WO2011121680A1 - 流量センサーおよび流量検出装置 - Google Patents

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WO2011121680A1 PCT/JP2010/005658 JP2010005658W WO2011121680A1 WO 2011121680 A1 WO2011121680 A1 WO 2011121680A1 JP 2010005658 W JP2010005658 W JP 2010005658W WO 2011121680 A1 WO2011121680 A1 WO 2011121680A1
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康成 椛澤
二郎 大岡
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株式会社菊池製作所
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    • H01L2924/1461—MEMS

Definitions

  • the present invention relates to a flow rate sensor capable of detecting a flow rate of gas or liquid by storing a MEMS sensor chip in a surface mount type package, and a flow rate detection device using the flow rate sensor.
  • MEMS Micro Electro Mechanical Systems
  • machining technology machining technology
  • material technology machining technology
  • sensors using this MEMS technology, for example, acceleration sensors, angular velocity sensors, pressure sensors, and the like are widely used.
  • a fluid is passed through an orifice, and a pressure difference before and after the orifice is detected by a manometer or two pressure sensors (orifice flow meter).
  • An impeller is provided in the fluid flow, and the flow rate is calculated from the rotational speed of the impeller.
  • the ultrasonic wave emitted obliquely from the pipe wall of the flow path is detected by an ultrasonic sensor provided on the opposite pipe wall and detected from the change in detection intensity due to the Doppler effect at that time (ultrasonic flow rate) ), Detecting the voltage change in the direction perpendicular to the magnetic field generated in the fluid passing through the magnetic field (electromagnetic flowmeter), detecting the change in fluid temperature before and after the fluid is heated by the heater (thermal mass) And the like are known.
  • Patent Documents 1 and 2 disclose that a semiconductor sensor having a MEMS chip constitutes an acceleration sensor, an angular velocity sensor, and a pressure sensor, but there is no description of the flow rate sensor.
  • Patent Document 3 discloses a thermal mass flow meter (thermal flow sensor) in which a micro-sized glass tube is brought into contact with a MEMS chip formed on a Si (silicon) substrate so that a liquid flows through the glass tube. .
  • Patent Document 4 discloses the concept of a differential pressure type flow sensor. That is, a membrane (also referred to as a diaphragm) is formed on a Si (silicon) substrate using a semiconductor microfabrication technique, and a fluid is passed through a diaphragm (at least one opening) formed on the membrane. A differential pressure proportional to the flow rate is generated, and a stress (strain) generated in the membrane by this differential pressure is electrically detected by a diffusion resistance (piezoresistive element) formed on the membrane. Since the silicon single crystal does not undergo plastic deformation at room temperature, the characteristics do not change, and since the membrane is integral with the substrate, stable characteristics can be obtained.
  • JP 2010-28025 A JP 2010-19963 US6813944B2 US6253605B1
  • Patent Documents 1 and 2 detect acceleration, angular velocity, and pressure using MEMS technology, and do not detect the flow rate of gas or liquid, nor do they suggest a flow meter.
  • Patent Document 3 since the liquid flowing in the microtube is heated by a heater, it is necessary to extremely reduce the thickness of the microtube in order to improve the response, and there is a problem in strength. Further, when measuring a low boiling point liquid, there is a problem that bubbles are easily generated in the vicinity of the heater and accurate detection cannot be performed.
  • Patent Document 4 only shows the principle of detecting the flow rate from the distortion of the membrane, and does not disclose how to use this for an actual sensor.
  • fuel cell systems for home use, fuel cells for portable devices, medical devices, etc. are required to be small in flow rate sensor, especially easy to mount on electric circuit boards, and can be used for both liquid and gas.
  • this Patent Document 4 does not meet such a requirement.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, can be used for both liquid and gas, is suitable for downsizing, can be surface-mounted on an electronic circuit board, etc., and has high reliability.
  • a first object is to provide a high flow sensor. It is a second object of the present invention to provide a flow rate detection device that can measure a fluid having a high flow rate by using this flow rate sensor.
  • a first object is a flow rate sensor in which a flow rate detecting means is built in a surface mount type package, and the flow rate is formed from the inlet formed in the package and provided on the lower surface of the package.
  • a flow rate sensor comprising: a fluid flow path that leads to an outlet provided on a lower surface of the package through a detection unit; and an external terminal that is provided on an outer surface of the package and that guides an electrical output of the flow rate detection unit; Is achieved.
  • the surface on which the inflow port and the outflow port are provided is the lower surface for convenience of explanation, but if the package is turned upside down, the lower surface becomes the upper surface. good. In any case, any surface may be used as long as it faces an object (an electronic circuit board or the like) on which it is mounted.
  • the external terminal may be provided anywhere on the outer surface of the package. For example, an electrode terminal such as a leaded component or a leadless chip component may be provided on the side surface, or an electrode terminal such as a BGA (Ball Grid Array) may be provided on the lower surface.
  • the flow rate detection means has a membrane (diaphragm) that is displaced based on the pressure difference between the upstream side and the downstream side of the throttle (opening, orifice) that acts as a flow path resistance provided in the middle of the fluid passage.
  • a differential pressure type sensor that detects this is suitable.
  • One diaphragm may be provided on the membrane, or a plurality of diaphragms may be provided. When providing one aperture, it is preferable to provide it at the center of the membrane. This is because, when a bridge circuit is formed with four resistors as will be described later, it is easy to balance each resistor.
  • the flow rate detecting means may be a sensor chip that is a MEMS sensor having a membrane and a resistance element that becomes a strain gauge fixed to the membrane.
