JP2008039588A - Flow sensor and mass flow controller - Google Patents
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Abstract
【課題】バルブ等の外部熱源からの影響を低減する。
【解決手段】マスフローコントローラは、流路6aに配置されたフローセンサ4aと、流体の流量を制御するバルブ5aとを有する。フローセンサ4aは、流体の上流側に配置された温度センサと、下流側に配置された温度センサとを有する。上流側の温度センサと下流側の温度センサとは、外部熱源であるバルブ5aから等距離に配置される。
【選択図】 図1The effect of an external heat source such as a valve is reduced.
A mass flow controller has a flow sensor 4a disposed in a flow path 6a and a valve 5a for controlling the flow rate of fluid. The flow sensor 4a includes a temperature sensor disposed on the upstream side of the fluid and a temperature sensor disposed on the downstream side. The temperature sensor on the upstream side and the temperature sensor on the downstream side are arranged at an equal distance from the valve 5a that is an external heat source.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、流体の流速または流量を計測する熱式のフローセンサ、およびこのフローセンサを用いて流体の流量を制御するマスフローコントローラに関するものである。 The present invention relates to a thermal flow sensor that measures the flow rate or flow rate of a fluid, and a mass flow controller that controls the flow rate of a fluid using the flow sensor.
従来より、流体の流速または流量を計測する熱式のフローセンサが提案されており(例えば、特許文献1、特許文献2参照)、フローセンサとバルブを組み合わせて流体の流量を制御するマスフローコントローラが製品化されている。
図11(A)は従来のマスフローコントローラの構成を示す平面図、図11(B)は図11(A)のマスフローコントローラのA−A線断面図である。図11(A)、図11(B)において、1は本体ブロック、2はセンサパッケージ、3はセンサパッケージ2のヘッド部、4はフローセンサ、5はバルブ、6は本体ブロック1の内部に形成された流路、7は流路6の入口側の開口、8は流路6の出口側の開口である。
Conventionally, thermal flow sensors that measure the flow rate or flow rate of fluid have been proposed (see, for example,
FIG. 11A is a plan view showing a configuration of a conventional mass flow controller, and FIG. 11B is a cross-sectional view of the mass flow controller of FIG. 11A and 11B, 1 is a main body block, 2 is a sensor package, 3 is a head portion of the
流体は、開口7から流路6に流入してバルブ5を通過し、開口8から排出される。このとき、フローセンサ4は流体の流速または流量を計測する。
図12(A)はフローセンサ4の構成を示す平面図、図12(B)は図12(A)のフローセンサ4のB−B線断面図である。図12(A)、図12(B)において、40は基台となるシリコンチップ、41はシリコンチップ40の上面に空間42を設けて薄肉状に形成された例えば窒化シリコンからなるダイアフラム、43はダイアフラム41の上に形成された金属薄膜の発熱体(ヒータ)、44はダイアフラム41上のヒータ43の上流側に形成された金属薄膜の感熱抵抗体(温度センサ)、45はダイアフラム41上のヒータ43の下流側に形成された温度センサ、46は周囲温度センサ(金属薄膜の感熱抵抗体)、47はダイアフラム41を貫通するスリット、P1〜P6は電極パッドである。
The fluid flows into the
12A is a plan view showing the configuration of the
ヒータ43や温度センサ44〜46は例えば窒化シリコンからなる薄膜の絶縁層48により覆われている。周囲温度センサ46は、ヒータ43からの熱の影響を受けずに、流体の温度を検出できるところに配置される。周囲温度センサ46は、周囲温度、つまり流体の温度が変化したとき、その変化を補償するために用いられるものである。
フローセンサ4は、図12(A)に示した面が下になるようにしてセンサパッケージ2のヘッダ部3に搭載され、計測対象の流体に晒されるように本体ブロック1に装着される。
The
The
フローセンサ4による流量計測の原理を述べる。ヒータ43は周囲温度より一定の温度高くなるように駆動され、温度センサ44,45は定電流または定電圧で駆動される。計測対象の流体の流速が零のときには温度センサ44,45の温度は同一になり、温度センサ44,45の抵抗値に差は生じない。計測対象の流体の流れがあるときには、上流に位置する温度センサ44は、ヒータ43の方向へ向かう流体の流れにより熱が運び去られるので冷却される。一方、下流に位置する温度センサ45は、ヒータ43の方向からの流体の流れによって熱せられる。これにより、温度センサ44と45の抵抗値に差が生じ、この抵抗値の差を電圧差として検出することにより、計測対象の流体の流速又は流量に応じた出力が求められる。そこで、予め流路断面平均流速または流量とセンサ出力回路によって検出される電圧差との関係を校正しておけば、センサ出力回路が検出した電圧差から実際の流路断面平均流速または流量を計測することができる。
