JP3969564B2

JP3969564B2 - フローセンサ

Info

Publication number: JP3969564B2
Application number: JP2001321636A
Authority: JP
Inventors: 正志中野; 宏治關; 昭司上運天; 太郎中田
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2001-10-19
Filing date: 2001-10-19
Publication date: 2007-09-05
Anticipated expiration: 2021-10-19
Also published as: JP2003121226A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流路中を流れる流体の流速または流量計測に用いられるフローセンサ、特に熱式のフローセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
流体の流速や流量を計測する熱式のフローセンサとしては、従来から種々提案されている（例：特開平４−２９５７２４号公報、特公平６−２５６８４号公報、特開平８−１４６０２６号公報等）。この種のフローセンサは、通常流速検出手段を備えた素子を配管内に計測すべき流体の流れに対して平行になるように設置し、発熱体（ヒーター）から出た熱による流体の空間的温度分布に流れによって偏りを生じさせ、これを温度センサで検出（傍熱型）するか、または流体により発熱体の熱が奪われることによる電力の変化や抵抗の変化を検出（自己発熱型）することで、流速または流量を計測するようにしている。
【０００３】
ところで、従来のフローセンサは、主として非腐食性の気体に対して用いられていたが、最近では液体や腐食性の気体にも使用可能なものが開発されている。例えばその一例として、上記した特開平４−２９５７２４号公報に開示された流量センサが知られている。
【０００４】
この流量センサは、シリコン基体の第１面に第１、第２の領域を設け、第１の領域に発熱体と温度センサを設け、第２の領域に周囲温度センサを設け、さらに第１、第２の領域を熱的に絶縁分離するために、これら両領域間に酸化した多孔性シリコン（絶縁層）からなる第３の領域を設け、シリコン基体の第２面を流体の流れを受け入れる面としている。また、第１面にシリコン製のキャップを固定し、シリコン基体の剛性を高めるとともに発熱体、温度センサおよび周囲温度センサを保護している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の流量センサは、シリコン基体が被測定流体に直接晒される構造であるため、半導体製造装置などで使用される腐食性の気体や液体などには使用できないという問題があった。
また、発熱体から周囲温度センサへの熱伝導を防止するための対策として、第１の領域と第２の領域を酸化した多孔性シリコンからなる第３の領域によって相互に熱絶縁しているものの、基体自体がシリコン製で熱伝導率が高く、発熱体の熱が絶縁層の下側を通って周囲温度センサに伝達されるため、発熱体による周囲温度センサへの熱的影響を十分に防止することができず、その結果として周囲温度センサの温度が上昇して流体の温度を正確に測定することができず、測定精度が低いという問題があった。また、シリコン基体を酸化炉内に配置して第３の領域を酸化させる工程が必要となるため、シリコン基体の製作も面倒である。
【０００６】
