JP3603447B2 - Flow measurement device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば電子制御燃料噴射装置を備えた自動車用エンジンにおいて吸入空気量の計測装置として用いるのに好適な流量測定装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、エンジン制御用の吸入空気量の計測装置に用いられるエアフローセンサとして、加熱した抵抗体を空気流にさらし、空気流の冷却効果による抵抗体の温度変化を抵抗変化として測定して空気流量を検出するものが知られている。
【0003】
これら熱式エアフローセンサには、加熱抵抗体として白金細線を用いるホットワイヤ式および白金等の薄膜抵抗を用いるホットフィルム式等があり、シリコン基板をエッチング等の微細加工によって薄膜化し、その上に白金等の薄膜抵抗を配置した半導体ホットフィルム式エアフローセンサも提案されている(特開平7−159215号参照)。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
近時、環境汚染の低減および省燃費を実現するリーンバーンエンジン等において、排気浄化用触媒容量の低減と、燃費と走りとを高次元でバランスさせたエンジン制御とを目指して、制御用センサの高機能化が重要な問題となっている。特に、精密な空燃比制御に要求される吸入空気量の高感度、高精度計測、および逆流検出の実現と、高過給エンジンに要求される空気流量計測のダイナミックレンジの拡大等のニーズが顕在化している。
【0005】
しかしながら、従来の熱式エアフローセンサは、検出部の熱容量を極力小さくした半導体ホットフィルム式のものにおいても、そのダイナミックレンジは十分とは言えないものであった。そのため、発熱体(ホットワイヤ、ホットフィルム)を200℃以上の高温にすることにより辛うじてクリアしているが、その場合、発熱体が高温になるためにその耐久性や信頼性の悪化が問題になっている。
【0006】
また、従来の熱式エアフローセンサでは、空気流の冷却効果による抵抗体の温度変化を抵抗変化として検出しているために、高感度とは言いがたく、抵抗体の大きな温度変化を必要とするという問題もある。
【0007】
さらに、センサ出力が、抵抗変化を電圧で読み取るアナログ信号であるため、エンジン制御用コンピュータへ入力する際に、A/Dコンバータを介在させなければならない。ところが、必要な計測領域を全域満たすような計測精度を得るには大きな分解ビット数を有するA/Dコンバータを必要とすることから、センサの計測レンジおよび精度が、A/Dコンバータの性能により制限を受けるという不都合がある。
【0008】
さらに、自動車のエンジン付近等の電気的な悪環境では、アナログ信号である出力信号が、電磁ノイズやグラウンドノイズ等により常に影響を受けるため、高精度の計測は望めなかった。
【0009】
上述の事情に鑑み、本発明は、極めて高感度でありながら、信頼性、耐久性に富み、かつA/Dコンバータを必要としない流量測定装置を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明による流量測定装置は、基板上に発熱体と両持ち梁を近接させて配設し、発熱体の熱によって両持ち梁に発生している熱応力が、流体の質量流量に応じた冷却効果による発熱体の温度変化によって変化するのを両持ち梁の機械的変化として検出するように構成されていることを特徴とするものである。
【0011】
この場合、上記両持ち梁がシリコン単結晶基板から一体に削出され、両端を支持端として上記シリコン単結晶基板に支持された構成とする。
【0012】
また、上記両持ち梁が、両持ち梁構造を有する振動体よりなり、上記両持ち梁の、それに加わる熱応力変化に起因する機械的変化を測定する手段が、上記振動体の共振周波数の変化を測定する手段よりなることが好ましい。
【0013】
上記振動体の厚さhおよび長さLと、該振動体に予め内在する長手方向の応力による歪みε0 と、上記発熱体の熱によって生じる圧縮歪みεheatとは、次式で表される関係にあることが好ましい。
【0014】
ε0 +εheat>(−π2 /3)h2 /L2
さらに、本発明による流量測定装置は、流体の冷却効果による発熱体の温度低下を補う手段を備え、該手段により、発熱体の温度がほぼ一定に保たれるように構成することもできる。
【0015】
その場合、発熱体近傍の基板温度の2次元分布が流体流量によって変化する基板上の位置に上記振動体が配置され、基板温度の2次元分布の変化に起因する振動体の共振周波数の変化の測定に基づいて流体の流量測定がなされる。
【0016】
また、上記基板上に振動体の複数が上記流体の流れの方向に沿って配設され、これら複数の振動体間の共振周波数変化の差異に基づいて流体の流量および流れの方向の測定がなされるように構成することができる。
【0017】
【発明の効果】
理論的に発熱体から奪われる熱量Qと質量流量Gとの関係は次式のようになる。
【0018】
Q=K√G ( Kは定数)
したがって、両持ち梁に作用する温度変化ΔTも次式のようになる。
【0019】
ΔT=K√G
両持ち梁に作用する熱応力は両持ち梁付近とそれ以外の基板部分の温度差によって発生する。その発生機構の概略を図1および図2に示す。図1は動かない壁に両端を固定された剛体棒を加熱すると、熱膨脹により棒が伸びようとするために、棒に圧縮応力が発生した状態を示す。また、図2は両持ち梁構造を有する振動体における加熱による応力発生状態を示し、図2(a)は振動子を直接的に加熱するタイプであり、図2(b)は振動子を間接的に加熱するタイプである。
【0020】
上記両持ち梁が、その両端の支持部を含めてシリコン単結晶基板からエッチング等により一体に削出された場合は、その内部応力はほとんどゼロとなり、この両持ち梁を振動体として用いた場合、センサ特性を容易に制御することができる。またシリコン単結晶は、半導体集積回路の基板材料として、極めて純度の高いものが容易に得られるから、機械的特性の揃ったかつ安定なものが得られ、振動体の共振特性の安定化に寄与することができる。
【0021】
振動体を構成する材料の熱膨脹係数をαとして、振動体と基板部分との温度差をTとすると、発生する応力σは次式のようになる。
【0022】
σ=εE=αTE (E:ヤング率,ε:発生歪み)
したがって、冷却効果による温度変化ΔTと熱応力変化σとの関係は次式のようになる。
【0023】
εheat=Kα√G
一方、発生歪みに対する振動体の共振周波数変化は次式で理論的に表される。
【0024】
【数1】
【0025】
ここで、
αn ,γn :振動の態様(モード)で決まる定数
L,h:振動体の長さ、厚さ
Ee :実効ヤング率=E/(1−ν2 )、νはポアソン比
I:振動体の断面2次モーメント
ρ:振動体材料の密度
A:振動体の断面積
また振動体に加わる歪みεは、振動体に予め残留している歪みε0 と熱応力 εheatの和で表される。