The principle of flow measurement by the
マスフローコントローラの図示しない制御回路は、フローセンサ4の電圧出力から流体の流量を求め、この流量の値を予め設定された値と比較し、この比較結果に基づいてバルブ5への駆動電流を出力する。こうして、バルブ5を駆動することにより、流体の流量が設定値と一致するように制御される。
A control circuit (not shown) of the mass flow controller obtains the flow rate of the fluid from the voltage output of the
図11(A)、図11(B)に示した従来のマスフローコントローラでは、上流側の温度センサ44と下流側の温度センサ45とバルブ5とが直線上に配置されている。このような配置構造では、特にバルブ5がソレノイドバルブである場合、バルブ5を駆動したときに発生する熱によって、フローセンサ4が形成する温度分布が歪められてしまい。流量計測に誤差が生じるという問題点があった。
In the conventional mass flow controller shown in FIGS. 11A and 11B, the
つまり、温度センサ45はバルブ5の近くにあり、温度センサ44は温度センサ45に比べてバルブ5から遠くなっている。このため、バルブ5から発生する熱が温度センサ44,45に与える影響は同一ではなく、バルブ5に近い温度センサ45の方が影響を受けやすい。バルブ5から発生する熱の影響がない場合には、温度センサ44と45の温度差は流体の流量(流速)に比例するが、バルブ5から発生する熱の影響がある場合には、温度センサ44と45の温度差は流量のみを反映したものではなくなるので、流量計測に誤差が発生する。
That is, the
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、バルブ等の外部熱源からの影響を低減することができるフローセンサおよびマスフローコントローラを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a flow sensor and a mass flow controller that can reduce the influence from an external heat source such as a valve.
本発明は、発熱手段を有し、流体の流れに起因する熱の授受による2点間の温度差又は奪われる熱量の差を求めることによって前記流体の流速又は流量を計測するフローセンサにおいて、前記流体の上流側に配置された温度センサと、前記流体の下流側に配置された温度センサとを有し、前記上流側の温度センサと前記下流側の温度センサとを外部熱源から等距離に配置したものである。
また、本発明のマスフローコントローラは、前記フローセンサと、前記流体の流量を制御する、前記外部熱源であるバルブと、前記上流側の温度センサと前記下流側の温度センサの温度差から前記流体の流量を求めて、この流量の値に基づいて前記バルブを駆動する制御回路とを有するものである。
The present invention provides a flow sensor for measuring the flow velocity or flow rate of the fluid by obtaining a temperature difference between two points or a difference in the amount of heat deprived due to heat transfer due to the flow of the fluid. A temperature sensor disposed on the upstream side of the fluid; and a temperature sensor disposed on the downstream side of the fluid; and the upstream temperature sensor and the downstream temperature sensor are disposed at an equal distance from an external heat source. It is a thing.
Further, the mass flow controller of the present invention includes the flow sensor, a valve that is the external heat source that controls the flow rate of the fluid, a temperature difference between the upstream temperature sensor and the downstream temperature sensor. And a control circuit for determining the flow rate and driving the valve based on the value of the flow rate.
本発明によれば、上流側の温度センサと下流側の温度センサとを外部熱源から等距離に配置したことにより、外部熱源の熱が2つの温度センサに与える影響はほぼ同一となるので、外部熱源の熱がセンサ特性に与える影響を低減することができ、流体の流量を正しく計測することができる。 According to the present invention, since the upstream temperature sensor and the downstream temperature sensor are arranged at the same distance from the external heat source, the influence of the heat of the external heat source on the two temperature sensors becomes almost the same. The influence of the heat of the heat source on the sensor characteristics can be reduced, and the fluid flow rate can be correctly measured.