本発明は上記した従来の問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、発熱体の熱が熱伝導によって周囲温度検出手段に伝わらず、流体の温度を高精度に検出することができ、流量検出精度を向上させたフローセンサを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために第１の発明は、流体が流れる流路を有するフローセンサにおいて、前記流路は、ステンレス、サファイアのうちのいずれか１つによって形成された薄肉板状の基板と、前記基板と接合された流路形成部材とによって形成されており、前記流路形成部材は、前記基板と接合された面に、前記基板より小さい凹部を形成しており、前記流路は、前記凹部と前記基板との間に形成された空間と、この空間に連通する流体供給口および流体排出口とで形成されており、前記基板の流路側とは反対側の面に設けられた発熱体を含む流速検出手段および周囲温度検出手段と、前記流速検出手段と前記周囲温度検出手段との間の空間を仕切るように前記基板の通路とは反対側の面に突設されたヒートシンクとを備え、前記流速検出手段と前記周囲温度検出手段と前記ヒートシンクとは同一基板上に設けられたものである。
【０００８】
第２の発明は、前記流路形成部材が、ステンレス、サファイア、セラミックスのうちのいずれか１つによって形成されているものである。
【００１１】
第１の発明において、流速検出手段の発熱体を加熱するとその熱は基板に伝わり基板の温度を上昇させる。発熱体と周囲温度検出手段との間にヒートシンクがない場合は、基板に伝わった熱が熱伝導により周囲温度検出手段に伝わるため、周囲温度検出手段の温度を上昇させる。発熱体と周囲温度検出手段との間にヒートシンクを設けておくと、基板に伝わった熱が熱伝導によりヒートシンクに伝わるため、ヒートシンクによりその熱を放熱する。したがって、周囲温度検出手段の温度は殆ど変化せず、流体の温度を正確に測定する。ヒートシンクの熱容量および放熱効果を大きくすればするほど、周囲温度検出手段への熱的影響は少ない。
基板の流路側とは反対側の面に発熱体を含む流速検出手段を設けているので、流体が流速検出手段に直接接触せず、基板の材料を選択することにより腐食性の気体や液体の測定に使用することができる。
流速検出手段は、流体に晒されないため、ごみが堆積したり、流体により抵抗値が変化したり、経年変化したりするおそれがなく、安定した性能を維持する。基板は薄肉板状体であるため、流体と流速検出手段を熱的に短絡させる。
【００１３】
第２の発明においては、流路形成部材がステンレス、サファイアまたはセラミックスによって形成されているので、耐食性に優れ、腐食性の気体や液体の測定に用いることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は本発明に係るフローセンサの一実施の形態を示す正面図、断面図および背面図、図２はセンサ部の正面図である。これらの図において、全体を符号１で示すフローセンサは、基板４と、この基板４の表、裏面４ａ，４ｂに溶接、ろう付け、ねじなどによってそれぞれ接合されたプレート５および流路形成部材６等からなり、基板４の裏面４ｂと前記流路形成部材６とで被測定流体（以下、流体という）２の流路３の一部を構成している。
【００１５】
前記基板４は、細長い矩形の薄肉板状に形成され、裏面４ｂの外周縁部が前記流路形成部材６の表面に接合されている。基板４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が好ましい。このため、本実施の形態においては、板厚が５０〜１５０μｍ程度のステンレス製薄板によって形成し、その中央部をダイアフラム構造のセンサ部４Ａとし、前記プレート５から離間させている。このため、前記プレート５の中央には貫通穴７が前記センサ部４Ａに対応して形成されている。
【００１６】
この場合、図２においては、ダイアフラム構造のセンサ部４Ａを円形として示したが、図１に示すように流体の流れ方向に長い長円形に形成することが好ましい。その理由は、円形の場合、センサの熱バランスをよくために周囲温度センサ２２とヒートシンク２３との距離を大きくしようとすると、ダイアフラムの直径が大きく、ヒートシンク２３の長さが長くなり、ダイアフラムの強度が低下するのに対し、流体の長れ方向に長円形の場合は、周囲温度センサ２２とヒートシンク２３との距離を大きくしてもダイアフラムの短軸方向の直径が大きくならず、ヒートシンク２３の長さが長くならず、ダイアフラムの強度低下を円形に比べて軽減できるからである。
【００１７】
