CN102792130A - 流量传感器及流量检测装置 - Google Patents

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椛泽康成
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Abstract

一种流量传感器，在表面安装型的封装体中内置流量检测单元。具备：流体流路（70），形成于封装体（12）内，将流体从设于封装体（12）的下表面的流入口（30）通过流量检测单元导引至设于封装体（12）的下表面的流出口（32）；以及外部端子（40），设于封装体（12）的外表面，导引流量检测单元的电气输出。液体与气体的任一种都能使用。适于小型化，能表面安装于电子电路基板等，可靠度高。

Description

流量传感器及流量检测装置
技术领域
本发明涉及一种流量传感器、及使用该流量传感器的流量检测装置，该流量传感器将微机电***(MENS)传感器芯片收纳于表面安装型的封装体，能检测气体或液体的流量。
背景技术
利用半导体制造处理技术，将机械加工技术或材料技术等组合于其中，由此实现在基板上具有三维的微细构造的***的微机电***(MEMS：Micro Eelectro Mechanical System)技术，近年来被广泛用于实现传感器或泵等元件的小型化及轻量化。作为使用该MEMS的传感器(MEMS传感器)，例如广泛使用有加速度传感器、角速度传感器、压力传感器等。
近年来，作为家庭用(独建住宅用)的分散型能源设备，正期待燃料电池***的普及和商业化。此种燃料电池，必须高精度检测燃料气体或液体燃料的流量、或供应给改质器的水量、将改质器所形成的氢气等供应给燃料电池自身的流量，并控制其流量。另外，从燃料中取出所需的氢气(H2)进行改质时，虽会产生一氧化碳(CO)，但该一氧化碳对电池催化剂的性能会造成不良影响，因此为减低一氧化碳浓度，也同时要求选择氧化用空气的流量控制。另外，在分析装置或医疗相关(投药、临床测试等)、以汽车为首的输送机械的领域中，也必须检测气体或液体的微少量的流量。一直以来，虽提案有各种流量计，但其大多仅计量气体流量者，适合测量液体流量者极少。
例如，虽有使液体通过测流孔(orifice)，并用压力计(manometer)或2个压力传感器等检测测流孔的前后压力差(测流孔流量计)的流量计，在流体的流内设置叶轮，根据该叶轮的转速来检测流量的流量计(涡轮式流量计)，但这些流量计都有大型化的缺点。另外，公知有：用设于对置的管壁的超声波传感器，检测从流路的管壁相对于流体倾斜射出的超声波，根据此时的多普勒(Doppler)效应的检测强度的变化进行检测的流量计(超声波流量计)、检测通过磁场中的流体所产生的磁场正交方向的电压变化的流量计(电磁流量计)、用加热器加热流体时，检测其前后的流体温度的变化的流量计(热式质量流量计)等。
在专利文献1、专利文献2中，虽已公开有利用具有微机电***(MEMS)芯片的半导体传感器构成加速度传感器、角速度传感器、压力传感器，但在这些中未说明流量传感器。在专利文献3中已公开有：使微尺寸的玻璃管接触形成于硅(Si)基板的微机电***(MEMS)芯片，使液体向玻璃管流动的热式质量流量计(热式流动传感器)。
在专利文献4中已公开有压差式的流量传感器的概念。即，使用半导体微细加工技术，用蚀刻技术在硅(Si)基板形成膜片(也称隔膜)，流体通过形成于该膜片的节流孔(至少1个开口)，由此在膜片两侧产生与流量成比例的压差，通过形成于膜片的扩散电阻(压电电阻元件)电气地检测膜片由于该压差而产生的应力(应变)。由于单晶硅在室温下不塑性应变，因此特性不变，另外，由于膜片与基板一体，因此能获得稳定的特性。
专利文献1：日本特开2010－28025号公报
专利文献2：日本特开2010－19693号公报
专利文献3：US6813944B2
专利文献4：US6253605B1
发明内容
