JP2005172445A - フローセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 取り付け姿勢に制限を受けることなく、分流構造としても対流を起こすことなく、かつ小型化を実現し得るフローセンサを提供する。
【解決手段】 シリコン基板１１の上面の平面部と、上部筐体２の逆Ｕ字状溝部で、逆Ｕ字状検出流路１０を形成し、この逆Ｕ字状検出流路１０の互いに平行する流路の上流側のシリコン基板１１の平面部に薄膜抵抗体６ａ、６ｂを形成し、流路の下流側のシリコン基板１１の平面部に薄膜抵抗体７ａ、７ｂを形成し、薄膜抵抗体６ａと７ａとを、薄膜抵抗体６ｂと７ｂとを、それぞれ直列に接続する。
【選択図】 図５

Description

この発明は、流体の流量を測定する熱式のフローセンサに関する。

熱を利用したフローセンサは、流路に１個の発熱抵抗素子又は複数個の発熱及び又は測温抵抗素子を配置して流れによる発熱抵抗素子の熱の流出を電気的に検出して、流量を測定する。特に流れがゼロのときの出力の精度を確保するため、流路の上流側と下流側にヒータを配置し、上流側と下流側で流れ無しで、熱平衡を保ち、流れにより、熱的平衡が崩れると、これを検出して流量を測定するものがある。この種のフローセンサにおいて、従来、シリコン基板上にパターン形成された金属膜からなる２つのヒータを形成し、一方のヒータから他方のヒータへガスを流通するためのガス流路を形成するようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、シリコン基板上に発熱抵抗体、測温抵抗体をパターン形成してなるフローセンサも開示されている（例えば、特許文献２参照）。

また、熱線を形成した測定チップを基板に実装し、主流路とは別に、センサ流路を測定チップと基板との間に溝で形成し、かつセンサ流路に熱線を橋設したものが知られている（例えば、特許文献３参照）。

また、流路に熱伝導性の良い、一般には金属材の細管に感熱抵抗線を巻設する方式のフローセンサで細管を逆Ｕ字状にして、一方の垂直部分に第１と第２の感熱抵抗線を巻設し、他の垂直部分に第３と第４の感熱抵抗線を巻設したものが知られている（例えば、特許文献４参照）。
特開２００２−３４０６４６号公報 特開２０００−１４６６５２号公報 特開２００２−１６８６６９号公報 特開平７−２７５８２号公報

上記した特許文献１に記載のフローセンサでは、図２０の（ａ）に示すように、上流用ヒータ３０ａと下流用ヒータ３０ｂを水平に置いたとき、流れ無しで熱分布が平衡しており、流れが生じると、図２０の（ｂ）に示すように、熱分布が崩れてブリッジ回路により流量を検出できるが、図２０の（ｃ）に示すように、垂直置きにすると、流れ無しの場合でも、対流によって熱分布が崩れるという問題がある。特許文献２に記載のフローセンサでも、同様の問題がある。

また、特許文献１では、この問題を解決する方法として、ヒータ下方を空洞にせず、シリコンを残すことで温度均一を保ち、外乱影響を回避するようにしている。しかし、これは熱分布のなだらかさをもたらすシリコンの熱伝導性が良いことが、ヒータ温度を上げるには相当のパワーが必要として、この種のセンサの特徴である省電力を実現できない。

また、このようなフローセンサを主流路に並設されるセンサ流路に適用したり、特許文献３に記載のフローセンサ等では、図１９の（ａ）に示すように、水平置きにし、流れ無しの場合、熱分布は平衡しているが、図１９の（ｂ）に示すように、垂直置きにすると、検出部周辺の温められた流体が垂直上方に移動し、熱分布が崩れ、センサ流路３２と主流路３１間で対流による循環流が起こる。したがって、上流側と下流側の感熱抵抗体を水平に配置したものでは、設置姿勢に制限を受けるという問題がある。

また、特許文献４の技術では、姿勢による制限は不要であるが、逆Ｕ字状の流路は原理的に良熱伝導性材の細管を用いるので、両抵抗体間の伝導熱対応が問題になる他、抵抗体が巻線であるため抵抗体リード線の処理が実用上煩雑になる、電力消費が大、設置スペースなど小型化に問題がある。