基板４がステンレス製の場合、その板厚が５０μｍ以下であると強度が低下するため好ましくない。また、１５０μｍ以上であると、基板４の厚さ方向、つまり流体２と後述する流速検出手段８との間の熱の伝導効率が低下するとともに、基板４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。
【００１８】
前記基板４の表面４ａには、電気絶縁膜９が全面にわたって形成されている。また、電気絶縁膜９の表面で前記センサ部４Ａに対応する中央部には、複数の電極パッド１０および配線用金属薄膜１１を含む前記流速検出手段８と周囲温度検出手段２２が周知の薄膜成形技術によって形成されている。例えば、白金等の材料を電気絶縁膜９の表面に蒸着し、所定のパターンにエッチングすることにより形成され、流速検出手段８と周囲温度検出手段２２が電極パッド１０に配線用金属薄膜１１を介してそれぞれ電気的に接続されている。
【００１９】
前記電気絶縁膜９としては、例えば厚さが数千オングストローム程度の薄い酸化シリコン（ＳｉＯ₂ ）膜か、または窒化シリコン膜からなる。酸化シリコン膜は、例えばスパッタリング、ＣＶＤまたは酸化シリコンを混入した溶剤を塗布して所定温度に加熱し、酸化シリコンを形成する。窒化シリコン膜は、スパッタリングやＣＶＤによって形成される。
【００２０】
前記流速検出手段８は、１つの発熱体（抵抗ヒータ）２０と２つの温度センサ２１Ａ，２１Ｂとを備え、傍熱型の流速検出手段を構成している。発熱体２０はセンサ部４Ａの略中央に位置している。２つの温度センサ２１Ａ，２１Ｂは発熱体２０を挟んで流体２の流れ方向の上流側と下流側にそれぞれ位置するように形成されている。周囲温度検出手段２２は、周囲温度、つまり流体２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、センサ部４Ａの外周寄りで上流側の温度センサ２１Ａよりもさらに上流側に位置するように形成されている。発熱体２０のパターンの線幅は１０〜５０μｍ、温度センサ２１Ａ，２１Ｂおよび周囲温度検出手段２２のパターンの線幅は５〜１０μｍ程度が好ましい。
【００２１】
また、前記センサ部４Ａの表面４ａには、ヒートシンク２３が前記発熱体２０（厳密には温度センサ２１Ａ）と前記周囲温度検出手段２２との間の空間を仕切るように突設されている。ヒートシンク２３は、放熱特性の良好な金属、例えばアルミニウムによって適宜な板厚を有する平板状（または筒状）に形成されてセンサ部４Ａを横断し、両側端面が前記貫通孔７の穴壁に固定されている。また、ヒートシンク２３としては、放熱効果を高めるために熱容量の大きいものが好ましい。なお、ヒートシンク２３の前記配線用金属薄膜１１と接触する箇所は、電気的に導通しないように絶縁膜によって被覆することが好ましい。
【００２２】
前記プレート５は、中央に前記貫通孔７を有し、表面にプリント配線板３０が密接して固定されている。このプリント基板３０は、中央に前記プレート５の貫通穴７と略同一の大きさの穴３０ａを有し、表面側に配線パターン３１が印刷形成されるとともにこの配線パターン３１に電気的に接続された複数本のリードピン３２が突設されている。配線パターン３１には、前記流速検出手段８の電極パッド１０がボンディングワイヤ３３によって電気的に接続され、リードピン３２には図示しない外部リード線が接続される。
【００２３】
前記プレート５の材質としては、前記流路形成部材６と同様に構造材およびヒートシンクとしての役目を果たすために、熱伝導率、耐熱性、剛性が高い材料が好ましいが、流体２には直接接触しないので、耐食性はあまり必要ではない。
【００２４】
前記流路形成部材６は、細長い板体３６と、この板体３６の背面側の長手方向両端部に接合された２本の筒体３７Ａ，３７Ｂとで構成されている。ただし、板体３６と筒体３７Ａ，３７Ｂは一体に形成されたものであってもよい。前記板体３６は、長手方向両端部に形成され前記筒体３７Ａ，３７Ｂにそれぞれ連通する２つの貫通穴（流体供給口、流体排出口）３８Ａ，３８Ｂと、これらの貫通穴３８Ａ，３８Ｂを互いに連通させるように表面側に形成された長円形の凹部３９を有している。前記凹部３９は、幅が前記基板４の幅より若干小さく、深さが０．５〜数ｍｍ程度で、基板４の裏面４ｂとの間に形成された僅かな空間が前記流体２の流路３の一部３ａを形成している。
