスを使用するこ
とは、半導体ガスレートセンサの場合に限らず、ガスの
流量変化または流速変化を検出するセンサ一般において
広く適用される。
とは、半導体ガスレートセンサの場合に限らず、ガスの
流量変化または流速変化を検出するセンサ一般において
広く適用される。
【００３２】
【発明の効果】以上、本発明による半導体ガスレートセ
ンサにあっては、熱伝達率の小さな窒素またはアルゴン
によるガスを使用することにより、ヒートワイヤの表面
温度が下がりすぎるようなことなく必要なレート感度を
得ることができ、がつヒートワイヤ部分に生ずるガスの
対流による影響を受けることなく、しかも動粘度が低い
ながらも安定した層流を得て、角速度を精度良く検出す
ることができるという利点を有している。
ンサにあっては、熱伝達率の小さな窒素またはアルゴン
によるガスを使用することにより、ヒートワイヤの表面
温度が下がりすぎるようなことなく必要なレート感度を
得ることができ、がつヒートワイヤ部分に生ずるガスの
対流による影響を受けることなく、しかも動粘度が低い
ながらも安定した層流を得て、角速度を精度良く検出す
ることができるという利点を有している。
【図１】半導体ガスレートセンサにおけるセンサ本体の
斜視図である。
斜視図である。
【図２】半導体ガスレートセンサにおけるセンサ本体の
下側半導体基板の平面図である。
下側半導体基板の平面図である。
【図３】図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図４】ガス通路におけるガスの流れを示す図である。
【図５】ガス流量の変化に対するヒートワイヤ抵抗値の
特性図である。
特性図である。
【図６】Ｎ２ガスの流量変化に対するヒートワイヤ抵抗
の変化量を示す特性図である。
の変化量を示す特性図である。
【図７】Ｈｅガスの流量変化に対するヒートワイヤ抵抗
の変化量を示す特性図である。
の変化量を示す特性図である。
１ 下側半導体基板 ２ 上側半導体基板 ３ ノズル孔 ４ ガス通路 ５ ヒートワイヤ ５１ ヒートワイヤ ５２ ヒートワイヤ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 実開 平２−65165（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01P 9/00 G01C 19/00
Claims (1)
- 【請求項１】 ノズル孔からガス通路内に噴出されたガ
ス流に対して角速度が作用したときに生ずるガス流の偏
向にもとづいて、そのガス通路内に設けられた一対の感
熱抵抗素子からなるヒートワイヤに生じた出力差から角
速度を検出するガスレートセンサにおいて、半導体基板
のエッチングによるマイクロマシニング加工によってガ
ス通路を形成するとともに、窒素またはアルゴンによる
ガスを使用したことを特徴とするガスレートセンサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24015491A JP3044582B2 (ja) | 1991-06-14 | 1991-06-14 | ガスレートセンサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24015491A JP3044582B2 (ja) | 1991-06-14 | 1991-06-14 | ガスレートセンサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04369481A JPH04369481A (ja) | 1992-12-22 |
| JP3044582B2 true JP3044582B2 (ja) | 2000-05-22 |
Family
ID=17055301
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP24015491A Expired - Fee Related JP3044582B2 (ja) | 1991-06-14 | 1991-06-14 | ガスレートセンサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3044582B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003532881A (ja) * | 2000-05-08 | 2003-11-05 | マイクロブリッジ テクノロジーズ インコーポレイテッド | 絶対圧の時間的変動の測定を利用するガス流量センサ、スピーカシステム、およびマイクロホン |
-
1991
- 1991-06-14 JP JP24015491A patent/JP3044582B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04369481A (ja) | 1992-12-22 |
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Legal Events
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