【0026】
ε=ε0 +εheat=ε0 +Kα√G
したがって、質量流量Gによる熱応力の変化分を考慮した振動体の共振周波数f0 は次式で表される。
【0027】
【数2】
【0028】
このように、計測する質量流量Gと振動体の共振周波数f0 との関係は1/4乗特性となる。この特性は、微小流量域では高感度(出力の傾きが大きい)で、大流量になるに伴って出力の傾きが低下して行くようなダイナミックレンジの広い理想に近い出力特性が得られることになる。
【0029】
振動体に加わる応力に対する共振周波数の特性は、図3に示すような1/2乗特性となる。図3において、振動体の初期状態として、残留応力がゼロの点を発熱体(ヒータ)の無加熱ポイントとする。振動体をセンサとして作動させるため、予め発熱体により振動体を加熱しておくと、周囲の冷たい基板との温度差により振動体にはこれを圧縮するように応力が加わり、共振周波数f0 が低下する。
【0030】
すなわち、所定の温度に加熱した振動体の共振周波数が、流量ゼロのときのセンサ出力となる。そして、これに空気流による冷却効果が加わると、振動体の温度が低下するため、圧縮応力が減少し、空気流量に応じて共振周波数が上昇する。
【0031】
図3から明らかなように、圧縮応力が増大すると、振動体の共振周波数がゼロになる点がある。この点を構造力学的に座屈点と言い、このときの応力を座屈応力と言う。フローセンサとして計測のダイナミックレンジの拡大と感度の向上のためには、座屈点により近い領域における応力対周波数特性を用いるのがよいが、加熱による圧縮応力が座屈点を越えると、振動体として機能しない。
【0032】
したがって、振動体をフローセンサとして機能させるための発熱体による加熱は、座屈点を越えない範囲で、かつ所望の感度およびダイナミックレンジが得られるように、なるべく圧縮応力の大きい側に設定する必要がある。
【0033】
振動体の座屈点はその振動体の寸法で決定されることが知られており(オイラーの座屈点)、これを座屈歪みεb で表すと、次式のようになる(h:振動体の厚さ、L:振動体の長さ)。
【0034】
εb =(−π2 /3)h2 /L2
したがって、振動体の厚さhおよび長さLと、振動体に予め残留する歪みε0 と、発熱体の熱によって生じる圧縮歪みεheatとが以下のような関係を満足するような設定となる。
【0035】
ε0 +εheat>(−π2 /3)h2 /L2
また、εheatを発熱体の加熱温度Tとの関係に直すと
εb +αT>(−π2 /3)h2 /L2
すなわち、本発明では、発熱体の加熱温度T、振動体の残留応力ε0 および振動体の寸法(h,L)が上式を満足させる関係にあることも特徴となっている。
【0036】
また、フローセンサとして振動体を用いた場合、出力が周波数出力となり、A/Dコンバータが不要となるから、センサの計測レンジおよび精度がA/Dコンバータの性能により制限を受けるという従来技術の問題点が解決される。そしてこの場合、センサ出力をエンジン制御用コンピュータのタイマカウンタポートに直接入力することができ、コンピュータの時間計測が高精度なこと相俟って、空気流量の高精度、高分解能計測が可能になる。また、センサ出力が周波数変調信号であるため、電磁ノイズやグラウンドノイズ等に影響されず、誤差の少ない信号伝送が実現できる。
【0037】
発熱体の近傍に配設された両持ち梁に加わる熱応力変化の計測は、必ずしも上記両持ち梁が振動体でなくても可能ではあるが、振動体は応力に対する検出感度が極めて高く、微妙な温度変化に対しても十分検出できるほどの周波数変化をもたらす。したがって、従来技術のように発熱体の温度を高温にしておく必要がなく、信頼性および耐久性が著しく向上する。
【0038】
また、振動体は、上述のように温度変化に敏感であるため、発熱体自身の空気流による直接の冷却効果だけでなく、振動体付近の熱分布の変化にも敏感に反応する。
【0039】
ところで、発熱体を有するセンサ構造体上における発熱体の周囲の2次元温度分布を温度等高線で表すと、図4(a)に示すように、発熱体を中心に左右対称になるが、発熱体の表面上を空気流が流れると、空気流の流量とともに流れの方向によって2次元温度分布が変化する。そこで、空気流による発熱体の温度低下をフィードバック制御によって補って、発熱体の温度を常に一定に保った状態にしておくと、図4(b)に示すように、発熱体の上流と下流とで熱分布に差異を生じる。
【0040】
したがって、このような熱分布が変化する部分に、温度変化を検出する振動体を配置することにより、発熱体と振動体とを配設したセンサ基板上における2次元的な熱分布の空気流による変化も検出できるエアフローセンサが実現できる。特に熱分布の変化は、質量流量のみでなく、流れの方向成分の情報を含んでいるから、流れの方向により温度に差異の発生する複数位置にそれぞれ振動体を配設することにより、流れの方向も検出可能なエアフローセンサが実現できる。図4(b)においては、発熱体に対し、空気流の上流側と下流側とに振動体を対称的に配設し、各振動体の出力周波数信号の差分を算出することにより、逆流も検出可能なエアフローセンサが実現され、自動車エンジンの高精度空燃比制御に貢献することができる。
【0041】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【0042】
図5は本発明による流量測定装置の第1の実施の形態を示す振動式エアフローセンサの斜視図、図6はその要部の拡大斜視図、図7は図6の VII−VII 線に沿った拡大断面図、図8は振動体の拡大断面図である。
【0043】
図5において、20はシリコン単結晶基板1からなるセンサ構造体で、基板1の上面1aは、例えば図7に示すように、シリコン単結晶のミラー指数で表される(100)面となっている。2はこのシリコン単結晶基板1からエッチング加工により一体に削出された両持ち梁構造を有する三角柱からなる振動体である。
【0044】
この振動体2の断面形状は、基板面1aである(100)面が二等辺三角形の底面になり、二等辺の部分はともに(111)面になっている。上記底面と二等辺とのなす角度は、結晶面から見て(100)面と(111)面との交わる角度である54.7度となっており、振動体2の長手方向は、基板面1a内での<110>方向に平行であり、振動体2はその両端を固定端としてシリコン単結晶基板1に支持され、両持ち梁構造を構成している。一例として、振動体2の寸法を以下に記す(図8参照)。
【0045】
振動体長さL: 1.6mm
振動体高さh: 20μm
振動体幅b : 28.3μm
基板面1a上には、白金の薄膜により形成された発熱体3,3が振動体2の各固定端近傍にそれぞれ配設されており、さらに、図6に示すように、振動体2の一方の固定端から振動体2の面上に延びる駆動用抵抗4と、振動体2の他方の固定端から振動体2の面上に延びる振動検出用抵抗(ピエゾ抵抗)5とが拡散抵抗により形成されている。
【0046】