[第1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。図1(A)は本発明の第1の実施の形態に係るマスフローコントローラの構成を示す平面図、図1(B)は図1(A)のマスフローコントローラのI−I線断面図、図1(C)は図1(A)のマスフローコントローラのII−II線断面図である。図1において、1aは本体ブロック、2aはセンサパッケージ、3aはセンサパッケージ2aのヘッド部、4aはフローセンサ、5aはバルブ、6aは本体ブロック1aの内部に形成された流路、7aは流路6aの入口側の開口、8aは流路6aの出口側の開口である。
[First Embodiment]
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. 1A is a plan view showing the configuration of the mass flow controller according to the first embodiment of the present invention, FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line I-I of the mass flow controller of FIG. (C) is the II-II sectional view taken on the line of the mass flow controller of Drawing 1 (A). In FIG. 1, 1a is a main body block, 2a is a sensor package, 3a is a head portion of the
流体は、開口7aから流路6aに流入してバルブ5aを通過し、開口8aから排出される。後述のように、バルブ5aは流体の流量を制御する。
フローセンサ4aの構成は図12(A)、図12(B)に示したフローセンサ4と同一である。フローセンサ4aは、図12(A)に示した面が下になるようにしてセンサパッケージ2aのヘッダ部3aに搭載される。そして、フローセンサ4aを搭載したセンサパッケージ2aは、本体ブロック1aに装着される。このとき、フローセンサ4aは、計測対象の流体に晒されるように、流路6aの内部に突き出すようにして配置される。
The fluid flows into the
The configuration of the
図2はフローセンサ4aの定温度差回路の回路図である。ヒータ43と周囲温度センサ46と3つの固定抵抗R1,R2,R3とはブリッジ回路を構成し、このブリッジ回路と抵抗R4とコンデンサC1とオペアンプOP1とで定温度差回路を構成している。オペアンプOP1は、ブリッジ回路の抵抗R1とヒータ43の中点電圧を反転入力とするとともに、抵抗R2と抵抗R3の中点電圧を非反転入力とする。このオペアンプOP1の出力は、抵抗R1,R2の一端に共通に接続されている。抵抗R1,R2,R3は、ヒータ43が周囲温度センサ46よりも常に一定温度高くなるように抵抗値が設定されている。
FIG. 2 is a circuit diagram of a constant temperature difference circuit of the
図3はフローセンサ4aのセンサ出力回路の回路図である。2つの温度センサ44,45と2つの固定抵抗R5,R6とはブリッジ回路を構成し、このブリッジ回路とオペアンプOP2とでセンサ出力回路を構成している。なお、温度センサ44と固定抵抗R6の位置を入れ替えても良い。
FIG. 3 is a circuit diagram of a sensor output circuit of the
図2に示す定温度差回路のブリッジ回路への通電によってヒータ43を周囲温度よりもある一定の高い温度に加熱した状態で流体を図1(A)、図1(B)、図12(A)、図12(B)の矢印方向に流すと、ダイアフラム41は流体によってその流速に比例して熱を奪われるため、ヒータ43も熱を奪われて抵抗値が下がる。このため、定温度差回路のブリッジ回路の平衡状態が崩れるが、オペアンプOP1によってその反転入力と非反転入力間に生じる電圧に応じた出力電圧がブリッジ回路に加えられるので、流体によって奪われた熱を補償するようにヒータ43の発熱量が増加する。その結果、ヒータ43の抵抗値が上昇することにより、定温度差回路のブリッジ回路は平衡状態に戻る。したがって、平衡状態にあるブリッジ回路にはその流速に応じた電圧が加えられていることになる。
1A, FIG. 1B, FIG. 12A when the
流体の流れによってヒータ43近傍の温度分布が崩れると、ヒータ43の上流側に位置する温度センサ44と下流側に位置する温度センサ45との間に温度差が生じるので、温度センサ44と45の抵抗値に差が生じる。図3に示すセンサ出力回路は、この抵抗値の差を電圧差として検出する。2つの温度センサ44,45の温度差は流体の流速に比例する。そこで、予め流路断面平均流速または流量とセンサ出力回路によって検出される電圧差との関係を校正しておけば、センサ出力回路が検出した電圧差から実際の流路断面平均流速または流量を計測することができる。
When the temperature distribution in the vicinity of the