  • a thin membrane can be formed by etching on a part (center portion) of the Si (silicon) substrate, and a resistance element and a circuit pattern (internal circuit pattern) can be formed on the membrane by a photolithography technique or the like. That is, the sensor chip is formed using a known semiconductor technology.
  • the package overlaps the lower substrate and the upper substrate, holds the peripheral edge of the sensor chip between them, and opens the fluid channel inlet on the lower surface of the membrane, and the fluid channel formed on the upper substrate is the membrane. It is preferable to communicate with the outflow port from the upper surface. In this way, it is only necessary to form the fluid flow path substantially only on the upper substrate with the shortest length on the inlet side of the fluid flow path, and the processing is simplified. It is also possible to reverse the inlet and outlet.
  • the membrane is formed thin by etching the inside of the sensor chip while leaving the periphery of the sensor chip, and a resistor serving as a strain gauge is formed on one surface (for example, the upper surface) of the membrane.
  • This resistor is coated with an insulating film. In this case, since the periphery of the sensor chip becomes thick, it is only necessary to hold it between the upper substrate and the lower substrate, so that unnecessary stress is not applied to the membrane during assembly, the characteristics are stable and convenient for assembly. .
  • each resistor has the same conditions and is convenient when a wheatstone bridge is formed with each resistor.
  • the lower surface of the upper substrate is provided with a vertical wall (ridge, projecting wall) that surrounds the membrane and is opposed to the upper surface with a gap.
  • the window (filling port) can be formed.
  • the adhesive used in this case is a perfluoro adhesive having thixotropic characteristics, and this adhesive can be caused to flow into the gap by capillary action.
  • This adhesive has low viscosity and good fluidity when accompanied by a flow rate, and has a property of increasing viscosity (thixotropy) when not accompanied by a flow rate, so that unnecessary stress is not applied to the membrane when the adhesive is injected. It automatically flows with a flow rate by capillary force, smoothly flows into the gap, and is sealed. After sealing, the flow rate disappears, so the viscosity of the adhesive increases, and unnecessary adhesive does not flow out on the membrane.
  • the fluid flow path formed on the upper substrate can be formed between the upper substrate and the cover plate stacked thereon.
  • the fluid flow path can be formed by simple processing.
  • the sensor chip is formed with an internal circuit pattern that connects a resistor that is a strain gauge provided on the membrane and a pad that is formed on the outer peripheral side of the protrusion on the upper substrate, and an external circuit connected to an external terminal on the lower substrate.
  • a circuit pattern is formed, and these internal circuit pattern and external circuit pattern can be connected by wire bonding. If the thixotropic adhesive supplied to the gap is hardened to this wire-bonded portion after another adhesive is supplied from the window of the upper substrate, the wire-bonded portion is protected, in particular, the durability against vibration is improved. Suitable for.
  • the external terminals should be metal-plated in a shape that extends from the side of the lower substrate or from the side to the bottom, and should be the same terminals as leadless chip components (surface-mounted capacitors, resistors, etc.) Can do.
  • a lead frame which is a metal plate on which all external circuit patterns are formed, may be fixed by protruding from the outer surface of the package, and this protruding portion may be used as an external terminal.
  • a second object of the present invention is a flow rate detection apparatus using the flow rate sensor of claim 1,
  • a main pipe material in which a package of the flow sensor is fixed to form a main flow path of the fluid, and a branch flow path for diverting the fluid from the main pipe material to the inlet of the flow sensor and from the outlet to the main flow path of the main pipe material It is achieved by a flow rate detection device characterized by comprising.
  • the flow ratio can be appropriately determined by appropriately selecting the cross-sectional area of the main flow path and the flow path.
  • the branch channel intersects the main channel (for example, orthogonal) and is formed by the first and second sub pipes communicating with the inlet and the outlet of the flow sensor, respectively, and the first sub pipe is directed in the upstream direction of the main channel.
  • the second sub-tube material may have a structure in which an opening directed in the downstream direction of the main flow path is formed. In this case, the influence of the fluid dynamic pressure on the flow sensor can be prevented or suppressed.
  • a plurality of openings may be provided.
  • the opening may be a slit.
  • a control board on which the flow sensor and its control circuit components are mounted is fixed to the main pipe material, and the first and second sub pipe materials pass through the control board and are connected to the inlet and outlet of the flow sensor. it can.
  • an amplifier circuit that adjusts the gain voltage and offset voltage to set the output voltage of the strain gauge (resistor) is mounted on the control board, the output signal of the strain gauge is less affected by wiring noise and detection accuracy Suitable for improvement.
  • the first invention of the present invention incorporates the flow rate detection sensor in the package, it can be miniaturized and the reliability is improved.
  • the fluid flow path is provided in the package, and the inlet and outlet of the fluid flow path are collectively provided on one surface (lower surface) of the package, the fluid flow path with the mounting object such as the electric circuit board is provided. Connections can be shortened and compactly integrated, enabling high-density mounting. Further, since the external terminals are provided on the outer surface of the package, the package can be surface-mounted, which is suitable for higher density mounting.
  • the flow rate sensor package is fixed to the main pipe material serving as the main flow path of the fluid, the fluid is diverted from the main pipe material and led to the inlet of the flow rate sensor, Since the fluid is returned from the outlet of the flow rate sensor to the main flow path, the flow rate of the fluid having a high flow rate can be detected.
  • FIG. 1 is a bottom perspective view of the flow sensor shown in FIG. 1 is an exploded perspective view of the flow sensor shown in FIG.