シリコン単結晶基板1は、裏面からエッチング加工等によって深く掘られ、発熱体3,3や振動体2が配設されている部分はダイアフラム構造を有している。これは、少ない電力で発熱体の温度を上昇させるためと、センサの感度と応答性を向上させるために、熱容量を下げる必要があるからである。
【0047】
図9は、振動体2に振動を励起させ、かつその振動を検出する回路の一例を示す概略図である。図6に示すように、振動体2上には駆動用抵抗4が拡散により形成されており、この駆動用抵抗4に交番電流を供給して交番的に発熱させることによって、振動体2に交番応力をかけ振動を励起させる。振動体2上には検出用ピエゾ抵抗5が拡散により形成されているので、このピエゾ抵抗5が振動体2が振動により曲がることにより発生する応力を検出用抵抗5の抵抗変化ととして読み出せばよい。
【0048】
振動体2の自励発振は、振動の検出信号を駆動用抵抗4に正帰還させることにより発生させる。図9においては、検出用抵抗5を含むブリッジ回路6で検出した検出出力をプリアンプ7で増幅して得られた周波数出力を駆動用抵抗4に帰還させる正帰還ループに、増幅率を制御して駆動用抵抗4に供給される電力を一定にコントロールするAGCアンプ8を介在させて、正帰還による無限大発振を防止している。
【0049】
図10は、空気流の流量が0〜150g/sec の範囲において発熱体3,3の温度が約50℃変化すると仮定した場合の空気流の質量流量と振動体2の共振周波数特性を示すグラフである。図10から明らかなように、0〜150g/sec の流量範囲で共振周波数の変化範囲は23.3kHz 〜39.9kHz となる。この場合、エンジン制御用コンピュータ内のカウンタ/タイマ機能を用いて、1MHz の基準クロックと1msecの時間で周波数計測を行なう場合において、1.0g/sec の微小流領域から150g/sec まで±3%の精度分解能をもって計測することができる。このように、本実施の形態によれば、150倍のダイナミックレンジの領域を精度良く計測することが可能な高感度流量測定装置を得ることができる。
【0050】
図11は、図5〜図8に示す振動体2の製造方法の一例を説明する工程図である。
【0051】
工程1:先ず基板面が(100)面であるシリコンウエハ(シリコン単結晶基板)10を用意する。
【0052】
工程2:エッチングマスクにするためのシリコン酸化膜11をシリコンウエハ10の表面に付ける。ここでは、通常の半導体集積回路の製造工程で用いられる熱酸化による方法あるいはCVDによる膜形成法等を適用すればよい。なお、このエッチングマスクは、酸化膜に限定されるものでなく、窒化膜その他、強アルカリ溶液による後工程でのエッチングに対し十分な耐性を有する膜材料であればよい。
【0053】
工程3:振動体2の形状を決定するため、酸化膜11のパターニングを行なって、作成すべき振動体2の幅に等しい間隔を隔てて<110>方向に延びる互いに平行でかつ作成すべき振動体2の長さに等しい長さを有する一対の開口12,12を備えた酸化膜マスク13をシリコンウエハ10の表面に形成する。このパターニングは、フォトレジスト等を用いたフォトリソグラフィ工程の後、エッチング液としてフッ酸水溶液等を用いて行なう。
【0054】
工程4:酸化膜マスク13をエッチングマスクとして、シリコン基板に対して開口12,12を通じてエッチングを行なって、基板面に対してほぼ垂直な壁面を備えた互いに平行な一対の凹溝14,14を形成する。この場合のエッチングは、フッ素系のガスを用いたRIE(リアクティブ イオンエッチング)法を用いて行なう。
【0055】
工程5:同じ酸化膜マスク13をエッチングマスクとして、凹溝14,14に対してKOHやTMAH(テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド)等の強アルカリ溶液によってエッチングを行なう。
【0056】
このように、シリコン単結晶材料を上記のような特定の強アルカリ溶液によってエッチングを行なうと、シリコン単結晶の特定の結晶面によってエッチング速度が著しく異なる性質がある。例えばシリコン単結晶の(100)面や(110)面に対して(111)面のエッチングされる速度は非常に遅く、速度比で約100:1程度になる。このような性質から、この工程でのエッチングは、エッチング速度の速い(110)面を進行面としてその両端部に(111)面が残る状態で結晶異方性エッチングが進行して行く。
【0057】
工程6:最終的には振動体2となる部分の両側から(110)面を進行面として横方向にエッチングが進行して行き、両凹溝14,14間がそれらの底部において互いに連通し、振動体2となる部分の下方に空間15が形成されることによって、残った2つの(111)面と1つの(100)面とによって囲まれた三角柱からなる梁を得る。最終的に梁の上面を覆う酸化膜マスク13をエッチング等で除去すればよい。
【0058】
このような結晶異方性エッチングを実施すれば、エッチング後の形状がエッチング条件(温度や撹拌等)によらず高い精度で予測でき、加工が容易となる。
【0059】
このような製造工程によって得られた、1つの(100)面と、極めてエッチング速度が遅い2つの(111)面とで構成された三角柱からなる振動体2は、結晶面上の幾何学的特性から、その形状がほぼ決定される。すなわち、振動体2の幅bが酸化膜マスク13上のパターニングで決定されれば、三角柱断面における高さhは一義的に決まってしまう。
【0060】
h=tan(54.7°)・b/2
このことは、振動体2の幅bの加工精度を高めておけば、高さhの寸法精度が自動的に向上することを意味する。
【0061】
一般に、エッチングによって深さ方向の加工を行なう場合、その加工精度はエッチングの終点を判断するのが困難なためその寸法精度は悪い。たとえばRIE等でシリコンのエッチングを行なう場合でも、深さ寸法の加工の絶対値で±5%程度のばらつきが生じたり、加工の均一性においてもウエハ面内で±5%いないの精度を得るのに極めて複雑なエッチング装置を用いなければならない。一方、フォトリソグラフィによるパターニングで代表される面上での加工精度は、半導体集積回路の製造工程の進歩に見られるように極めて高精度な加工(絶対、相対加工精度で±1%以下)が比較的容易に得られる。
【0062】
したがって、上述した製造方法によれば、その製造工程と得られる構造体の構造的特徴とから、深さ方向の加工精度(ここでは三角断面の高さh)についても面内のパターニング精度と同程度の精度が容易に実現できる。
【0063】
上記工程4においては、RIEによるエッチング加工を施しているが、この工程でのエッチング加工は、振動体2の下部の中空になる部分が貫通できるだけの深さがあればよく、次式に示すようにその下限より深くエッチングすれば事足りることになる(エッチング壁面が基板面に対して90°をなす場合)。
【0064】
エッチング深さd>btan(54.7°)
次に、図12は本発明による流量測定装置の第2の実施の形態を示す振動式エアフローセンサの斜視図である。
【0065】