図3に示すマスフローコントローラの制御回路9は、フローセンサ4aのセンサ出力回路の電圧出力から上記のようにして流体の流量を求め、この流量の値を予め設定された値と比較し、この比較結果に基づいてバルブ5aへの駆動電流を出力する。こうして、バルブ5aを駆動することにより、流体の流量が設定値と一致するように制御される。
The control circuit 9 of the mass flow controller shown in FIG. 3 obtains the flow rate of the fluid as described above from the voltage output of the sensor output circuit of the
前述のとおり、本実施の形態においても、フローセンサ4aの構成は従来のフローセンサ4と同一である。ただし、本実施の形態では、フローセンサ4aの温度センサ44,45を外部熱源であるバルブ5aから等距離に配置した点が従来と異なる。このような配置に応じて、流路6aはフローセンサ4aに達する前に90度折れ曲がり、フローセンサ4aを通過したところで再び90度折れ曲がるといったように、いわゆるクランク状の形状をしている。これにより、温度センサ44は上流側に配置され、温度センサ45は下流側に配置される。つまり、図12(A)、図12(B)に示した従来のマスフローコントローラと図1(A)、図1(B)に示した本実施の形態のマスフローコントローラでは、センサパッケージ2aを配置する角度が90度異なり、図1(A)では温度センサ44が上側に配置され、温度センサ45が下側に配置されることになる。
As described above, also in the present embodiment, the configuration of the
本実施の形態では、温度センサ44,45をバルブ5aから等距離に配置したので、バルブ5aの駆動時に熱が発生しても、この熱が温度センサ44,45に与える影響はほぼ同一となる。したがって、温度センサ44と45の温度差は流体の流量のみを反映したものとなるので、バルブ5aから発生する熱がセンサ特性に与える影響を低減することができ、流体の流量を正しく計測して制御することができる。
なお、本実施の形態では、温度センサとして感熱抵抗体を用いたが、サーモパイルを用いてもよい。
In the present embodiment, since the
In the present embodiment, the thermal resistor is used as the temperature sensor, but a thermopile may be used.
[第2の実施の形態]
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。図4(A)は本発明の第2の実施の形態に係るフローセンサ4aの構成を示す平面図、図4(B)は図4(A)のフローセンサ4aのB−B線断面図である。図4(A)、図4(B)において、50は基台となるシリコンチップ、51はシリコンチップ50の上面に空間52を設けて薄肉状に形成された例えば窒化シリコンからなるダイアフラム、53,54はダイアフラム51の上に形成された金属薄膜の発熱体、55,56は周囲温度センサ、57はダイアフラム51を貫通するスリット、P1〜P6は電極パッドである。発熱体53,54は、ヒータと温度センサを兼ねている。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. 4A is a plan view showing the configuration of the
本実施の形態は、第1の実施の形態で用いたフローセンサ4aの別の例を示すものである。フローセンサ4aの配置は第1の実施の形態で説明したとおりである。したがって、発熱体53は上流側に配置され、発熱体54は下流側に配置される。つまり、図1(A)の場合で説明すれば、発熱体53が上側に配置され、発熱体54が下側に配置されることになる。
The present embodiment shows another example of the
図5は図4のフローセンサ4aの定温度差回路及びセンサ出力回路の回路図である。発熱体53と周囲温度センサ55と固定抵抗R7,R8,R9とはブリッジ回路を構成し、このブリッジ回路と抵抗R10とコンデンサC2とオペアンプOP3とで定温度差回路を構成している。オペアンプOP3は、ブリッジ回路の抵抗R7と発熱体53の中点電圧を反転入力とするとともに、抵抗R8と抵抗R9の中点電圧を非反転入力とする。このオペアンプOP3の出力は、抵抗R7,R8の一端に共通に接続されている。抵抗R7,R8,R9は、発熱体53が周囲温度センサ55よりも常に一定温度高くなるように抵抗値が設定されている。
FIG. 5 is a circuit diagram of the constant temperature difference circuit and sensor output circuit of the