  • FIG. 4 is a side sectional view of the flow sensor shown in FIG. 1, which is a sectional view taken along line IV-IV along the straight line 34 in FIG. 3.
  • the perspective view which shows the state which fixed the sensor chip as a flow volume detection means to the lower board
  • FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of the portion indicated by the arrow VII in FIG. Plan view showing circuit pattern of sensor chip
  • FIG. 1 is a perspective view of an embodiment of a flow detection device according to the present invention.
  • 10 is a perspective view of the flow rate detection device of FIG. 10 taken along the center line of the main pipe material.
  • 10 is a cross-sectional left side view of the flow rate detection device of FIG. 10 taken along the center line of the main pipe material.
  • reference numeral 10 denotes a flow sensor, which is housed in a surface mount type package 12.
  • the package 12 is a small one having four sides of about 8 mm.
  • the lower substrate 14, the upper substrate 16, the lid plate 18, and the name plate 20 are laminated and fixed.
  • the lower substrate 14, the upper substrate 16, and the cover plate 18 are made of hard resin.
  • a sensor chip storage chamber 22 having a square shape in plan view is formed on the upper surface of the lower substrate 14 at a position eccentric to one side from the center.
  • the storage chamber 22 has a rectangular shape in which each side length of the bottom portion 24 is shorter than each side length of the upper portion 26, and is concentrically overlapped between two squares via a horizontal stepped portion 28.
  • a sensor chip 42 to be described later is fixed on the step portion 28.
  • an inflow port 30 serving as a part of the fluid flow path is opened.
  • the lower end of the inflow port 30 is opened on the lower surface of the lower substrate 14 (see FIG. 4).
  • an outflow port 32 that is a part of the fluid flow path is formed on the opposite side to the eccentric direction of the storage chamber 22. Therefore, the storage part 22, the inlet 30 and the outlet 32 are located on a straight line 34 (FIG. 3) passing through the center of the upper surface of the lower substrate 14 in plan view.
  • a pair of dowels 36, 36 are formed on the lower surface of the lower substrate 14 on a straight line orthogonal to the straight line 34 (FIGS. 2 and 4). The dowel 36 is used for positioning when the flow sensor 10 is mounted on an electric circuit board or the like.
  • a large number (eight in FIG. 3 and 8) of external circuit patterns 38 are formed on the lower substrate 14 so as to be substantially symmetric with respect to the straight line 34.
  • These external circuit patterns 38 can be formed by photolithography. Alternatively, a lead frame obtained by punching these circuit patterns in advance on a metal plate may be fixed to the lower substrate 14 to remove unnecessary portions.
  • These external circuit patterns 38 have one end (inner end) extending in the vicinity of the storage portion 22 and the other end (outer end) extending along the left and right side surfaces of the lower substrate 14 to the lower surface of the lower substrate 14. The part that appears on this side surface is the external terminal 40 of the flow sensor 10.
  • the sensor chip 42 is formed on a Si (silicon) substrate 44 having a side of about 3 mm by using a semiconductor manufacturing process.
  • the silicon single crystal Si substrate 44 is a flat plate having a size that can be accommodated in the storage portion 22 of the lower substrate 14, and a thin membrane 48 surrounded by a quadrangular pyramid surface 46 is formed at the center of the lower surface thereof.
  • the membrane 48 can be formed by known etching (for example, ICP (inductively coupled plasma), RIE (reactive ion etching), etc.)
  • An opening 50 serving as a diaphragm is formed in the center of the membrane 48. 50 can be similarly formed by etching, laser processing, etc.
  • the diameter of the opening 50 may be changed depending on the measurement range (range) and fluid type (liquid or gas), but in this embodiment, the diameter is 50 ⁇ m. .
  • the peripheral portion 52 is a part of the silicon substrate 44 that remains thick without being etched.
  • the resistors R1 to R4 are positioned slightly inward from the center of each side of the quadrangular membrane 48 in plan view, and the circuit pattern 56 extends from the resistors R1 to R4 in the outer peripheral direction and then the membrane 48 Each is connected to an electrode pad 54 formed along the outer periphery (the outer periphery of the quadrangular pyramid surface).
  • reference numerals 58a and 58b are electrode pads of the temperature sensor, and a thermal resistance element 60 serving as the temperature sensor is formed between them.
  • an insulating film such as silicon nitride SiN or silicon carbide SiC is formed inside the pads 54 and 58, and this is used as a protective film.
  • the sensor chip 42 thus formed is housed in the housing portion 22 of the lower substrate 14. That is, as shown in FIGS. 3 and 4, the storage unit 22 is loaded from above, and the peripheral portion 52 of the silicon substrate 44 is held in the stepped portion 28 of the storage unit 22. The sensor chip 42 is fixed to the storage portion 22 using an adhesive. In this state, the electrode pads 54 and 58 of the sensor chip 42 are wire-bonded to the inner end of the external circuit pattern 38 of the lower substrate 14. That is, as shown in FIG. 5, Au (gold) or Al (aluminum) wire 62 is connected to electrode pads 54 and 58 and external circuit pattern 38 by thermocompression bonding or ultrasonic bonding.
  • a vertical wall (projection, ridge) 66 is formed opposite to the upper surface of the peripheral portion of the sensor chip 42 with a gap 64 (FIG. 7). . That is, the hanging wall 66 is located above the quadrangular pyramid surface 46 in a plan view and has a hanging wall shape surrounding the membrane 48. A thixotropic adhesive 68 is subsequently introduced into the gap 64 using capillary action or surface tension.