本願発明者等は、上記問題点を解消するために、流路を前記流路ベースの表面、表面から裏面及び裏面にわたり形成し、前記流路ベースの表面あるいは裏面のいずれか一方の流路に上流用の薄膜抵抗体を配置し、前記流路ベースの表面あるいは裏面のいずれか一方の流路に対する他方の流路に下流用の薄膜抵抗体を配置したフローセンサを創出し、すでに出願している（特願２００３−００２７２９）。

この出願に係るフローセンサは、取り付け姿勢に制限を受けることなく、分流構造としても対流を起こすことなく、かつ小型化を実現し得るものが得られたが、フローセンサは、流路ベースとなるシリコン基板の表裏両面に流路及び薄膜抵抗体を形成するか、あるいはシリコン基板の一面に流路及び薄膜抵抗体を形成したものを接合するかの構造を取るものであり、なお、簡素、小型化する道が残されていた。

この発明は上記問題点に着目してなされたものであって、取り付け姿勢に制限を受けることなく、分流構造としても対流を起こすことなく、かつ小型化を実現し得るフローセンサを提供することを目的としている。

この発明のフローセンサは、薄膜基板上に形成された検出を行う薄膜抵抗体の１個又は複数個の組合せを検出流路内に設置して、流体の薄膜抵抗体に対する熱作用を検出するものにおいて、前記検出流路を、前記薄膜基板の平面部を流路に含んでＵ字状に形成し、このＵ字状の互いに平行な流路部分の前記平面部分に、それぞれ１組の薄膜抵抗体を設置している。

この発明のフローセンサにおいて、平行部分に設置された両薄膜抵抗体組合せは、発熱の形を互いに等しくなるようにする。例えば、双方の対応する薄膜抵抗体の形を同形状にすれば良い。

この発明のフローセンサにおいて、双方の検出出力を互いに加算する。

この発明のフローセンサにおいて、薄膜抵抗体は、ヒータ兼検出用であり、自己発熱型のものであっても良い。

また、この発明のフローセンサにおいて、薄膜抵抗体は、検出用とヒータ用とを備える傍熱型であっても良い。

この傍熱型のフローセンサでは、前記ヒータ用の薄膜抵抗体は、上流側と下流側のそれぞれの流路部分で１組の検出用薄膜抵抗体の間に配置すると良い。

この発明によれば、流路のＵ字の平行部分に、それぞれ１組の発熱形式の薄膜抵抗体を配置することで、垂直置きにし、流れ無しの場合でも、検出部周辺で温められた流体の垂直方向に移動する力が平衡するので、センサ流路にバイパスなどの流路が並設されても、対流による循環流が起こらない。また、前記姿勢において、平行部分双方の薄膜抵抗体組合せの検出出力を加算することにより、双方の流量感度は倍増し、双方の対流による出力誤差は相殺される。

更に、上流側流路の薄膜抵抗体と下流側流路の薄膜抵抗体を一平面部に形成することで、簡素化ができ、また形成位置を圧倒的に小さくできるので、より小型化が実現できる。

以下、実施の形態により、この発明を更に詳細に説明する。

図１、図２、図３は、この発明の一実施形態フローセンサ１の概略構成を示す図であり、図１はこの実施形態フローセンサ１の正面図、図２は同フローセンサ１の裏面図、図３は図１のＸ−Ｘ’で切断した断面図である。この実施形態フローセンサ１は、上部筐体２と下部筐体３が接合される。

下部筐体３には表面にシリコン基板（センサチップ）１１が設けられるとともに、検出流路１０の入口と出口となる貫通孔２０が設けられている。一方、上部筐体２には形状が平面視してＵ字である部分を有した溝穴１０が形成され、この上部筐体２の溝穴１０の形成面と下部筐体３のシリコン基板１１の面とを接合し、Ｕ字状の流路１０を形成している。Ｕ字状の流路１０の両端が、下部筐体３の貫通孔２０に連通している。したがって、貫通孔２０は、フローセンサ１の流体の入口と出口を構成している。この実施形態フローセンサ１の要部を構成するＵ字状の流路１０、シリコン基板１１は、図１に破線で示している。