同様に、発熱体54と周囲温度センサ56と固定抵抗R11,R12,R13とはブリッジ回路を構成し、このブリッジ回路と抵抗R14とコンデンサC3とオペアンプOP4とで定温度差回路を構成している。オペアンプOP4は、ブリッジ回路の抵抗R11と発熱体54の中点電圧を反転入力とするとともに、抵抗R12と抵抗R13の中点電圧を非反転入力とする。このオペアンプOP4の出力は、抵抗R11,R12の一端に共通に接続されている。抵抗R11,R12,R13は、発熱体54が周囲温度センサ56よりも常に一定温度高くなるように抵抗値が設定されている。
Similarly, the
そして、オペアンプOP5は、センサ出力回路を構成している。オペアンプOP5は、抵抗R7と発熱体53の中点電圧を非反転入力とするとともに、抵抗R11と発熱体54の中点電圧を反転入力とする。
The operational amplifier OP5 constitutes a sensor output circuit. The operational amplifier OP5 uses the midpoint voltage of the resistor R7 and the
2つのブリッジ回路への通電によって発熱体53,54を周囲温度よりもある一定の高い温度に加熱した状態で流体を図4(A)、図4(B)の矢印方向に流すと、発熱体53は流体によって熱が奪われ、発熱体53の抵抗値は下がり、発熱体53と周囲温度センサ55と固定抵抗R7,R8,R9とからなるブリッジ回路の平衡状態が崩れるが、オペアンプOP3の出力電圧がブリッジ回路に加えられることにより、流体によって奪われた熱を補償するように発熱体53の発熱量が増加する。その結果、発熱体53の抵抗値が上昇し、ブリッジ回路は平衡状態に戻る。したがって、平衡状態にあるブリッジ回路にはその流速に応じた電圧が加えられていることになる。発熱体54と周囲温度センサ56と固定抵抗R11,R12,R13とからなるブリッジ回路についても同様である。
When the fluid is passed in the direction of the arrows in FIGS. 4A and 4B with the
こうして、図5のような回路で上流側の発熱体53と下流側の発熱体54の電圧差を検出することにより、流体の流速または流量および流れの方向が計測できる。図5に示す回路では、定温度差回路を2つ用い、発熱体53および発熱体54の端子間電圧の差をオペアンプOP5で増幅して電圧出力とする。電圧出力の大きさで流速がわかり、その極性で方向を知ることができる。
Thus, by detecting the voltage difference between the
[第3の実施の形態]
次に、本発明の第3の実施の形態について説明する。図6は本発明の第3の実施の形態に係るマスフローコントローラの流量計測部構成を示す断面図、図7は本発明の第3の実施の形態に係るフローセンサの構成を示す平面図である。なお、図7では、フローセンサ21とバルブ5aとの位置関係を説明するために、バルブ5aの外形を模式的に描いている。
本実施の形態のマスフローコントローラは、フローセンサ21と、このフローセンサ21とともに流体の流路30を形成する流路形成部材22と、バルブ5aと、制御回路(不図示)とを有する。
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 6 is a cross-sectional view showing the configuration of the flow rate measurement unit of the mass flow controller according to the third embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a plan view showing the configuration of the flow sensor according to the third embodiment of the present invention. . In FIG. 7, the outer shape of the
The mass flow controller of the present embodiment includes a
フローセンサ21は、基板24と、この基板24の表面に形成された流速検出手段(ヒータ43と温度センサ44,45と周囲温度センサ46と電極パッドP1〜P6)とから構成される。このフローセンサ21は、基板24の表面に図12(A)、図12(B)に示したフローセンサの構成素子を形成したものである。したがって、このフローセンサ21の定温度差回路とセンサ出力回路はそれぞれ図2、図3に示したとおりとなる。なお、基板24の表面に図4(A)、図4(B)に示した発熱体53,54と周囲温度センサ55,56と電極パッドP1〜P6とを流速検出手段として形成してもよく、この場合の定温度差回路及びセンサ出力回路は図5に示したとおりとなる。
The