【００２５】
前記流路形成部材６の材質としては、構造材およびヒートシンクとしての役目を果たすため熱伝導率が高く、耐熱性、耐食性および剛性の高い材料が好ましい。また、フローセンサ１を腐食性流体に適用するには、流体２と接触する部分が全て耐食性を有する同一材料であることが好ましく、さらに各部材間の接合も接合用の異種材料を用いないで行うことが好ましい。このため、本実施の形態においては、プレート５および流路形成部材６を基板４と同一材料であるステンレス（特に、ＳＵＳ３１６Ｌ）で形成している。このように、基板４、プレート５および流路形成部材６をステンレスで形成すると、ＹＡＧレーザー溶接等により異種金属を使用せずに接合することができる。また、ステンレスは、加工性も相対的に優れており、センサ用材料として好適である。ただし、ステンレスに限らず、サファイア、セラミックスなどの熱伝導率の高い材料であっても、その分薄く形成すれば面方向への熱の伝達を小さくできるので使用することが可能である。なお、３００Ｋでのステンレス、サファイア、セラミックスの熱伝導率は、その組成にもよるがそれぞれ１６．０、４６．０、３６．０［Ｗ／ｍ・Ｋ］である。
【００２６】
図３はフローセンサ１の定温度差回路を示す図である。同図において、発熱体２０、周囲温度検出手段２２および３つの固定抵抗Ｒ1 ，Ｒ2 ，Ｒ3 はブリッジ回路を形成し、これとオペアンプ（ＯＰ1 ）とで定温度差回路を構成している。ＯＰ1 は、ブリッジ回路と、抵抗Ｒ1 と発熱体２０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、発熱体２０が周囲温度検出手段２２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。
【００２７】
図４はフローセンサ１のセンサ出力回路を示す図である。同図において、２つの温度センサ２１Ａ，２１Ｂと２つの固定抵抗Ｒ4 ，Ｒ5 はブリッジ回路を形成し、これとＯＰ2 とでセンサ出力回路を構成している。
【００２８】
このようなフローセンサ１において、図３に示す定温度差回路のブリッジ回路への通電によって発熱体２０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２を図２の矢印方向に流すと、センサ部４Ａは流体２によってその流速に比例して熱を奪われるため、発熱体２０も熱を奪われて抵抗値が下がる。このため、ブリッジ回路の平衡状態が崩れるが、ＯＰ１によってその反転入力・非反転入力間に生じる電圧に応じた電圧がブリッジ回路に加えられるので、流体２によって奪われた熱を補償するように発熱体２０の発熱量が増加する。その結果、発熱体２０の抵抗値が上昇することにより、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ので、ブリッジ回路に加えられている電圧のうち、発熱体２０の端子間電圧を電圧出力として出力して使用できる。
【００２９】
流体２が発熱体２０の熱を奪うと、発熱体２０の上流側に位置する温度センサ２１Ａと下流側に位置する温度センサ２１Ｂの間に温度差が生じるので、図４に示すセンサ出力回路によってその電圧差または抵抗値差を検出し、予め校正しておいた流速または流量と電圧差または抵抗値差の関係より流速または流量を計測することができる。
【００３０】
このようなフローセンサ１にあっては、薄肉板状体からなる基板４の流体２が接する面とは反対側の面、すなわち表面４ａに流速検出手段８と周囲温度検出手段２２を設けているので、流速検出手段８、電極パッド１０、配線用金属薄膜１１、周囲温度検出手段２２が流体２に直接接触して腐食したり劣化したり、またはごみ等が付着したりすることがなく、半導体製造装置などに使用されている腐食性の気体や液体の測定にも使用することができ、センサの信頼性、耐久性を向上させることができる。
【００３１】
また、基板４は熱伝導率が低いステンレスによって薄肉板状体に形成されているので、面と平行な方向への熱伝導が少なく、基板４の厚さ方向、つまり流体２と流速検出手段８間の熱伝導が良好で、応答性を向上させることができる。また、ステンレスは、耐熱性、耐食性、加工性および剛性に優れ、センサ材料とて好適である。