  • the gap 64 is preferably 5 to 15 micrometers.
  • the upper substrate 16 is formed with a fluid flow path 70 that opens above the center of the membrane 48 and is parallel to the straight line 34 (FIG. 3).
  • the other end of the fluid flow path 70 communicates with the outlet 32 of the lower substrate 14 (FIG. 4).
  • the fluid flow path 70 is formed between the upper surface of the upper substrate 16 and the lid plate 18 by closing a concave groove 72 (see FIG. 3) formed on the upper surface of the upper substrate 16 from above with the lid plate 18. be able to. In this way, the fluid flow path 70 horizontal to the upper substrate 16 can be easily formed by a semiconductor processing technique (such as etching).
  • the vertical wall 66 faces the upper surface of the membrane 48 with a predetermined gap 64, and in this state the upper substrate 16 Are bonded and fixed to the lower substrate 14.
  • the upper substrate 16 and the cover plate 18 are formed with four windows (filling ports) 74 facing the upper surface of the sensor chip 42 from the outside of the hanging wall 66 as shown in FIGS. These windows 74 are used when supplying the thixotropic adhesive 68 between the sensor chip 42 and the hanging wall 66 as described above. After the adhesive 68 is cured, another adhesive is injected from the window 74 and the wire 62 is fixed.
  • the fluid (gas or liquid) flowing in from the inlet 30 enters below the membrane 48, enters the fluid flow path 70 through the restriction 50 of the membrane 48, and flows out from the outlet 32.
  • a pressure difference is generated between both surfaces of the membrane 48 due to the restriction effect when the fluid passes through the restriction, and the membrane 48 is displaced to the upper side which is the low pressure side. Due to this displacement, the stress applied to the resistors R1 to R4 changes, and the resistance value changes.
  • the output of the bridge circuit shown in FIG. 9 changes. This change in output voltage corresponds to the pressure difference applied to both surfaces of the membrane 48. According to Hagen-Poiseuille Law, this pressure difference is proportional to the flow rate of the fluid. Therefore, the flow rate can be detected by detecting this pressure difference.
  • reference numeral 80 denotes a main pipe material forming a main flow path 82 through which a fluid passes.
  • a substrate housing portion 84 is integrally formed on the tube wall of the main tube 80 along the length direction thereof.
  • a control board 86 is stored in the board storage portion 84.
  • the flow sensor 10 and an output signal amplification circuit are mounted on the upper surface of the control board 86, and other arithmetic circuits such as a circuit for performing gain adjustment and offset voltage adjustment may be mounted as necessary. good.
  • the flow rate sensor 10 is fixed so that the straight line 34 (FIG. 3) passing through the center of the membrane 48 is parallel to the main flow path 82 and the inlet 30 is positioned upstream of the main flow path 82 from the outlet 32.
  • a connection member 88 located below the flow sensor 10 is interposed between the control board 86 and the main pipe member 80.
  • the upper ends of the first and second sub pipe members 90 and 92 are fixed to the lower surface of the connecting member 88 at a distance of the inlet 30 and the outlet 32 of the flow sensor 10.
  • the connection member 88 is liquid-tightly fixed to an opening opened in the pipe wall of the main pipe member 80, and at this time, the first and second sub pipe members 90 and 92 are fixed across the main flow path 82.
  • the upper ends of the first and second sub pipe members 90 and 92 pass through the connecting member 88 and are further fluid-tightly connected to the inlet 30 and the outlet 32 of the flow sensor 10 through openings provided in the control board 86. Is.
  • a plurality of slits 94 as openings directed in the upstream direction of fluid are formed in the first sub pipe material 90, and a plurality of slits 96 as openings opening in the downstream direction of fluid are formed in the second sub pipe material 92, respectively. ing.
  • a part of the fluid flow in the main flow path 82 is diverted to the flow sensor 10 via the sub pipe members 90 and 92 that become the diversion paths.
  • the flow rate sensor 10 can specify the total flow rate that flows through the main pipe 80 by detecting the flow rate that is diverted to the flow path.
  • control board 86 performs an operation for obtaining the flow rate of the main flow path 82 by correcting the output of the flow sensor 10 based on the diversion ratio between the main flow path 82 and the diversion flow path.
  • Appropriate circuits such as an arithmetic circuit and a temperature correction circuit can be mounted.