专利文献1、2所公开的是使用微机电***(MEMS)技术来检测加速度、角速度、压力，并非检测气体或液体的流量，并未启示流量计。专利文献3所公开的流量计，由于用加热器加热在微管内流动的液体，为提高响应性，必须将该微管的厚度作成非常薄，因此有强度上的问题。另外，当计量低沸点的液体时，有在加热器的附近易生气泡，不能正确检测的问题。
专利文献4中仅公开有根据膜片的应变检测流量的原理，关于如何将此原理使用于实际的传感器未加以公开。即虽然在家庭用燃料电池***或携带机器用的燃料电池、医疗机器等中要求流量传感器的小型化，特别是要求容易安装于电路基板等，并且要求不论液体或气体任何一方都能使用或要求可靠度高，但该专利文献4并不是响应这样的要求的技术。
本发明是鉴于这种情况而作出的，其第1目的是提供一种流量传感器，在液体与气体这两者中都能使用，适于小型化，能表面安装于电子电路基板等，可靠度高。另外，第2目的是提供一种流量检测装置，能使用该流量传感器计量流量多的流体。
根据本发明，第1目的的流量传感器，在表面安装型的封装体中内置有流量检测单元，其特征在于，具备：
流体流路，形成于上述封装体内，将流体从设于上述封装体的下表面的流入口通过上述流量检测单元导引至设于上述封装体下表面的流出口；以及外部端子，设于上述封装体的外表面，导引上述流量检测单元的电气输出。
本发明中，为便于说明，将设有流入口与流出口的面作为下面，但若将封装体的上下面反过来，则该下表面就成为上表面，因此实质上无论上下哪一面皆可。总之，只要是与安装此流量传感器的对象物(电子电路基板等)对置的面即可。外部端子只要是封装体的外表面设于任何地方皆可。例如，可以将如带有引脚的部件或无引脚的芯片部件的电极端子设于侧面，或也可将如球栅格阵列(BGA：Ball GridArray)的电极端子设于下表面。
优选为，流量检测单元具有膜片(隔膜)，并根据膜片的位移来检测流量的差压式传感器，该膜片根据作为设于流体通路中途的流路阻抗而发挥作用的节流孔(开口、测流孔)的上游侧与下游侧的压力差而位移。设于膜片的节流孔既可以是1个，也可以多个。当设置1个节流孔时，最好设置于膜片的中央。其原因在于，如后所述，当以4个电阻器形成桥式电路时，容易取得各电阻器的均衡。
优选为，流量检测单元是具有膜片、及作为固定于该膜片的应变计的电阻元件的MEMS传感器即传感器芯片。此时，在硅(Si)基板的一部分(中央部)通过蚀刻形成薄的膜片，能通过光刻技术等在该膜片形成电阻元件或电路图案(内部电路图案)。即，使用公知的半导体技术形成该传感器芯片。
优选为，关于封装体，将下基板与上基板重叠，在下基板和上基板之间保持传感器芯片的周缘部，且在膜片的下表面开设流体流路的流入口，使形成于上基板的流体流路从膜片上表面连通至流出口。若以此种方式制作，则能将流体流路的流入口侧的长度设为最短，实质上，只要将流体流路仅形成于上基板即可，加工变简单。另外，也可将流入口与流出口设成相反。
关于膜片，通过保留传感器芯片的周围并蚀刻其内侧而较薄地形成，在该膜片的单面(例如上表面)形成作为应变计的电阻器。另外，该电阻器也可以通过绝缘皮膜事先进行涂布。此时，由于传感器芯片的周缘变厚，只要将传感器芯片的周缘夹在上基板与下基板之间进行保持即可，组装到膜片时，不施加不必要的应力，特性稳定，也适于组装。
当膜片设为四角形、并事先将4个电阻器配置于各边的中央附近，以各电阻器构成惠斯同电桥(wheatstone bridge)时，各电阻器的条件一致性好。能在上基板的下表面事先设置包围膜片周围且与其上表面具有间隙而对置的垂壁(***缘、突起状的壁)，并在该上基板事先形成用以将粘结剂供应到上述间隙的窗(充填口)。此时所使用的粘结剂是具有触变性(thixotropic characteristics)的全氟系的粘结剂，该粘结剂能通过毛细管现象流入间隙内。
由于该粘结剂具有伴随流速时粘性变小而流动性佳，不伴流速时粘性变高的特性(触变性)，因此，粘结剂注入时，不对膜片施加不必要的应力，通过毛细管力而自动地伴随流速流动，顺利地流入间隙加以密封。被密封后，由于变得无流速，因此粘结剂的黏度变高，在膜片上不必要的粘结剂不流出。