【００３２】
さらに、発熱体２０（厳密には上流側の温度センサ２１Ａ）と周囲温度検出手段２２との間にヒートシンク２３を設けているので、発熱体２０と周囲温度検出手段２２を熱的に絶縁することができ、測定精度を向上させることができる。すなわち、図５（ａ）に示すようにヒートシンクを用いない場合は、発熱体２０を加熱すると、その熱によって基板４の温度が上昇するため、周囲温度検出手段２２の温度も熱伝導によって上昇し、この温度上昇が測定誤差となり流体２の温度を正確に測定できなくなる。
【００３３】
一方、図５（ｂ）に示すように発熱体２０と周囲温度検出手段２２との間にヒートシンク２３を設けておくと、発熱体２０の加熱によって基板４の温度が上昇しても、その熱はヒートシンク２３に伝わって外部に放熱されることにより消散するため、ヒートシンク２３から周囲温度検出手段２２側には熱が殆ど伝わらず、周囲温度検出手段２２の温度上昇を抑える。したがって、周囲温度検出手段２２は流体２の温度を高精度に測定する。この場合、ヒートシンク２３の熱容量を大きくしておくと、放熱効果も大きいため、発熱体２０から基板４に伝導された熱を効果的に放熱し、周囲温度検出手段２２への熱的影響を一層低減することができる。なお、４０は等温線である。
【００３４】
因みに、ヒートシンク２３を設けない場合と設けた場合について実験を行なったところ、発熱体２０を所定温度に加熱したとき、ヒートシンク２３を設けない場合は周囲温度検出手段２２の温度が５℃上昇したのに対し、ヒートシンク２３を設けた場合は周囲温度検出手段２２の温度が殆ど上昇しなかった。
【００３５】
図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は本発明の他の実施の形態を示す正面図、断面図および背面図である。なお、図１、図２に示した構成部材と同一のものについては同一符号をもって示し、その説明を適宜省略する。
【００３６】
この実施の形態では、流体２の流路３を形成する配管を流路形成部材４１として用い、この流路形成部材４１にセンサ取付孔４２を形成し、このセンサ取付孔４２にヘッダタイプのフローセンサ４３を取付け、基板４の裏面を流体２に接触させるようにしている。
【００３７】
前記フローセンサ４３は、カップ状に形成された鍔付きのケース４５と、このケース４５の背面開口部４６を覆う前記基板４と、ケース４５に組み込まれた複数本の電極５０等からなり、前記ケース４５が前記流路形成部材４１のセンサ取付孔４２にＯリングなどのシール部材とともに嵌合され、ねじや接着剤等によって固定されている。背面開口部４６は、流体２の流れ方向に長い長円形に形成されている。
【００３８】
前記基板４は、ステンレスによって薄肉板状体に形成され、裏面中央部に図２に示した流速検出手段８、電極パッド１０、配線用金属薄膜１１、周囲温度検出手段２２およびヒートシンク２３が電気絶縁膜（図示せず）を介して設けられている。なお、基板４は正方形に限らず長円形等の他の形状であってもよい。
【００３９】
前記ケース４５はステンレス製で、前記流路形成部材４１のセンサ取付孔４２に取付けられ、フランジ４５ａが流路形成部材４１の外周面にＹＡＧレーザー溶接等によって接合されている。ケース４５の背面と基板４の裏面は、流路形成部材４１の内壁面４１ａと同一面を形成し、流路３の一部を構成している。
【００４０】
前記電極５０は、金属製フレーム５１に複数本の端子ピン５２をハーメチックガラス５３によって封止したものが用いられ、各端子ピン５２の一端が前記配線用金属薄膜１１の電極パッド１０にロー付け等によって接続されている。なお、このような金属製フレーム５１を使用せず、ワイヤーボンドを使用し、電極パッド１０との接続を行うことも可能である。
【００４１】
このような構造からなるフローセンサ４３においては、流路形成部材４１にセンサ取付孔４２を形成し、このセンサ取付孔４２にフローセンサ４３を嵌め込んで固定し、基板４の裏面を流体２に接触させるだけでよいので、特別な装置、部品等を用いる必要がなく、簡単に取付けることができる。
【００４２】