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Abstract

　表面実装型のパッケージに流量検出手段を内蔵した流量センサー。パッケージ１２内に形成され、流体をパッケージ１２の下面に設けた流入口３０から流量検出手段を通してパッケージ１２の下面に設けた流出口３２に導く流体流路７０と、パッケージ１２の外面に設けられ流量検出手段の電気出力が導かれる外部端子４０とを備える。液体と気体のどちらにも使用することができる。小型化に適し、電子回路基板などに表面実装することが可能であり、信頼性が高い。

Description

流量センサーおよび流量検出装置
　この発明は、ＭＥＭＳセンサーチップを表面実装型のパッケージに収納し、気体や液体の流量を検出することができる流量センサーと、この流量センサーを用いた流量検出装置とに関するものである。
　半導体製造プロセス技術を利用して、これに機械加工技術や材料技術などを組み合わせることによって、基板上に三次元的な微細構造を有するシステムを実現するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術が、近年センサーやポンプなどのデバイスの小型化、軽量化のために広く用いられている。このＭＥＭＳ技術を用いたセンサー（ＭＥＭＳセンサー）としては、例えば加速度センサ、角速度センサー、圧力センサーなどが広く用いられている。
　近年家庭用（戸建て住宅用）の分散型エネルギープラントとして燃料電池システムの普及と商業化が期待されている。この種の燃料電池では、燃料ガスや液体燃料の流量や、改質器に供給する水量、改質器でできた水素などを燃料電池自体に供給する流量を高精度に検出してその流量を制御することが必要になる。また燃料から必要な水素（Ｈ2）を取り出す改質時に一酸化炭素（ＣＯ）が生成されるが、この一酸化炭素は電池触媒の性能に悪影響を及ぼすため、一酸化炭素濃度低減のため選択酸化用空気の流量制御も同時に求められる。さらに分析装置や医療関連（投薬、臨床試験など）、自動車をはじめとする輸送機械の分野でも、気体や液体の微少量の流量検出が必要になる。従来より種々の流量計が提案されているが、その多くは気体流量のみを計量するものであって、液体の流量計測に適するものはきわめて少ない。
　例えば、流体をオリフィスに通し、オリフィスの前後の圧力差をマノメータや２つの圧力センサー等で検出するもの（オリフィス流量計）、流体の流れ内に翼車を設けこの翼車の回転数から流量を検出するもの（タービン流量計）があるが、これらはいずれも大型化する欠点がある。また、流路の管壁から流れに対して斜めに射出した超音波を対向する管壁に設けた超音波センサーで検出し、その時のドップラー効果による検出強度の変化から検出するもの（超音波流量計）、磁界中を通過する流体に発生する磁界直交方向の電圧変化を検出するもの（電磁流量計）、流体をヒータで加熱した時にその前後の流体温度の変化を検出するもの（熱式質量流量計）、等が公知である。
　特許文献１、特許文献２には，ＭＥＭＳチップを有する半導体センサーで加速度センサー、角速度センサー、圧力センサーを構成することが開示されているが、これらには流量センサーについての説明はない。特許文献３にはＳi（シリコン）基板に形成したＭＥＭＳチップにマイクロサイズのガラスチューブを接触させ、ガラスチューブに液体を流すようにした熱式質量流量計（熱式フローセンサー）が開示されている。
　特許文献４には、差圧式の流量センサの概念が開示されている。すなわち、半導体微細加工技術を用いＳｉ（シリコン）基板にエッチング技術でメンブレン（ダイヤフラムともいう）を形成し、このメンブレンに形成した絞り（少なくとも１つの開口）に流体を通すことによって、メンブレンの両側に流量に比例する差圧を発生させ、この差圧によってメンブレンに生ずる応力（歪み）を、メンブレンに形成した拡散抵抗（ピエゾ抵抗素子）によって電気的に検出するものである。シリコン単結晶は室温では塑性変形しないため特性が変化せず、またメンブレンが基板と一体であるため安定した特性が得られるものである。
特開２０１０－２８０２５ 特開２０１０－１９６９３ ＵＳ６８１３９４４Ｂ２ ＵＳ６２５３６０５Ｂ１
　特許文献１，２のものはＭＥＭＳ技術を用いて加速度、角速度、圧力を検出するものであり、気体や液体の流量を検出するものではなく、流量計を示唆するものでもない。特許文献３のものは、マイクロチューブ内を流れる液体をヒータで加熱するため、応答性を良くするためにはこのマイクロチューブの肉厚を極端に薄くする必要があり、強度上の問題がある。また低沸点の液体を計量する場合は、ヒータの近傍で気泡が発生し易く正確な検出ができなくなるという問題がある。
　特許文献４にはメンブレンの歪みから流量を検出する原理が示されているだけであり、これをどのように実際のセンサに用いるかについては開示されていない。すなわち家庭用燃料電池システムや携帯機器用の燃料電池、医療機器などでは流量センサーの小型化、特に電気回路基板などに実装し易いことが求められ、液体・気体を問わずにどちらにも使用できることや信頼性が高いことが要求されるが、この特許文献４はこの様な要求に応えるものではない。
　この発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、液体と気体のどちらにも使用することができ、小型化に適し、電子回路基板などに表面実装することが可能であり、信頼性が高い流量センサーを提供することを第１の目的とする。またこの流量センサーを用いて流量が多い流体の計量を可能にする流量検出装置を提供することを第２の目的とする。