形成于上基板的流体流路能形成于上基板与重叠于其上的盖板之间。例如在上基板的上表面形成凹槽，用盖板覆盖该凹槽，由此能以简单的加工形成流体流路。
在传感器芯片上形成内部电路图案，该内部电路图案将设于膜片的作为应变计的电阻器、与从上基板的突起向外周侧形成的焊盘连接起来，在下基板形成连接于外部端子的外部电路图案，能将这些内部电路图案与外部电路图案通过引线接合加以连接。在该引线接合了的部分，供应到上述间隙的触变性粘结剂硬化后，若事先从该上基板的窗供应另一粘结剂，则适于保护引线接合部分，特别是可提高针对振动的耐久性。
如前所述，外部端子能金属镀敷成在下基板的侧面或从侧面朝下表面延伸的形状，能够作成与无引脚的芯片部件(表面安装型的电容器或电阻器等)同样的端子。另外，也可使形成有全部的外部电路图案的金属板即引线框架突出到封装体的外表面并加以固定，将该突出部分作为外部端子。
本发明第2目的的流量检测装置，使用第1目的的流量传感器，其特征在于，具备：主管材，固定有流量传感器的封装体，并形成流体的主流路；以及分流路，从该主管材将流体分流导引至上述流量传感器的流入口，且从流出口导引至主管材的主流路。
本发明的流量检测装置，通过适当地选定主流路与分流路的流路剖面积，能适当地决定分流比例。分流路能够设为如下构造：通过第1副管材及第2副管材形成，该第1副管材及第2副管材与主流路交叉(例如正交)，且分别连通于流量传感器的流入口与流出口，在第1副管材形成指向主流路的上游方向的开口，在第2副管材形成指向主流路的下游方向的开口。此时，能防止或抑制流体动压对流量传感器的影响。此处，开口也可以是多个。开口也可以是狭缝。
将安装有流量传感器与其控制电路部件的控制基板固定于主管材，第1副管材及第2副管材能贯通该控制基板而连接于流量传感器的流入口与流出口。例如若事先将设定应变计(电阻器)的输出电压的增益调整或进行偏置电压调整的放大电路搭载于控制基板，则应变计的输出信号不易受布线的噪声的影响，适于提高检测精度。
由于本发明的第1发明将流量检测传感器内设于封装体，因此能小型化，提高可靠度。另外，由于将流体流路设于封装体内，将该流体流路的流入口与流出口都集中设置于封装体的一个面(下表面)，因此能缩短流体流路与电路基板等的安装对象物的连接，且能实现小型化，能高密度安装。另外，由于将外部端子设于封装体的外表面，因此能表面安装封装体，更加适合高密度的安装。
另外，在本发明的第2发明的流量检测装置中，将该流量传感器的封装体固定于作为流体主流路的主管材，从该主管材将流体分流，导引至流量传感器的流入口，从流量传感器的流出口将流体返回主流路，因此能检测流量多的流体的流量。
附图说明
图1是表示本发明的流量传感器的一实施例的上表面侧的立体图。
图2是图1所示的流量传感器的底面侧立体图。
图3是图1所示的流量传感器的分解立体图。
图4是图1所示的流量传感器的侧剖面图，沿图3中的直线34的IV－IV线剖面图。
图5是表示将作为流量检测单元的传感器芯片固定于下基板状态的立体图。
图6是表示将上基板层叠于下基板状态的立体图。
图7是图4中VII部箭头所示部分的放大剖面图。
图8是表示传感器芯片的电路图案的俯视图。
图9是表示用图8的电阻元件形成的惠斯同电桥连接电路的图。
图10是本发明的流量检测装置的一实施方式的立体图。
图11是沿主管材的中心线将图10的流量检测装置剖面了的立体图。
图12是沿主管材的中心线将图10的流量检测装置剖了面的剖面左侧视图。
符号说明
10：流量传感器；12：封装体；14：下基板；16：上基板；18：盖板；22：传感器芯片收纳部；30：流入口(流体流路的一部分)；32：流出口(流体流路的一部分)；34：通过下基板的上表面中央的直线38：外部电路图案；40：外部端子；42：传感器芯片(流量检测单元)；44：硅基板；48：膜片；50：节流孔(开口)；54、58：焊盘56：内部电路图案；62：引线；64：间隙；66：垂壁；68：触变性粘结剂；70：流体流路；74：窗(粘结剂注入口)；80：主管材；82：主流路；86：控制基板；88：连接部件；90：第1副管材(分流路)；92：第2副管材(分流路)；94、96：开口(狭缝)；R1、R2、R3、R4：电阻元件(应变计、电阻器)