また、ヒートシンク２３を備えているので上記した実施の形態と同様に周囲温度検出手段２２への熱的影響を軽減防止でき、センサの測定精度を向上させることができる。
【００４３】
なお、本発明は上記した実施の形態に何ら限定されるものではなく、種々の変更、変形が可能である。例えば、上記した実施の形態においては、発熱体２０から出た熱による流体２の空間的温度分布に流れによって偏りを生じさせ、これを２つの温度センサ２１Ａ，２１Ｂで検出する傍熱型のセンサを用いた例を示したが、これに限らず流体２により発熱体２０の熱が奪われることによる電力の変化や抵抗の変化を検出し、流量または流速を検出する自己発熱型のセンサを用いてもよい。
また、２つの温度センサ２１Ａ，２１Ｂを用いたが、１つであってもよい。さらに、周囲温度検出手段２２を２つ用い、流体２の流れ方向または流れ方向と直交する方向に対向させて配置してもよい。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係るフローセンサによれば、流速検出手段から基板に伝達される熱をヒートシンクによって放熱するように構成したので、熱伝導による周囲温度検出手段の温度上昇を防止することができ、センサの測定精度を向上させることができる。
また、基板にヒートシンクを突設するだけでよいので、構造が簡単で容易に製作することができる。
また、流速検出手段と周囲温度検出手段が流体に直接接触しないので、基板の材質を選択することにより、液体や腐食性の気体の測定にも対応でき、信頼性および耐久性の高いセンサを提供することができる。
【００４５】
また、基板の材質としては、ステンレス、サファイア、セラミックス等が挙げられ、この中で特にステンレスは耐食性、加工性、熱伝導率、剛性の面で非常に適した材料であり、また耐腐食性を特に高める必要がある場合はサファイアが好適である。また、基板の板厚としては、流体と流速検出手段間の熱伝導を良くするとともに基板内の横方向の熱伝導を少なくするためにできるだけ薄く形成することが好ましいが、条件としては加工性、強度、ハンドリング等の製作上の外的要因を考慮して決定する必要がある。このためステンレスの場合は、５０〜１５０μｍ程度が最適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は本発明に係るフローセンサの一実施の形態を示す正面図、断面図および背面図である。
【図２】センサ部の正面図である。
【図３】フローセンサの定温度差回路を示す図である。
【図４】センサ出力回路を示す図である。
【図５】本発明による効果を説明するための図で、（ａ）はヒートシンクを設けない場合、（ｂ）はヒートシンクを設けた場合の図である。
【図６】本発明の他の実施の形態を示す正面図、断面図および背面図である。
【符号の説明】
１…フローセンサ、２…流体、３…流路、４…基板、４Ａ…センサ部、５…プレート、６…流路形成部材、８…流速検出手段、２０…発熱体（ヒータ）、２１Ａ，２１Ｂ…温度センサ、２２…周囲温度検出手段、２３…ヒートシンク、４１…流路形成部材、４３…フローセンサ、４５…ケース。

Claims

流体が流れる流路を有するフローセンサにおいて、
前記流路は、ステンレス、サファイアのうちのいずれか１つによって形成された薄肉板状の基板と、前記基板と接合された流路形成部材とによって形成されており、
前記流路形成部材は、前記基板と接合された面に、前記基板より小さい凹部を形成しており、
前記流路は、前記凹部と前記基板との間に形成された空間と、この空間に連通する流体供給口および流体排出口とで形成されており、
前記基板の流路側とは反対側の面に設けられた発熱体を含む流速検出手段および周囲温度検出手段と、前記流速検出手段と前記周囲温度検出手段との間の空間を仕切るように前記基板の通路とは反対側の面に突設されたヒートシンクとを備え、
前記流速検出手段と前記周囲温度検出手段と前記ヒートシンクとは同一基板上に設けられたことを特徴とするフローセンサ。
請求項１記載のフローセンサにおいて、
前記流路形成部材が、ステンレス、サファイア、セラミックスのうちのいずれか１つによって形成されていることを特徴とするフローセンサ。