本実施の形態のエアフローセンサの特徴は、空気流の流量のみでなく流れの方向をも検出可能な点にある。
【0066】
図12に示すセンサ構造体30は、図5と同様のシリコン単結晶基板31上に特性の一致した2つの振動体2,2を、計測する空気流に対して中央の発熱体33を挾んで上流側と下流側に配置してある。センサ構造体30は、図5に示す第1の実施の形態と同様のダイアフラム構造を有し、また振動体2,2の構造およびそれらの自励振動の機構と動作も第1の実施の形態と同様である。
【0067】
空気流量の測定には、いずれか一方の振動体2の共振周波数を測定することにより達成できる。また、発熱体33の下流側よりも上流側の方が温度低下が大きいことから、空気流の方向の検出は、2つの振動体2,2の共振周波数の差を求め、その正負を判定することにより達成できる。すなわち、振動体2,2の共振周波数のうち、上流側をfup、下流側をfdownとすると、
fup−fdown<0で順流、fup−fdown>0で逆流となる。
【0068】
発熱体33の駆動には、空気流の冷却効果による温度低下を補うべく、温度検出用抵抗と、外部回路とを用いて、発熱体33の温度を一定に保つようにしている。すなわち、発熱体33は、図13に示すように、発熱用抵抗RH と発熱温度をモニタする温度検出用抵抗RHTからなり、さらに基準温度(ここでは空気温)を測定するための抵抗RT を図14に示す外部回路に設けてあり、抵抗RHT,RT と定抵抗R1 ,R2 とによってブリッジ回路を構成している。そして冷却により発熱体33の温度が低下するとブリッジ回路のバランスが崩れ、ブリッジ出力に電位差が発生する。この電位差を演算増幅器34を通じて増幅して、その出力により、発熱用抵抗RHTに対する供給電流を増加させて、発熱体33を加熱するように構成されている。このようなフィードバック回路を用いることにより、発熱体33の温度が基準温度(空気温)に対して所定の温度差を有する温度の制御される。
【0069】
図15は本発明による流量測定装置の第3の実施の形態を示す振動式エアフローセンサの斜視図、図16はその要部の拡大断面図である。
【0070】
本実施の形態におけるエアフローセンサのセンサ構造体40は、シリコン単結晶基板41上に2つの振動体2,2を、計測する空気流に対して中央の発熱体33を挾んで上流側と下流側に配置してある点、および空気流の流量のみでなく流れの方向をも検出可能な点で、図12に示す第2の実施の形態と同様であるが、本実施の形態においては、センサ構造体40の発熱体33および振動体2,2が配設されているダイヤフラム構造部が、図16に示すように、このダイヤフラム構造部との間に所定の間隙44を形成したガラスキャップ45で封止された構成を有する。この封止された間隙44は10〜3Torr程度の真空に保たれていることにより、振動体2,2の空気粘性による振動の減衰効果が減少し、極めて安定で高純度の共振振動が得られる。上記ガラスキャップ45は、陽極接合法等により、基板41の上面に気密に接合されている。
【0071】
このように、上面を封止された構造の場合、空気流はダイヤフラム構造部の裏面に沿って流れるように構成される。そのため、基板41の側面がエッチング加工等により削られた形状になっており、また、ダイヤフラム構造部は、発熱体33の熱が裏面に十分に作用するような厚さに設定されている。
【0072】
また、本実施の形態においては、振動体2に振動を励起させるために、駆動用抵抗に代えて、基板41の上面とガラスキャップ45の下面との間に形成された間隙44を利用した駆動用静電電極を用いている。すなわち、図16に示すように、振動体2の上面に下部電極46が設けられ、この下部電極46に対向する上部電極47がガラスキャップ45の下面に設けられている。そして、両電極46,47間に交番電圧を印加することにより、静電気力によって振動体2が振動せしめられる。振動体2の振動は、前述の実施の形態と同様に、振動体2の一方の固定端付近に設けられたピエゾ抵抗48によってその抵抗変化として検出される。
【0073】
図17は、振動体2に振動を励起させ、かつその振動を検出する回路の一例を示す概略図である。
【0074】
振動体2の自励発振は、駆動用電極46,47に正帰還させることにより発生させる。図9と同様に、検出用ピエゾ抵抗48を含むブリッジ回路49で検出した検出出力をプリアンプ50で増幅して得られた周波数出力を駆動用電極46,47に帰還させる正帰還ループに、増幅率を制御して駆動用電極46,47に供給される電力を一定にコントロールするAGCアンプ51を介在させて、正帰還による無限大発振を防止している。
【0075】
以上の実施の形態においては、空気流の冷却効果による発熱体3,33の温度変化に基づく両持ち梁の熱応力変化をすべて両持ち梁構造を有する振動体2の共振周波数の変化として検出しているが、これは前述したように、振動体2が極めて検出感度が良いからである。しかしながら、本発明は、両持ち梁の熱応力変化を直接ピエゾ抵抗等を用いて検出する形式の流量測定装置をも含むことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図1】両端を固定した剛体棒を加熱することにより剛体棒に応力が発生する機構を説明する図
【図2】両持ち梁構造を有する振動体を加熱することにより振動体に応力が発生する機構を説明する図
【図3】両持ち梁構造を有する振動体に加わる応力に対する共振周波数の変化を示す特性図
【図4】センサ構造体上における発熱体近傍の2次元温度分布を示す図
【図5】本発明による流量測定装置の第1の実施の形態を示す振動式エアフローセンサの斜視図
【図6】図5の要部拡大斜視図
【図7】図6の VII−VII 線に沿った拡大断面図
【図8】振動体の拡大断面図
【図9】振動検出回路の一例を示す概略図
【図10】空気流の質量流量に対すると振動体の共振周波数特性を示すグラフ
【図11】振動体の製造方法を説明する工程図
【図12】本発明による流量測定装置の第2の実施の形態を示す振動式エアフローセンサの斜視図
【図13】同 要部の概略的平面図
【図14】同 発熱体の温度を一定に保つ装置の回路図
【図15】本発明による流量測定装置の第3の実施の形態を示す振動式エアフローセンサの斜視図
【図16】同 要部の拡大断面図
【図17】同 振動検出回路の概略図
【符号の説明】
1,31,41 シリコン単結晶基板
2 振動体
3,33 発熱体
4 駆動用抵抗
5,48 振動検出用抵抗
8,51 AGCアンプ
20,30,40 センサ構造体
44 間隙
45 ガラスキャップ