　この発明によれば第１の目的は、表面実装型のパッケージに流量検出手段を内蔵した流量センサーであって、前記パッケージ内に形成され、流体を前記パッケージの下面に設けた流入口から前記流量検出手段を通して前記パッケージの下面に設けた流出口に導く流体流路と、前記パッケージの外面に設けられ前記流量検出手段の電気出力が導かれる外部端子と、を備えることを特徴とする流量センサー、により達成される。
　本発明では、流入口と流出口を設ける面は説明の便宜上下面としているが、パッケージを上下面を逆にすればこの下面は上面になるから、実質的には上下どちらの面であっても良い。いずれにしてもこれを実装する対象物（電子回路基板など）に対向する面であればよい。外部端子は、パッケージの外面であればどこに設けても良い。例えばリード付き部品やリードレスのチップ部品のような電極端子を側面に設けたり、ＢＧＡ（Ball Grid Array）のような電極端子を下面に設けても良い。
　流量検出手段は、流体通路の途中に設けた流路抵抗として作用する絞り（開口、オリフィス）の上流側と下流側の圧力差に基づいて変位するメンブレン（ダイヤフラム）を持ち、メンブレンの変位から流量を検出する差圧式のセンサーが適する。メンブレンに設ける絞りは１つであってもよいが複数であっても良い。１つの絞りを設ける場合は、メンブレンの中央に設けるのがよい。後記するように４個の抵抗器でブリッジ回路を形成する場合に、各抵抗器の均衡が取り易いからである。
　流量検出手段は、メンブレンと、このメンブレンに固定された歪みゲージとなる抵抗素子とを有するＭＥＭＳセンサーであるセンサーチップとするのが良い。この場合は、Ｓｉ（シリコン）基板の一部（中央部）にエッチングによって薄いメンブレンを形成し、このメンブレンにフォトリソグラフィ技術などによって抵抗素子や回路パターン（内部回路パターン）を形成することができる。すなわち公知の半導体技術を用いてこのセンサーチップを形成する。
　パッケージは、下基板と上基板とを重ね、これらの間にセンサーチップの周縁部を保持すると共に、メンブレンの下面に流体流路の流入口を開口させ、上基板に形成した流体流路をメンブレンの上面から流出口に連通させるのがよい。このようにすれば流体流路の流入口側を最短長として、流体流路を実質的に上基板だけに形成すれば済むことになり、加工が簡単になる。なお流入口と流出口を逆にすることも可能である。
　メンブレンはセンサーチップの周囲を残してその内側をエッチングすることにより薄く形成したものとし、このメンブレンの片面（例えば上面）に歪みゲージとなる抵抗器を形成する。なおこの抵抗器は絶縁皮膜によってコーティングしておく。この場合はセンサーチップの周縁が厚くなるのでここを上基板と下基板の間に挟んで保持すればよく、メンブレンに組み立て時に不要な応力が加わらず、特性が安定し、組み立てにも都合がよい。
　メンブレンは四角形とし、４個の抵抗器を各辺の中央付近に配置しておけば各抵抗器でホイートストーンブリッジ（wheatstone bridge）を構成する場合に、各抵抗器の条件が揃い都合がよい。上基板の下面にはメンブレンの周囲を囲みかつこの上面に間隙を持って対向する垂壁（リッジ、突起状の壁）を設けておき、この上基板には前記間隙に接着剤を供給するための窓（充填口）を形成しておくことができる。この場合に用いる接着剤は、チクソ性（thixotropic characteristics）を持つパーフルオロ系の接着剤であり、この接着剤は毛細管現象によって間隙に流入させることができる。
　この接着剤は流速を伴った時には粘性が小さくて流動性が良く、流速を伴わない時には粘性が高くなる特性（チクソ性）を有するから、接着剤注入時にはメンブレンに不要な応力を加えることがなく毛管力によって自動的に流速を伴って流動し、間隙に円滑に流入して封止される。封止された後は流速が無くなるので接着剤の粘度は高くなり、メンブレン上に不要な接着剤が流出しなくなる。
　上基板に形成する流体流路は、上基板とこの上に重ねた蓋板との間に形成することができる。例えば上基板の上面に凹溝を形成し、この凹溝を蓋板で覆うことで流体流路を簡単な加工で形成できる。
　センサーチップには、メンブレンに設けた歪みゲージとなる抵抗器と、上基板の突起より外周側に形成したパッドとを接続する内部回路パターンを形成し、下基板には外部端子に接続された外部回路パターンを形成し、これら内部回路パターンと外部回路パターンとをワイヤボンディングで接続することができる。このワイヤボンディングした部分には前記間隙に供給したチクソ性接着剤が硬化した後に前記上基板の窓から他の接着剤を供給しておけば、ワイヤボンディング部分の保護、特に振動に対する耐久性の向上に適する。
　外部端子は前記したように、下基板の側面、あるいは側面から下面に伸びる形状に金属メッキしたものとし、リードレスのチップ部品（表面実装型のコンデンサや抵抗器など）と同様な端子とすることができる。また全ての外部回路パターンを形成した金属板であるリードフレームをパッケージの外面に突出させて固定しこの突出部分を外部端子としても良い。
　本発明の第２の目的は、請求項１の流量センサーを用いた流量検出装置であって、
　流量センサーのパッケージが固定され流体の主流路を形成する主管材と、この主管材から流体を分流して前記流量センサーの流入口に導くと共に流出口から主管材の主流路に導く分流路とを備えることを特徴とする流量検出装置、により達成される。
　本発明の流量検出装置では、主流路と分流路との流路断面積を適切に選定することにより分流比を適切に決定することができる。分流路は主流路に交差（例えば直交）しそれぞれ流量センサーの流入口と流出口に連通する第１および第２の副管材で形成し、第１の副管材には主流路の上流方向を指向する開口を形成し、第２の副管材には主流路の下流方向を指向する開口を形成した構造とすることができる。この場合には、流体の動圧が流量センサに及ぼす影響を防止あるいは抑制できる。ここに開口は複数であっても良い。開口はスリットであってもよい。