具体实施方式
以下，根据附图详细说明本发明的实施方式。另外，在以下说明中，虽根据需要使用表示特定方向或位置的用语(例如，“上”、“下”、“左”、“右”及包含这些用语的其他用语)，但其原因在于，使用这些用语容易理解参照附图的发明，并非通过这些用语的含义限定本发明的技术范围。另外，表示在多个附图的同一符号部分表示同一部分或部件。
(实施例1)
图1至4中，符号10是流量传感器，收纳于表面安装型的封装体12。封装体12是4边为8mm左右的小封装体，如图3所示，封装体12积层下基板14、上基板16、盖板18、标牌20并加以固定。下基板14、上基板16、盖板18是硬质树脂制。
由图3、4可知，在下基板14的上表面，在由中央偏心到一侧的位置形成有俯视呈四角形的传感器芯片收纳室22。该收纳室22是其底部24的各边长比上部26的各边长短的四角形，在2个四角形之间经由水平的台阶部28成为同心地重叠的形状。在该台阶部28之上固定有后述的传感器芯片42。
在收纳室22底部的中央，开口有作为流体流路一部分的流入口30。该流入口30的下端在下基板14的下表面开口(参照图4)。在下基板14，在与该收纳室22的偏心方向的相反侧形成有作为流体流路一部分的流出口32。因此，在俯视的情况下，收纳室22、流入口30与流出口32位于通过下基板14的上表面中央的直线34(参照图3)上。另外，在下基板14的下表面，在与该直线34正交的直线上形成有一对合型销36、36(参照图2、图4)。合型销36用于将该流量传感器10搭载于电路基板等时的定位。
在下基板14，以隔着该直线34大致对称的方式形成有多个(图3、5中为8个)外部电路图案38。这些外部电路图案38能通过光刻技术形成。另外，也可以通过将这些电路图案事先冲压加工到金属板的引线框架，将该引线框架固定到下基板14并除去不必要部分而形成。这些外部电路图案38的一端(内端)延伸至收纳部22附近，另一端(外端)沿下基板14的左右侧面延伸至下基板14的下表面。出现在该侧面的部分成为流量传感器10的外部端子40。
接着，参照图4、8，说明作为本发明的流量检测单元的传感器芯片42。该传感器芯片42被利用半导体制造工艺而形成于4边为3mm左右大小的硅(Si)基板44。硅单晶的硅基板44是能装入该下基板14的收纳部22的尺寸的平板，在其下表面中央形成有被四角锥面46包围的薄的膜片48。该膜片48能通过公知的蚀刻，例如感应耦合电浆(ICP：Inductively Coupled Plasma)、反应性离子蚀刻(RIE：ReactionIon Etching)等形成。在该膜片48的中央形成有作为节流孔的开口50。该开口50同样地能通过蚀刻或激光加工等形成。开口50的直径虽也可以依照测定范围（范围）或液体种类(液体或气体等)加以变更，但本实施例中，开口50的直径为50μm。
另外，图8所示的虚线是形成于膜片48的外周的上述四角锥面46，该四角锥面46的外侧是图4所示的周围部52。该周围部52是未被蚀刻而较厚地保留的硅基板44的一部分。
在形成有膜片48的硅基板44的上表面，形成有：4个电阻元件(应变计)R1～R4；沿外周缘形成的多个(6个)焊盘（电极）54(54a～54f)；以及连接这些的内部电路图案56(图8、9)。这些能使用光刻等半导体制造技术形成。另外，如图8所示，在俯视情况下，电阻R1～R4位于离四角形的膜片48的各边中央稍微内侧一些，电路图案56从电阻R1～R4向外周方向延伸后分别连接到沿膜片48的外周(四角锥面的外周)形成的焊盘54。
图8中，符号58a、58b是温度传感器的电极焊盘，在这些电极焊盘58a、58b之间形成有作为温度传感器的热敏电阻元件60。在传感器芯片42的上表面，在焊盘54、58的内侧形成氮化硅(SiN)、或碳化硅(SiC)等绝缘皮膜，将该绝缘皮膜作为保护膜。