基板24は、矩形の板状に形成され、外周縁部が厚肉の固定部24Aを形成し、流路形成部材22の表面に接合されている。基板24の中央部は、裏面側に長円形の凹部26が形成されることにより薄肉部24Bを形成している。この薄肉部24Bは、膜厚が50〜150μm程度で、ダイアフラム構造のセンサ部を形成している。基板24の材質としては、熱伝導率がシリコンに比べて低く、耐熱性、耐食性および剛性の高い材料、例えばステンレス、サファイアまたはセラミックスが用いられる。本実施の形態においては、板厚が0.5〜3mm程度のステンレスの薄板によって基板24を形成した例を示している。基板24がステンレス製の場合、150μm以上の厚さになると、基板24の厚さ方向、つまり流体2と流速検出手段との間の熱の伝導効率が低下するとともに、基板24の面と平行な方向の伝熱量(熱損出)が増加するため好ましくない。
The
基板24の表面は鏡面研磨され、電気絶縁膜13が全面にわたって形成されている。この電気絶縁膜13の表面に、ヒータ43と温度センサ44,45と周囲温度センサ46と電極パッドP1〜P6とからなる流速検出手段が形成されている。電気絶縁膜13としては、例えば厚さが数千オングストロームから数ミクロン程度の薄い酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、アルミナ膜、ポリイミド膜等がある。
The surface of the
流路形成部材22は、基板24と同様にステンレス製の細長い金属板からなり、表面中央に突設された外形が基板24と略等しい凸部22Aと、2つの貫通孔40,41を有し、凸部22Aの上面に基板24の固定部24Aが接合され、貫通孔40,41と基板24の凹部26が互いに連通して流体の流路30を形成している。このような流路形成部材22を基板24と同一材料であるステンレスによって形成すると、YAGレーザー溶接等により異種金属を使用せずに両部材を溶接することができる。なお、流路形成部材22は、アルミニウム、セラミックスなどでもよく、その場合はOリングとボルト等を使用して接合する。勿論、流路形成部材22がステンレスの場合でも、同様にOリングとボルト等を使用して接合してもよい。
The flow path forming member 22 is made of an elongated metal plate made of stainless steel, like the
流体は、貫通孔40から流路30に流入して、貫通孔41から排出される。貫通孔41から出た流体をバルブ5aに導き、フローセンサ21のセンサ出力回路の電圧出力に基づいて、図3又は図5に示した制御回路9がバルブ5aの開度を制御すれば、第1の実施の形態と同等のマスフローコントローラを実現することができる。
本実施の形態においても、図7に示すように温度センサ44,45をバルブ5aから等距離に配置することにより、バルブ5aから発生する熱がセンサ特性に与える影響を低減することができ、流体の流量を正しく計測して制御することができる。このように、フローセンサ21が流体と接触しないタイプのマスフローコントローラにおいても、第1の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
The fluid flows into the
Also in the present embodiment, by arranging the
本実施の形態では、第1の実施の形態に比べてフローセンサが流体の流れ方向に長く、流路形成部材22との接触面積が大きいため、温度センサ44と45の温度差が外部熱源からの影響をより受け易くなる。また、本実施の形態では、基板24が熱伝導率の高いシリコンではなく、ステンレス、サファイア、セラミックス等の熱伝導率の低い材料で作られているため、基板24の面内での温度差ができ易い。したがって、上流側の温度センサ44と下流側の温度センサ45とを外部熱源から等距離に配置する効果は、本実施の形態においてより顕著となる。
In the present embodiment, since the flow sensor is longer in the fluid flow direction and the contact area with the flow path forming member 22 is larger than that in the first embodiment, the temperature difference between the
[第4の実施の形態]
次に、本発明の第4の実施の形態について説明する。図8は本発明の第4の実施の形態に係るマスフローコントローラの流量計測部構成を示す斜視図、図9は本発明の第4の実施の形態に係るセンサチップの構成を示す平面図、図10は図9のセンサチップのB−B線断面図である。なお、図9では、センサチップとバルブ5aとの位置関係を説明するために、バルブ5aの外形を模式的に描いている。
[Fourth Embodiment]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. FIG. 8 is a perspective view showing a configuration of a flow rate measuring unit of a mass flow controller according to a fourth embodiment of the present invention, and FIG. 9 is a plan view showing the configuration of a sensor chip according to the fourth embodiment of the present invention. 10 is a cross-sectional view of the sensor chip of FIG. 9 along the line BB. In FIG. 9, the outer shape of the