上部筐体２には、外部からシリコン基板１１まで連通する貫通孔１３を有する。この貫通孔１３より、電極９に接続するためのリード線が挿通され、貫通孔１３を導電性接着材等で封止する。図４は同実施形態フローセンサ１のシリコン基板１１の表面図、図５は同実施形態フローセンサ１の上部筐体２をシリコン基板１１の表面に平行に切断した一部断面図である。シリコン基板１１の上面（表面）には、図４、図５に示すように、上流側の薄膜抵抗体６ａ、６ｂと下流側の薄膜抵抗体７ａ、７ｂが形成配置されている。

上部筐体２には、Ｕ字状部１０ａと、Ｕ字状先端で外方に向けられた入口１０ｂ、出口１０ｃを有する溝１０を有し、この上部筐体２の溝１０をシリコン基板１１の表面とを向かい合わせて接合すると、図１、図３に示すようにＵ字状の検出流路１０が形成される。上部筐体２は、樹脂、ガラス、半導体、金属材他で構成され、機械加工又は金型による成型又は半導体基板をマイクロマシン技術で製作する。シリコン基板１１が載置埋設される下部筐体３も同様の材料で構成されている。シリコン基板１１の薄膜抵抗体６ａ、６ｂは、検出流路１０の上流側に、薄膜抵抗体７ａ、７ｂは検出流路１０の下流側に位置するように配置される。これら薄膜抵抗体６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂはヒータ用と検出用を兼用している。 シリコン基板１１における薄膜形成は、周知マイクロマシン技術によって製作する。薄膜抵抗体６ａ、６ｂ及び７ａ、７ｂの近傍に、この下方部に空洞を形成するための異方性エッチング用のホール（図４の斜線部）を形成している。このホール８は、保護膜、絶縁膜を、例えばウェットエッチングやＲＩＥ等で除去して形成する。その後、例えばＴＭＡＨのエッチャントでシリコンの異方性エッチングを行うことで、図６、図７に示される長穴（空洞）１２を形成できる。この長穴１２の上方に、絶縁膜と保護膜に挟まれた薄膜抵抗体６ａ、７ｂ、７ａ、７ｂが形成されている。シリコン基板１１に空洞１２を設けることにより、薄膜抵抗体６ａ、７ｂ、７ａ、７ｂを有する薄膜部の熱絶縁性が確保できる。

薄膜抵抗体６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂは、図４に示すように、上流側流路の上流側の薄膜抵抗体６ａと、下流側流路の上流側の薄膜抵抗体７ａが直列に接続され、また上流側流路の下流側の薄膜抵抗体６ｂと下流側流路の下流側の薄膜抵抗体７ｂが直列に接続されている。これは双方の薄膜抵抗体の検出出力を互いに加算する方法の基本的な一例であり、検出回路を減らし、簡素化できる有効な手段である。但し、この図４の表面図は、薄膜抵抗体から薄膜抵抗体、薄膜抵抗体から電極への配線を簡略化して描いている。実際、この部分の配線は、直接検出には関連しない部分であり、電気的接続機能のため、出来るだけ抵抗値が小さく、上下流の抵抗差の小さくなるように形成するような配線パターンとする。

この実施形態における薄膜抵抗体６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂは、ブリッジ回路接続として、図８の（ｂ）が使用できる。この回路は薄膜抵抗体６ａ、７ａの直列回路と、薄膜抵抗体６ｂ、７ｂの直列回路とを、一端で直接接続している。もちろん、薄膜抵抗体６ａ、７ａの直列接続と、薄膜抵抗体６ｂ、７ｂの直列接続で、直接ブリッジ回路を構成しない配線パターンに変更して、図９に示すように、それぞれ上流側と下流側で個別にヒータ駆動兼温度差検出回路を構成しても良い。また、図８の（ａ）のように、薄膜抵抗６ａ、６ｂで上流側流路のブリッジ回路を構成し、下流側流路のブリッジ回路として、図８の（ａ）に示す回路の６ａ、６ｂを、７ａ、７ｂに代えた別の回路を使用しても良い。

上記のように、上流側流路の上流側薄膜抵抗体と下流側流路の上流側薄膜抵抗体を直列接続し、上流側流路の下流側薄膜抵抗体と下流側流路の下流側薄膜抵抗体を直列接続することによって、直列接続しない場合に比し、電力消費が若干大となるが、感度が倍になる。