46,47 電極[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a flow measurement device suitable for use as a measurement device for an intake air amount in, for example, an automobile engine equipped with an electronically controlled fuel injection device.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as an airflow sensor used in a measurement device for the amount of intake air for engine control, a heated resistor is exposed to an airflow, and the temperature change of the resistor due to the cooling effect of the airflow is measured as a resistance change to measure the airflow. Things to detect are known.
[0003]
These thermal airflow sensors include a hot wire type using a thin platinum wire as a heating resistor and a hot film type using a thin film resistor such as platinum.The silicon substrate is thinned by fine processing such as etching, and the platinum A semiconductor hot-film type air flow sensor having a thin film resistor such as the one described above has also been proposed (see Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 7-159215).
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Recently, in lean-burn engines that reduce environmental pollution and save fuel, the control sensor has been designed to reduce exhaust purification catalyst capacity and achieve engine control that balances fuel efficiency and driving at a high level. High functionality is an important issue. In particular, the need to realize high sensitivity, high precision measurement of intake air volume required for precise air-fuel ratio control, and backflow detection, and to expand the dynamic range of air flow measurement required for highly supercharged engines, etc. are apparent. Is becoming
[0005]
However, the dynamic range of the conventional thermal airflow sensor is not sufficient even with a semiconductor hot film sensor in which the heat capacity of the detection unit is minimized. Therefore, the heating element (hot wire, hot film) is barely cleared by raising the temperature to 200 ° C. or higher. In this case, however, the durability of the heating element deteriorates due to the high temperature of the heating element. Has become.
[0006]
In addition, in the conventional thermal airflow sensor, since the temperature change of the resistor due to the cooling effect of the airflow is detected as a resistance change, it is difficult to say that the sensitivity is high, and a large temperature change of the resistor is required. There is also a problem.
[0007]
Furthermore, since the sensor output is an analog signal that reads the resistance change as a voltage, an A / D converter must be interposed when inputting the signal to the engine control computer. However, since an A / D converter having a large number of resolution bits is required to obtain a measurement accuracy that satisfies the entire required measurement area, the measurement range and accuracy of the sensor are limited by the performance of the A / D converter. Inconvenience.
[0008]
Further, in an electric bad environment such as the vicinity of an engine of a car, an output signal which is an analog signal is always affected by electromagnetic noise, ground noise, and the like, so that high-accuracy measurement cannot be expected.