　主管材には流量センサーとその制御回路部品とを実装した制御基板を固定し、第１および第２の副管材はこの制御基板を貫通して流量センサーの流入口と流出口に接続することができる。例えば歪みゲージ（抵抗器）の出力電圧を設定するゲイン調整やオフセット電圧調整を行う増幅回路を制御基板に搭載しておけば、歪みゲージの出力信号が配線のノイズの影響を受けにくくなり検出精度の向上に適する。
　本発明の第１の発明は、流量検出センサーをパッケージに内蔵したものであるから、小型化でき、信頼性が向上する。またパッケージ内に流体流路を設け、この流体流路の流入口と流出口を共にパッケージの１つの面（下面）にまとめて設けたから、電気回路基板などの実装対象物との流体流路の接続を短くしかつコンパクトにまとめることができ、高密度な実装が可能になる。さらにパッケージの外面に外部端子を設けたからパッケージを表面実装できることになり、一層高密度な実装に適する。
　また、本発明の第２の発明による流量検出装置では、この流量センサーのパッケージを流体の主流路となる主管材に固定し、この主管材から流体を分流して流量センサーの流入口に導き、流量センサーの流出口から流体を主流路に戻すようにしたので、流量が多い流体の流量を検出できる。
本発明の流量センサーの一実施例の上面側を示す斜視図 図１に示す流量センサーの底面側斜視図 図１に示す流量センサーの分解斜視図 図１に示す流量センサーの側断面図であって、図３における直線３４に沿うIV－IV線断面図 下基板に、流量検出手段としてのセンサーチップを固定した状態を示す斜視図 下基板に上基板を積層した状態を示す斜視図 図４におけるVII部の矢視部分の拡大断面図 センサーチップの回路パターンを示す平面図 図８の抵抗素子で形成するホイートストーンブリッジ接続回路を示す図 本発明による流量検出装置の一実施態様の斜視図 図１０の流量検出装置を主管材の中心線に沿って断面した斜視図 図１０の流量検出装置を主管材の中心線に沿って断面した断面左側面図
　以下、図面に基づいて本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下の説明では、必要に応じて特定の方向や位置を示す用語（例えば、「上」、「下」、「右」、「左」及びそれらの用語を含む別の用語）を用いるが、それらの用語の使用は図面を参照した発明の理解を容易にするためであって、それらの用語の意味によって本発明の技術的範囲が限定されるものではない。また、複数の図面に表れる同一符号の部分は同一の部分又は部材を示す。
　図１～４において、符号１０は流量センサーであり、表面実装型のパッケージ１２に収納したものである。パッケージ１２は４辺が８mm程度の小さいものであり、図３に示すように、下基板１４と、上基板１６と、蓋板１８と、銘板２０とを積層し固着したものである。下基板１４、上基板１６、蓋板１８は硬質樹脂製である。
　下基板１４の上面には、図３、４により明らかなように、中央より一方に偏心した位置に平面視四角形のセンサーチップ収納室２２が形成されている。この収納室２２はその底部２４の各辺長が上部２６の各辺長よりも短い四角形であり、２つの四角形の間に水平な段部２８を介して同心に重ねた形状となっている。この段部２８の上には、後記するセンサーチップ４２が固着される。
　収納室２２の底の中央には、流体流路の一部となる流入口３０が開口している。この流入口３０の下端は下基板１４の下面に開口している（図４参照）。下基板１４には、前記収納室２２の偏心方向と逆側に、流体流路の一部となる流出口３２が形成されている。従って平面視で、収納部２２と流入口３０と流出口３２は下基板１４の上面中央を通る直線３４（図３）上に位置する。なお下基板１４の下面には、この直線３４に直交する直線上に一対のダボ３６、３６が形成されている（図２、図４）。ダボ３６は、この流量センサー１０を電気回路基板などに搭載する際の位置決め用である。
　下基板１４にはまた、前記直線３４を挟んでほぼ対称となるように多数（図３、５では８本）の外部回路パターン３８が形成されている。これらの外部回路パターン３８はフォトリソグラフィ技術によって形成することができる。またこれらの回路パターンを金属板に予め打ち抜き加工したリードフレームを下基板１４に固定して不要部分を除去することによって形成しても良い。これらの外部回路パターン３８は、一端（内端）が収納部２２付近に伸び、他端（外端）は下基板１４の左右の側面に沿って下基板１４の下面に伸びている。この側面に現れた部分が、流量センサー１０の外部端子４０となっている。
　次に、図４，８を参照して、本発明の流量検出手段としてのセンサーチップ４２を説明する。このセンサーチップ４２は、半導体製造工程を利用して４辺が３mm程度の大きさのＳｉ（シリコン）基板４４に形成される。シリコン単結晶のＳｉ基板４４は前記下基板１４の収納部２２に入る寸法の平板であり、その下面中央には四角錐面４６で囲まれた薄いメンブレン４８が形成されている。このメンブレン４８は公知のエッチング、（例えばＩＣＰ（誘導結合プラズマ）、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）などにより形成できる。このメンブレン４８の中央には、絞りとなる開口５０が形成されている。この開口５０は同様にエッチングやレーザ加工などで形成できる。開口５０の直径は測定レンジ（範囲）や流体種（液体か気体かなど）によっては変更してもよいが、この実施例では直径５０μｍとしている。
　なお図８に示す点線はメンブレン４８の外周に形成される前記四角錐面４６であり、この四角錐面４６の外側は図４に示す周囲部５２である。この周囲部５２はエッチングされずに厚く残ったシリコン基板４４の一部である。