以此方式形成的传感器芯片42被收纳于下基板14的收纳部22。即如图3、4所示，从上方充填到收纳部22，将硅基板44的周围部52保持到收纳部22的台阶部28。另外，该传感器芯片42使用粘结剂而被固定于该收纳部22。在此状态下，传感器芯片42的焊盘54、58被引线接合于下基板14的外部电路图案38的内侧的端部。即如图5所示，将金(Au)或铝(Al)的引线62通过热压接或超声波接合连接到焊盘54、58与外部电路图案38。
在该上基板16的下表面(与下基板14对置的面)形成有与传感器芯片42的周缘部的上表面具有间隙64(参照图7)而对置的垂壁(突起、***)66。即在俯视情况下，该垂壁66位于四角锥面46的上方，呈包围膜片48的周围的下垂壁状。然后，利用毛细管现象或表面张力，使触变性粘结剂68流入该间隙64中。间隙64优选是5～15微米。
在上基板16形成有在膜片48的中央上方开口且与该中央的直线34(参照图3)平行的流体流路70。该流体流路70的另一端连通于该下基板14的流出口32(参照图4)。通过利用上述盖板18从上方堵住形成于上基板16的上表面的凹槽72(参照图3)，由此能将该流体流路70形成于上基板16的上表面与盖板18之间。若以此种方式制作，就能利用半导体加工技术(蚀刻等)容易地形成与上基板16平行的流体流路70。
将该上基板16隔着热硬化性粘结片17重叠于下基板14(参照图3)，垂壁66与膜片48的上表面具有规定间隙64地对置，在此状态下，将上基板16粘结固定于下基板14。另外，在上基板16及盖板18，如图3、6所示，形成有从垂臂66的外侧面对传感器芯片42的上表面周围的4个窗(充填口)74。如前所述，这些窗74被利用于将触变性粘结剂68供应到传感器芯片42与垂壁66之间时。另外，该粘结剂68硬化后，从该窗74注入另一粘结剂，以固定引线62。
根据本实施例，从流入口30流入的流体(气体或液体)流入膜片48的下方，通过膜片48的节流孔50后流入流体流路70，再从流出口32流出。由于流体通过节流孔时的节流孔效应，在膜片48的双面间产生压力差，膜片48位移至低压侧即上侧。通过该位移，施加于电阻R1～R4的应力变化，其电阻值也变化。结果，如图9所示的桥式电路的输出变化。该输出电压的变化与施加于膜片48的双面的压力差对应。根据哈肯-帕肃叶定律(Hagen-Poiseuille Law)，该压力差与流体的流量成比例，因此通过检测该压力差能够检测流量。
(实施例2)
图10～12是表示使用该流量传感器的流量检测装置。在这些图中，符号80是形成流体通过的主流路82的主管材。在主管材80的管臂一体形成有沿其长度方向的基板收纳部84。在该基板收纳部84中收纳控制基板86。在该控制基板86的上表面安装有流量传感器10、及其输出信号的放大电路，根据需要，也可以事先安装其它的运算电路例如进行增益调整或偏置电压调整的电路等。
此处，流量传感器10以通过该膜片48的中心的直线34(参照图3)与主流路82平行、且流入口30比流出口32更位于主流路82的上流侧的方式被固定。另外，位于流量传感器10下方的连接部件88介于控制基板86与主管材80之间。
在连接部件88的下表面，如图12所示，仅偏离流量传感器10的流入口30与流出口32的距离地固定第1及第2副管材90、92的上端。连接部件88液密地固定于主管材80的管壁所开孔的开口，此时，第1及第2副管材90、92横穿主流路82被予以固定。第1及第2副管材90、92的上端贯通该连接部件88，进而经由设于控制基板86的开口，液密地连接于流量传感器10的流入口30及流出口32。
在第1副管材90形成有作为指向流体的上游方向的开口的多个狭缝94，在第2副管材92形成有作为指向流体的下游方向的开口的多个狭缝96。结果，主流路82的流体流动的一部分经由作为分流路的副管材90、92而分流至流量传感器10。流量传感器10通过检测分流至该分流路的流量，能够确定流向主管材80的全部流量。