[0009]
In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a flow rate measuring device which is extremely sensitive, has high reliability and durability, and does not require an A / D converter.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In the flow rate measuring device according to the present invention, a heating element and a doubly supported beam are arranged close to each other on a substrate, and thermal stress generated in the doubly supported beam due to heat of the heating element causes cooling according to the mass flow rate of the fluid. The present invention is characterized in that a change due to a temperature change of the heating element due to the effect is detected as a mechanical change of the doubly supported beam.
[0011]
In this case, the doubly supported beam was integrally cut from the silicon single crystal substrate, and was supported by the silicon single crystal substrate with both ends as support ends.Configuration.
[0012]
Further, the doubly-supported beam is formed of a vibrating body having a doubly-supported beam structure. It is preferable to comprise a means for measuring
[0013]
The thickness h and length L of the vibrating body, and the strain ε due to the longitudinal stress pre-existing in the vibrating body0And the compressive strain ε caused by the heat of the heating elementheatPreferably has a relationship represented by the following equation.
[0014]
ε0+ Εheat> (− Π2/ 3) h2/ L2
Further, the flow rate measuring apparatus according to the present invention may be provided with a means for compensating for a decrease in the temperature of the heating element due to the cooling effect of the fluid, and the means may be configured to keep the temperature of the heating element substantially constant.
[0015]
In this case, the vibrator is arranged at a position on the substrate where the two-dimensional distribution of the substrate temperature near the heating element changes according to the fluid flow rate, and the change in the resonance frequency of the vibrator caused by the change in the two-dimensional distribution of the substrate temperature. Based on the measurement, a fluid flow measurement is made.
[0016]
Further, a plurality of vibrators are arranged on the substrate along the direction of the flow of the fluid, and the flow rate and the direction of the flow of the fluid are measured based on a difference in a resonance frequency change between the plurality of vibrators. It can be configured to be.
[0017]
【The invention's effect】
The relationship between the heat quantity Q theoretically deprived of the heating element and the mass flow rate G is as follows.
[0018]
Q = K√G (K is a constant)
Therefore, the temperature change ΔT acting on the doubly supported beam is also expressed by the following equation.
[0019]
ΔT = K√G
The thermal stress acting on the doubly supported beam is generated by a temperature difference between the vicinity of the doubly supported beam and other substrate portions. FIGS. 1 and 2 show the outline of the generation mechanism. FIG. 1 shows a state in which when a rigid rod whose both ends are fixed to an immovable wall is heated, the rod tends to expand due to thermal expansion, so that a compressive stress is generated in the rod. FIG. 2 shows a state in which stress is generated by heating in a vibrating body having a doubly supported structure. FIG. 2A shows a type in which a vibrator is directly heated, and FIG. It is a type that heats it.
[0020]
When the above-mentioned doubly supported beam is integrally cut out of the silicon single crystal substrate including the supporting portions at both ends by etching or the like, the internal stress becomes almost zero, and when this doubly supported beam is used as a vibrating body. In addition, the sensor characteristics can be easily controlled. In addition, since silicon single crystal can be easily obtained as a substrate material of a semiconductor integrated circuit with extremely high purity, a stable and uniform mechanical property can be obtained, contributing to stabilization of the resonance characteristics of the vibrating body. can do.
[0021]
Assuming that the thermal expansion coefficient of the material constituting the vibrating body is α and the temperature difference between the vibrating body and the substrate portion is T, the generated stress σ is as follows.
[0022]
σ = εE = αTE (E: Young's modulus, ε: generated strain)
Therefore, the relationship between the temperature change ΔT and the thermal stress change σ due to the cooling effect is as follows.
[0023]
εheat= Kα√G
On the other hand, the resonance frequency change of the vibrating body with respect to the generated strain is theoretically expressed by the following equation.
[0024]
(Equation 1)
[0025]
here,
αn, Γn: Constant determined by the mode (mode) of vibration
L, h: length and thickness of vibrator
Ee: Effective Young's modulus = E / (1-ν)2), Ν is Poisson's ratio
I: Second moment of area of vibrating body
ρ: Density of vibrator material
A: Cross-sectional area of vibrator
The strain ε applied to the vibrating body is the strain ε remaining in the vibrating body in advance.0And thermal stress εheatIt is expressed by the sum of
[0026]
ε = ε0+ Εheat= Ε0+ Kα√G
Therefore, the resonance frequency f of the vibrating body in consideration of the change in the thermal stress due to the mass flow rate G0Is represented by the following equation.
[0027]
(Equation 2)
[0028]
Thus, the mass flow rate G to be measured and the resonance frequency f of the vibrating body are0Is a 1/4 power characteristic. This characteristic is that high-sensitivity (slope of the output is large) in the micro flow rate range and output characteristics close to ideal with a wide dynamic range such that the output slope decreases as the flow rate increases. Become.
[0029]
The resonance frequency characteristic with respect to the stress applied to the vibrating body is a half-square characteristic as shown in FIG. In FIG. 3, a point where the residual stress is zero is set as a non-heating point of the heating element (heater) as an initial state of the vibration element. If the vibrating body is heated by a heating element in advance to operate the vibrating body as a sensor, a stress is applied to the vibrating body to compress the vibrating body due to a temperature difference from a surrounding cold substrate, and the resonance frequency f0Decreases.
[0030]
That is, the resonance frequency of the vibrating body heated to the predetermined temperature becomes the sensor output when the flow rate is zero. When the cooling effect of the air flow is added to this, the temperature of the vibrating body decreases, so that the compressive stress decreases and the resonance frequency increases according to the air flow rate.