この実施形態フローセンサ１において、図１８は従来の設置姿勢に制限を持たないフローセンサの形状であるが、この実施形態フローセンサ１に当てはめて検討すると、３０ａに６ａ、６ｂが、３０ｂに７ａ、７ｂが位置され、薄膜抵抗体６ａ、７ａが上流、薄膜抵抗体６ｂ、７ｂが下流抵抗体となる。ここで、１８の（ｂ）に示すようＵ字流路が水平となるよう配置した場合の（ｂ）は当然問題なし。１８の（ａ）に示すようにＵ字流路が垂直となるように設置した場合は、薄膜抵抗体６ａ、６ｂ及び７ａ、７ｂによって暖められた周囲の流体は対流により垂直上部ほど高い温度となるが、周囲検出出力は薄膜抵抗体６ａ、６ｂではプラス側へシフトし、薄膜抵抗体７ａ、７ｂではマイナス側にシストする。それぞれ１組の薄膜抵抗体は同形状で、発熱状態も等しくしているので、この出力を加算することで、検出出力全体のシフトがキャンセルされる。

この実施形態フローセンサと本発明者が比較用に作成したフローセンサ〔図１６の（ｂ）〕とを比較するため、図１３に示すガスラインで、それぞれ感度特性と応答特性を測定した。図１３は、テスト用流体をＭＦＣ（マス・フロー・コントローラ）４１、パイプ４２を介して、サンプルフローセンサ（被測定フローセンサ）４３に与え、特性測定を行う場合を示している。その測定結果は、応答特性が図１２に示すように、ほとんど変わらない（ａ：本実施形態フローセンサ、ｂ：比較用フローセンサ）のに、感度特性では、図１１に示すように（特性ａ）、この実施形態フローセンサの方が高感度の結果が得られた。

また、図１４に示す図１８形状の従来の、設置姿勢に制限を持たせないフローセンサの感度特性と、図１１の感度特性を比較すると、図１４では低流速域での感度が低いのに対し、この実施形態フローセンサでは、低流速域での感度が非常に高くなっている。これは従来の設置姿勢に制限を持たないフローセンサは１組の薄膜抵抗体が形状的に接近して形成するのが難しいため、低流速域では上流側の薄膜抵抗体で奪われた熱が下流側の薄膜抵抗体へ伝わる前に冷めてしまうことが原因にある。しかし、この実施形態フローセンサは１組の薄膜抵抗体が接近して形成できるため、低流速域でも十分に熱授受が可能となり、高感度となる。これは低流速域での精度向上には非常に有利となる。

図１５は、この発明の他の実施形態を示す図である。この図１５は上記図１〜図３の実施形態フローセンサの図５に対応するものであり、この実施形態フローセンサ１のシリコン基板１１に平行に上部筐体２を切断した横断面図である。この実施形態フローセンサ１は、シリコン基板（下部筐体３の上面に埋設された）１１と上部筐体２とから構成される点、上部筐体２にはＵ字状部１０ａとし、Ｕ字状先端で外方に向けられた入口１０ｂ、出口１０ｃの溝１０を有し、この上部筐体２の溝１０をシリコン基板１１の表面に向かい合わせて接合することは、図４、図５に示すフローセンサと同様である。

この実施形態フローセンサでは、図４、図５に示すフローセンサと相違して、シリコン基板１１の上面の検出流路１０の上流側に薄膜抵抗体６ａ、６ｂ、６ｃと、下流側に薄膜抵抗体７ａ、７ｂ、７ｃを形成したことである。上流側と下流側で、それぞれの中心にヒータ用の薄膜抵抗体６ｃ、７ｃを配置し、その同薄膜上の上下流に温度検出用の薄膜抵抗体６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂを配置している。この実施形態フローセンサの薄膜抵抗体６ａ、６ｂ、６ｃ及び７ａ、７ｂ、７ｃは、例えば図１０に示す検出、駆動回路を使用すると良い。