在该控制基板86能事先搭载流量传感器10的信号放大电路，并且能事先搭载运算电路、温度修正电路等适当的电路。该运算电路通过上述这样的主流路82与分流路的分流比来修正流量传感器10的输出，并进行求出主流路82的流量的运算。

Claims (16)

1.一种流量传感器，在表面安装型的封装体中内置有流量检测单元，其特征在于，具备：
流体流路，形成于所述封装体内，将流体从设于所述封装体的下表面的流入口通过所述流量检测单元导引至设于所述封装体的下表面的流出口；以及
外部端子，设于所述封装体的外表面，导引所述流量检测单元的电气输出。
2.根据权利要求1所述的流量传感器，其特征在于，
流量检测单元是如下的差压式传感器：具有膜片，并根据所述膜片的位移来检测流量，该膜片根据设于流体流路的中途的节流孔的上游侧与下游侧的压力差而位移。
3.根据权利要求2所述的流量传感器，其特征在于，
流量检测单元是由传感器芯片形成的MEMS传感器，该传感器芯片具有所述膜片及应变计，该应变计被固定于该膜片并检测对应所述膜片的位移而产生的应变。
4.根据权利要求3所述的流量传感器，其特征在于，
封装体具备所述流入口与所述流出口开口在下表面的下基板、及重叠于该下基板且在与下基板之间保持传感器芯片的周围部的上基板，所述流入口开口在所述膜片的下表面，所述膜片的上表面通过形成于上基板的流体流路连通至所述流出口。
5.根据权利要求4所述的流量传感器，其特征在于，
所述膜片通过保留传感器芯片的周围部并蚀刻其内侧而较薄地形成，在所述膜片的单面形成有作为应变计的电阻器。
6.根据权利要求5所述的流量传感器，其特征在于，
膜片为四角形，构成所述应变计的4个电阻器配置于膜片的各边的中央，各电阻器形成桥式电路。
7.根据权利要求4所述的流量传感器，其特征在于，
在上基板的下表面形成有包围膜片的周围且与其上表面具有间隙地对置的垂壁，在该上基板形成有用于向所述间隙供应粘结剂的窗。
8.根据权利要求4所述的流量传感器，其特征在于，
形成于上基板的流体流路形成于与重叠在上基板的上表面的盖板之间。
9.根据权利要求6所述的流量传感器，其特征在于，
所述传感器芯片形成有内部电路图案，该内部电路图案将设于膜片的应变计、与从上基板的垂壁向外周侧形成的电极焊盘连接起来，在下基板形成有连接于外部端子的外部电路图案，所述内部电路图案与外部电路图案通过引线接合而连接。
10.根据权利要求7所述的流量传感器，其特征在于，
供应给形成于上基板的垂壁与下基板之间的间隙的粘结剂是具有触变性的全氟系的粘结剂，该粘结剂通过毛细管现象流入所述间隙。
11.根据权利要求7所述的流量传感器，其特征在于，
在供应到上基板的垂壁与下基板之间的间隙的粘结剂硬化后，对所述间隙的外侧供应另一粘结剂。
12.根据权利要求1所述的流量传感器，其特征在于，
外部端子是形成在下基板的至少侧面的金属镀敷层。
13.根据权利要求8所述的流量传感器，其特征在于，
外部端子利用与外部电路图案一体的引线框架形成。
14.一种流量检测装置，使用权利要求1所述的流量传感器，其特征在于，具备：
主管材，固定流量传感器的封装体，形成流体的主流路；以及
分流路，从该主管材将流体分流导引至所述流量传感器的流入口，并且从流出口导引至主管材的主流路。
15.根据权利要求13所述的流量检测装置，其特征在于，
分流路具备第1副管材以及第2副管材，该第1副管材以及第2副管材与主流路交叉，并分别连通于所述流量传感器的流入口与流出口，在第1副管材形成有指向主流路的上游方向的开口，在第2副管材形成有指向主流路的下游方向的开口。
16.根据权利要求15所述的流量检测装置，其特征在于，
在主管材固定安装了流量传感器及其控制电路部件的控制基板，第1副管材及第2副管材贯通该控制基板而连接于流量传感器。
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C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20121121