本実施の形態のマスフローコントローラは、センサチップ102と、下面がこのセンサチップ102の上面に接合されたカバー部材としてのガラスチップ103と、センサチップ102の上面に形成された流量検出部110と、バルブ5aと、制御回路(不図示)とを有する。ガラスチップ103は、透明なガラスで形成されており内部が透けて見えている。そのため、流量検出部110も透かして描いてある。また、ガラスチップ103と図1に示すマスフローコントローラの本体ブロック1aの内部に形成された流路6aとは、Oリングやパッキンなどのシール材を介して接続されている。あるいは、ガラスチップ103は、低融点ガラスや樹脂製接着シートなどで図1に示す本体ブロック1aに気密接合されて、内部に形成された流路6aに接続されている。
The mass flow controller of the present embodiment includes a
センサチップ102は、図9に示すように例えばシリコン基板104の上面104aの中央に幅方向に全幅に亘り窒化シリコン又は二酸化シリコンの絶縁膜105が形成されており、この絶縁膜105の中央位置に、ヒータ43と温度センサ44,45と周囲温度センサ46とが形成されている。このセンサチップ102は、絶縁膜105の表面に図12(A)、図12(B)に示したフローセンサの構成素子を形成したものである。したがって、このフローセンサ21の定温度差回路とセンサ出力回路はそれぞれ図2、図3に示したとおりとなる。なお、絶縁膜105の表面に図4(A)、図4(B)に示した発熱体53,54と周囲温度センサ55,56とを形成してもよく、この場合の定温度差回路及びセンサ出力回路は図5に示したとおりとなる。
As shown in FIG. 9, in the
そして、これらのヒータ43と温度センサ44,45と周囲温度センサ46とは、図9、図10に示すように窒化シリコン又は二酸化シリコンの絶縁膜109により全体が被覆されている。ヒータ43と温度センサ44,45と周囲温度センサ46により流量検出部110が形成されている。
シリコン基板104の上面104aにはヒータ43と温度センサ44,45の下方位置に凹部104bが形成されており、絶縁膜105の凹部104bを覆う部位はダイアフラムとされている。これにより、ヒータ43と温度センサ44,45とシリコン基板104とが熱的に遮断されている。
The
A
ガラスチップ103は、シリコン基板104と略同じ大きさの透明なガラス例えば硼珪酸ガラスで形成され、図8に示すように下面の中央に長手方向に沿って流量検出部110上に流体を流すための流路111が形成されている。流路111は、両端部111a,111bがガラスチップ103の上面に開口しており、センサチップ102に形成されている流量検出部110上を温度センサ44側から温度センサ45側に向かって流体を流すようになっている。従って、ガラスチップ103は、流体を流すための流路形成部材としての機能を有している。
The
流路111は、例えば、溶融成型やフッ酸エッチング等、或いはエンドミルやサンドブラスト等により加工しても良い。
ガラスチップ103に使用するガラスとしては、センサチップ102の基板(シリコン)と熱膨張係数が近いものが好ましく、例えば、硼珪酸ガラスなどが適している。
以上のセンサチップ102とガラスチップ103とを接合するには、流路111が流量検出部110の上方で、かつヒータ43及び温度センサ44,45の配列方向に沿うようにガラスチップ103を配置し、ガラスチップ103の下面とシリコン基板104の上面104aの間にフリットガラスと呼ばれる低融点ガラスを配して接合する。
The
The glass used for the
In order to join the
他の接合方法として、陽極接合あるいは陽極接合と低融点ガラスの併用がある。陽極接合と低融点ガラスの併用でセンサチップ102とガラスチップ103とを接合するには、流路111が流量検出部110の上方で、かつヒータ43及び温度センサ44,45の配列方向に沿うようにガラスチップ103を配置し、ガラスチップ103の下面をシリコン基板104の上面104aに当接する。
続いて、ガラスチップ103の下面とシリコン基板104の上面104aとを陽極接合によって接合する。絶縁膜105,109及び流量検出部110と対向するガラスチップ103の下面の部分には、逃げとなる溝を予め形成しておき、この溝に低融点ガラスを塗布して、仮焼成しておけばよい。陽極接合の際にかける熱により低融点ガラスを溶融させ、ガラスチップ103の溝とシリコン基板104の上面104aとの隙間の間にある絶縁膜105,109及び流量検出部110からの薄膜配線パターンによる凹凸を埋めて確実に密着させる。陽極接合を行なうためには、ガラスチップ103がイオン伝導性を持っていることが必要であり、例えば、硼珪酸ガラスなどが適している。