これにより、設置姿勢の垂直水平に係わらず、熱分布を平衡に保つことができる。また、上流同士の薄膜抵抗体６ａと７ａ、下流同士の薄膜抵抗体６ｂと７ｂ、更にヒータ同士の薄膜抵抗体６ｃと７ｃを直列に接続することで、駆動回路を簡素化できる。

ここで、実施形態フローセンサと従来のフローセンサの設置姿勢による影響を比較するために、図１６の（ａ）に示す実施形態フローセンサと図１６の（ｂ）に示す比較用フローセンサ（いずれも分流型）を用い、傾斜影響が大きく現れる流体ＳＦ６（六フッ化イオウ）を用い、封入圧力：０．１ＭＰａと、０．２ＭＰａで、図１６の辺Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄに着目し、（１）Ｃ手前−Ａ奥〔水平、基準姿勢〕、（２）Ｂ上−Ｄ下〔垂直〕、（３）Ｄ上−Ｂ下〔垂直〕、（４）Ａ上−Ｃ下〔垂直〕の４つの姿勢で、その影響を調べたところ、図１７に示す結果が得られた。

その結果は、基準姿勢であるＣ手前−Ａ奥が０のとき、Ａ上−Ｃ下の場合は、影響無しであるが、Ｂ上−Ｄ下、Ｂ下−Ｄ上の場合には、図１６の（ｂ）の従来の場合の影響を１とすると、図１６の（ａ）の本発明の実施形態では−０．１６、０．１６と、実施形態のフローセンサの方が設置姿勢の影響が少ないという確認が得られた。

この発明の一実施形態であるフローセンサの概略構成を示す正面図である。 同実施形態フローセンサの裏面図である。 同実施形態フローセンサの図１に示すＸ−Ｘ’で切断した断面図である。 同実施形態フローセンサのシリコン基板の上面図である。 同実施形態フローセンサのシリコン基板に平行に、筐体部分を切断した横断面図である。 同実施形態フローセンサの流路部を流路方向に平行に切断した断面図である。 同実施形態フローセンサの流路部を流路に直行する方向に切断した断面図である。 同実施形態フローセンサの薄膜抵抗体の接続回路例を示す回路図である。 同実施形態フローセンサの薄膜抵抗体の他の接続回路例を示す回路図である。 同実施形態フローセンサの薄膜抵抗体の更に他の接続回路例を示す回路図である。 従来例と本発明のフローセンサの感度特性を示す図である。 従来例と本発明のフローセンサの応答特性を示す図である。 従来例と本発明のフローセンサの特性特徴を説明する図である。 従来の設置姿勢に制限を持たないフローセンサの感度特性を示す図である。 この発明の他の実施形態フローセンサのシリコン基板に平衡に筐体部分を切断した横断面図である。 従来例と本発明のフローセンサの設置姿勢評価を説明するための図である。 同従来例と本発明のフローセンサの設置姿勢の影響の比較を示す図である。 従来の設置姿勢に制限を持たないフローセンサの設置姿勢を変更した場合を説明する図である。 従来のフローセンサの設置姿勢を変更した場合の問題点を説明する図である。 従来の他のフローセンサの設置姿勢を変更した場合の問題点を説明する図である。

符号の説明

１ フローセンサ
２ 上部筐体
３ 下部筐体
４ 固定用穴
６、７ 一対の薄膜抵抗体
６ａ、６ｂ、６ｃ、７ａ、７ｂ、７ｃ 薄膜抵抗体
８ エッチングホール
９ 電極
１０ 流路
１１ シリコン基板
１２ 空洞部
２０ 流路入口、出口用貫通穴
２２ シール材

Claims (2)

1. 薄膜基板上に形成された検出を行う薄膜抵抗体の１個又は複数個の組合せを検出流路内に設置して、流体の薄膜抵抗体に対する熱作用を検出するフローセンサにおいて、
   前記検出流路を、前記薄膜基板の平面部を流路に含んでＵ字状に形成し、このＵ字状の互いに平行な流路部分の前記平面部分に、それぞれ１組の薄膜抵抗体を設置したことを特徴とするフローセンサ。
2. 前記Ｕ字状流路の平行部分に設置された２組の薄膜抵抗体は、形状あるいは発熱量を熱的に等しく形成し、その検出出力は互いに加算するようにしたことを特徴とする請求項１記載のフローセンサ。

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