[0031]
As is clear from FIG. 3, there is a point where the resonance frequency of the vibrating body becomes zero when the compressive stress increases. This point is called a buckling point in structural mechanics, and the stress at this time is called a buckling stress. In order to expand the dynamic range of measurement and improve sensitivity as a flow sensor, it is better to use stress versus frequency characteristics in the area closer to the buckling point, but if the compressive stress due to heating exceeds the buckling point, the vibrator Does not work as
[0032]
Therefore, the heating by the heating element for causing the vibrating element to function as a flow sensor needs to be set within a range not exceeding the buckling point and on the side where the compressive stress is as large as possible so as to obtain a desired sensitivity and dynamic range. There is.
[0033]
It is known that the buckling point of a vibrating body is determined by the size of the vibrating body (Euler's buckling point).bThe following equation (h: thickness of the vibrating body, L: length of the vibrating body) is obtained.
[0034]
εb= (-Π2/ 3) h2/ L2
Therefore, the thickness h and the length L of the vibrating body and the strain ε that remains in the vibrating body in advance0And the compressive strain ε caused by the heat of the heating elementheatAre set so as to satisfy the following relationship.
[0035]
ε0+ Εheat> (− Π2/ 3) h2/ L2
Also, εheatIs converted into the relationship with the heating temperature T of the heating element.
εb+ ΑT> (− π2/ 3) h2/ L2
That is, in the present invention, the heating temperature T of the heating element and the residual stress ε0Another characteristic is that the dimensions (h, L) of the vibrating body satisfy the above equation.
[0036]
In addition, when a vibrating body is used as a flow sensor, the output becomes a frequency output, and an A / D converter is not required. Therefore, the conventional technology has a problem that the measurement range and accuracy of the sensor are limited by the performance of the A / D converter. The point is solved. In this case, the sensor output can be directly input to the timer counter port of the engine control computer, and the high accuracy and high resolution measurement of the air flow rate can be performed in combination with the high accuracy of the time measurement of the computer. . Further, since the sensor output is a frequency modulated signal, signal transmission with little error can be realized without being affected by electromagnetic noise or ground noise.
[0037]
The measurement of the change in thermal stress applied to the doubly-supported beam placed in the vicinity of the heating element is not necessarily required even if the doubly-supported beam is not a vibrating body, but the vibrating body has extremely high detection sensitivity to stress and is subtle. A frequency change that can be sufficiently detected even with a change in temperature is brought about. Therefore, it is not necessary to keep the temperature of the heating element high as in the prior art, and the reliability and durability are significantly improved.
[0038]
Further, since the vibrating body is sensitive to the temperature change as described above, the vibrating body responds not only to the direct cooling effect due to the air flow of the heating element itself but also to a change in the heat distribution near the vibrating body.
[0039]
By the way, when the two-dimensional temperature distribution around the heating element on the sensor structure having the heating element is represented by temperature contours, as shown in FIG. When the airflow flows on the surface of the airflow, the two-dimensional temperature distribution changes depending on the flow direction together with the flow rate of the airflow. Accordingly, if the temperature of the heating element is compensated for by a feedback control to keep the temperature of the heating element constant at all times, as shown in FIG. Causes a difference in heat distribution.
[0040]
Therefore, by arranging the vibrating body for detecting a temperature change in such a portion where the heat distribution changes, the two-dimensional heat distribution due to the air flow on the sensor substrate on which the heating element and the vibrating body are disposed is provided. An airflow sensor capable of detecting a change can be realized. In particular, the change in the heat distribution includes not only the mass flow rate but also information on the direction component of the flow.Therefore, by disposing the vibrators at a plurality of positions where the temperature differs depending on the flow direction, the flow An airflow sensor capable of detecting the direction can be realized. In FIG. 4 (b), the vibrating body is symmetrically arranged on the upstream side and the downstream side of the airflow with respect to the heating element, and the difference between the output frequency signals of the vibrating bodies is calculated, so that the backflow also occurs. A detectable air flow sensor is realized, which can contribute to high-precision air-fuel ratio control of an automobile engine.
[0041]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0042]
FIG. 5 is a perspective view of a vibrating air flow sensor showing a first embodiment of the flow measuring device according to the present invention, FIG. 6 is an enlarged perspective view of a main part thereof, and FIG. 7 is a view taken along line VII-VII of FIG. FIG. 8 is an enlarged sectional view of the vibrating body.
[0043]
In FIG. 5,
[0044]
The cross-sectional shape of the
[0045]
Vibrator length L: 1.6mm
Vibrator height h: 20 μm
Oscillator width b: 28.3 μm
On the substrate surface 1a,
[0046]
The silicon
[0047]
FIG. 9 is a schematic diagram illustrating an example of a circuit that excites the vibration of the vibrating
[0048]
The self-excited oscillation of the vibrating
[0049]
FIG. 10 is a graph showing the mass flow rate of the air flow and the resonance frequency characteristics of the vibrating
[0050]
FIG. 11 is a process chart illustrating an example of a method of manufacturing the vibrating
[0051]
Step 1: First, a silicon wafer (silicon single crystal substrate) 10 having a (100) substrate surface is prepared.
[0052]
Step 2: A
[0053]
Step 3: In order to determine the shape of the
[0054]
Step 4: The silicon substrate is etched through the openings 12 and 12 using the
[0055]
Step 5: Using the same
[0056]
As described above, when the silicon single crystal material is etched with the above-described specific strong alkaline solution, the etching rate is significantly different depending on the specific crystal plane of the silicon single crystal. For example, the etching rate of the (111) plane with respect to the (100) plane and the (110) plane of silicon single crystal is extremely low, and the rate is about 100: 1. Due to such properties, in the etching in this step, the crystal anisotropic etching proceeds with the (110) plane having a high etching rate as a progress plane and the (111) planes remaining at both ends.
[0057]
Step 6: The etching proceeds in the lateral direction from both sides of the portion that will eventually become the vibrating
[0058]
If such crystal anisotropic etching is performed, the shape after etching can be predicted with high accuracy regardless of the etching conditions (temperature, stirring, etc.), and processing becomes easy.