Other bonding methods include anodic bonding or combined use of anodic bonding and low-melting glass. In order to join the
Subsequently, the lower surface of the
流体は、端部111aからガラスチップ103の流路111に流入して、端部111bから排出される。端部111bから出た流体をバルブ5aに導き、センサチップ102のセンサ出力回路の電圧出力に基づいて、図3又は図5に示した制御回路9がバルブ5aの開度を制御すれば、第1の実施の形態と同等のマスフローコントローラを実現することができる。
本実施の形態においても、図9に示すように温度センサ44,45をバルブ5aから等距離に配置することにより、バルブ5aから発生する熱がセンサ特性に与える影響を低減することができ、流体の流量を正しく計測して制御することができ、第1の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
The fluid flows into the
Also in the present embodiment, by arranging the
本発明は、マスフローコントローラに適用することができる。 The present invention can be applied to a mass flow controller.
1a…本体ブロック、2a…センサパッケージ、3a…ヘッド部、4a,21…フローセンサ、5a…バルブ、6a…流路、7a,8a…開口、9…制御回路、40,50…シリコンチップ、41,51…ダイアフラム、43,53,54…ヒータ、44,45…温度センサ、46,55,56…周囲温度センサ。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1a ... Main body block, 2a ... Sensor package, 3a ... Head part, 4a, 21 ... Flow sensor, 5a ... Valve, 6a ... Flow path, 7a, 8a ... Opening, 9 ... Control circuit, 40, 50 ... Silicon chip, 41 , 51 ... Diaphragm, 43, 53, 54 ... Heater, 44, 45 ... Temperature sensor, 46, 55, 56 ... Ambient temperature sensor.
Claims (2)
前記流体の上流側に配置された温度センサと、
前記流体の下流側に配置された温度センサとを有し、
前記上流側の温度センサと前記下流側の温度センサとを外部熱源から等距離に配置したことを特徴とするフローセンサ。 In a flow sensor that has a heating means and measures the flow velocity or flow rate of the fluid by determining the temperature difference between two points due to the transfer of heat due to the flow of the fluid or the difference in the amount of heat lost,
A temperature sensor disposed upstream of the fluid;
A temperature sensor disposed downstream of the fluid;
The flow sensor, wherein the upstream temperature sensor and the downstream temperature sensor are arranged at an equal distance from an external heat source.
前記流体の流量を制御する、前記外部熱源であるバルブと、
前記上流側の温度センサと前記下流側の温度センサの温度差から前記流体の流量を求めて、この流量の値に基づいて前記バルブを駆動する制御回路とを有することを特徴とするマスフローコントローラ。 A flow sensor according to claim 1;
A valve that is the external heat source for controlling the flow rate of the fluid;
A mass flow controller comprising: a control circuit that obtains a flow rate of the fluid from a temperature difference between the upstream temperature sensor and the downstream temperature sensor and drives the valve based on a value of the flow rate.
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