[0059]
The
[0060]
h = tan (54.7 °) · b / 2
This means that if the processing accuracy of the width b of the vibrating
[0061]
Generally, when processing is performed in the depth direction by etching, the dimensional accuracy of the processing accuracy is poor because it is difficult to determine the end point of the etching. For example, even when silicon is etched by RIE or the like, the absolute value of the processing of the depth dimension may vary by about ± 5%, and the uniformity of the processing may be as high as ± 5% within the wafer surface. A very complicated etching apparatus must be used. On the other hand, the processing accuracy on the surface represented by patterning by photolithography is compared with extremely high-precision processing (absolute, relative processing accuracy of ± 1% or less) as seen in the progress of semiconductor integrated circuit manufacturing processes. The target is easily obtained.
[0062]
Therefore, according to the above-described manufacturing method, the processing accuracy in the depth direction (here, the height h of the triangular cross section) is the same as the in-plane patterning accuracy, based on the manufacturing process and the structural characteristics of the obtained structure. A degree of accuracy can be easily realized.
[0063]
In the above step 4, the etching process by RIE is performed. However, the etching process in this step only needs to have a depth enough to penetrate a hollow portion below the vibrating
[0064]
Etching depth d> btan (54.7 °)
Next, FIG. 12 is a perspective view of a vibrating airflow sensor showing a second embodiment of the flow measuring device according to the present invention.
[0065]
The feature of the airflow sensor according to the present embodiment is that not only the flow rate of the airflow but also the direction of the airflow can be detected.
[0066]
A
[0067]
The measurement of the air flow rate can be achieved by measuring the resonance frequency of one of the
fup−fdown<0 for forward flow, fup−fdownWhen> 0, a reverse flow occurs.
[0068]
The driving of the
[0069]
FIG. 15 is a perspective view of a vibrating air flow sensor showing a third embodiment of the flow measuring device according to the present invention, and FIG. 16 is an enlarged sectional view of a main part thereof.
[0070]
The
[0071]
Thus, in the case of the structure in which the upper surface is sealed, the air flow is configured to flow along the back surface of the diaphragm structure. For this reason, the side surface of the
[0072]
Further, in the present embodiment, in order to excite the vibrating
[0073]
FIG. 17 is a schematic diagram illustrating an example of a circuit that excites the
[0074]
The self-excited oscillation of the vibrating
[0075]
In the above embodiment, all changes in the thermal stress of the doubly supported beam based on the temperature change of the
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a view for explaining a mechanism in which a rigid rod having both ends fixed is heated to generate stress in the rigid rod.
FIG. 2 is a diagram illustrating a mechanism in which stress is generated in a vibrating body by heating the vibrating body having a doubly supported structure.
FIG. 3 is a characteristic diagram showing a change in resonance frequency with respect to a stress applied to a vibrating body having a doubly supported structure.
FIG. 4 is a diagram showing a two-dimensional temperature distribution near a heating element on a sensor structure;
FIG. 5 is a perspective view of a vibrating air flow sensor showing a first embodiment of the flow measuring device according to the present invention.
FIG. 6 is an enlarged perspective view of a main part of FIG. 5;
FIG. 7 is an enlarged sectional view taken along line VII-VII of FIG. 6;
FIG. 8 is an enlarged sectional view of a vibrating body.
FIG. 9 is a schematic diagram illustrating an example of a vibration detection circuit.
FIG. 10 is a graph showing a resonance frequency characteristic of a vibrating body with respect to a mass flow rate of an air flow.
FIG. 11 is a process diagram illustrating a method for manufacturing a vibrating body.
FIG. 12 is a perspective view of a vibrating airflow sensor showing a second embodiment of the flow measuring device according to the present invention.
FIG. 13 is a schematic plan view of the main part.
FIG. 14 is a circuit diagram of a device for keeping the temperature of the heating element constant.
FIG. 15 is a perspective view of a vibration type air flow sensor showing a third embodiment of the flow measuring device according to the present invention.
FIG. 16 is an enlarged sectional view of a main part of the same.
FIG. 17 is a schematic diagram of the vibration detection circuit.
[Explanation of symbols]
1,31,41 Silicon single crystal substrate
2 vibrator
3,33 heating element
4 Driving resistor
5,48 Vibration detection resistor
8,51 AGC amplifier
20, 30, 40 sensor structure
44 gap
45 glass cap
46, 47 electrodes
Claims (6)
該発熱体の近傍に配設された両持ち梁と、
上記基板の面に沿って流れる流体の冷却効果による上記発熱体あるいはその近傍の基板の温度変化に基づく上記両持ち梁の、それに加わる熱応力変化に起因する機械的変化を測定する手段とを備え、
該手段による上記両持ち梁の機械的変化の測定に基づいて上記流体の流量の測定がなされ、
上記両持ち梁がシリコン単結晶基板から一体に削出され、両端を支持端として上記シリコン単結晶基板に支持されてなることを特徴とする流量測定装置。A heating element disposed on the substrate,
A doubly supported beam arranged near the heating element,
Means for measuring a mechanical change caused by a thermal stress change applied to the doubly supported beam based on a temperature change of the heating element or a substrate in the vicinity thereof due to a cooling effect of a fluid flowing along the surface of the substrate. ,
Measuring the flow rate of the fluid based on the measurement of the mechanical change of the doubly supported beam by the means ;
A flow rate measuring apparatus , wherein the doubly supported beam is integrally cut from a silicon single crystal substrate, and is supported by the silicon single crystal substrate with both ends as support ends .
ε0+εheat>(−π2/3)h2/L2 The thickness h and length L of the vibrator, the strain ε 0 due to the longitudinal stress existing in the vibrator in advance, and the compressive strain ε heat generated by the heat of the heating element are represented by the following equations. 3. The flow measurement device according to claim 2 , wherein the flow measurement device has a relationship.
ε 0 + ε heat> (- π 2/3) h 2 / L 2
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