　メンブレン４８を形成したシリコン基板４４の上面には、４個の抵抗素子（歪みゲージ）Ｒ１～Ｒ４と、外周縁に沿って形成した多数（６個）のパッド（電極）５４（５４ａ～５４ｆ）と、これらをつなぐ内部回路パターン５６とが形成されている（図８、９）。これらはフォトリソグラフィなどの半導体製造技術を用いて形成することができる。なお抵抗Ｒ１～Ｒ４は図８に示すように、平面視で四角形のメンブレン４８の各辺中央から僅かに内側に位置し、回路パターン５６は抵抗Ｒ１～Ｒ４から外周方向に伸びてからメンブレン４８の外周（四角錐面の外周）に沿って形成された電極パッド５４にそれぞれ接続されている。
　図８で符号５８ａ、５８ｂは温度センサの電極パッドであり、これらの間には温度センサーとなる感熱抵抗素子６０が形成されている。センサーチップ４２の上面には、パッド５４、５８の内側に窒化シリコンＳｉＮや、炭化シリコンＳｉＣなどの絶縁皮膜を成膜して、これを保護膜とする。
　このように形成されたセンサーチップ４２は、下基板１４の収納部２２に収納される。すなわち図３，４に示すように、収納部２２に上から装填し、シリコン基板４４の周囲部５２を収納部２２の段部２８に保持する。なおこのセンサーチップ４２は接着剤を用いてこの収納部２２に固定される。この状態でセンサーチップ４２の電極パッド５４、５８は、下基板１４の外部回路パターン３８の内側の端部にワイヤボンディングされる。すなわち図５に示すように、Ａｕ（金）あるいはＡｌ（アルミ）のワイヤ６２を電極パッド５４，５８と外部回路パターン３８とに熱圧着あるいは超音波接合により接続する。
　前記上基板１６の下面（下基板１４に対向する面）にはセンサーチップ４２の周縁部の上面に間隙６４（図７）を持って対向する垂壁（突起、リッジ）６６が形成されている。すなわちこの垂壁６６は平面視で四角錐面４６の上方に位置し、メンブレン４８の周囲を囲む垂れ壁状である。この間隙６４には後でチクソ性接着剤６８を毛細管現象あるいは表面張力を利用して流入させる。間隙６４は好ましくは５～１５マイクロメートルとする。
　上基板１６には、メンブレン４８の中央の上方に開口しかつ前記中央の直線３４（図３）に平行な流体流路７０が形成されている。この流体流路７０の他端は前記下基板１４の流出口３２に連通する（図４）。この流体流路７０は、上基板１６の上面に形成した凹溝７２（図３参照）を前記蓋板１８で上方から塞ぐことによって、上基板１６の上面と蓋板１８との間に形成することができる。この様にすれば、上基板１６に水平な流体流路７０を半導体加工技術（エッチングなど）で容易に形成することができる。
　前記上基板１６を熱硬化性接着シート１７を挟んで下基板１４に重ねることにより（図３）、メンブレン４８の上面に垂壁６６が所定間隙６４を持って対向し、この状態で上基板１６は下基板１４に接着固定される。なお上基板１６および蓋板１８には、図３、６に示すように、垂壁６６の外側からセンサーチップ４２の上面周囲に臨む４つの窓（充填口）７４が形成されている。これらの窓７４は前記したように、センサーチップ４２と垂壁６６との間にチクソ性接着剤６８を供給する際に利用される。またこの接着剤６８が硬化した後には、この窓７４から他の接着剤を注入し、ワイヤ６２を固定する。
　この実施例によれば、流入口３０から流入した流体（気体または液体）は、メンブレン４８の下方に入り、メンブレン４８の絞り５０を通って流体流路７０に入り、流出口３２から流出する。流体が絞りを通る時の絞り効果によってメンブレン４８の両面間に圧力差が生じ、メンブレン４８が低圧側である上側に変位する。この変位により抵抗Ｒ１～Ｒ４に加わる応力が変化し、その抵抗値が変化する。この結果図９に示すブリッジ回路の出力が変化する。この出力電圧の変化はメンブレン４８の両面に加わる圧力差に対応する。この圧力差は、ハーゲンポアズイユの法則（Hagen-Poiseuille Law）によれば流体の流量に比例するから、この圧力差を検出することにより流量を検出することができる。
　図１０～１２はこの流量センサー１０を用いた流量検出装置を示している。これらの図において符号８０は流体が通る主流路８２を形成する主管材である。主管材８０の管壁にはその長さ方向に沿う基板収納部８４が一体に形成されている。この基板収納部８４には制御基板８６が収納される。この制御基板８６の上面には流量センサー１０と、その出力信号の増幅回路とが実装され、必要に応じて他の演算回路例えばゲイン調整やオフセット電圧調整を行う回路などを実装しておいても良い。
　ここに流量センサー１０は、前記メンブレン４８の中心を通る直線３４（図３）が主流路８２と平行で、かつ流入口３０が流出口３２より主流路８２の上流側に位置するように固定される。また制御基板８６と主管材８０の間には、流量センサー１０の下方に位置する接続部材８８が介在する。
　接続部材８８の下面には図１２に示すように、流量センサー１０の流入口３０と流出口３２の距離だけ離して第１および第２の副管材９０、９２の上端が固定されている。接続部材８８は主管材８０の管壁に開けた開口に液密に固定され、この時に第１および第２の副管材９０、９２が主流路８２を横断して固定される。第１および第２の副管材９０、９２の上端はこの接続部材８８を貫通し、さらに制御基板８６に設けた開口を介して流量センサー１０の流入口３０および流出口３２に液密に接続されるものである。
　第１の副管材９０には流体の上流方向を指向する開口としての複数のスリット９４が、第２の副管材９２には流体の下流方向を指向する開口としての複数のスリット９６がそれぞれ形成されている。この結果、主流路８２の流体流の一部が分流路となる副管材９０、９２を介して流量センサー１０に分流される。流量センサー１０は、この分流路に分流された流量を検出することで、主管材８０に流れる全流量を特定することができる。
　前記制御基板８６には、流量センサー１０の信号増幅回路と共に、この様な主流路８２と分流路の分流比により流量センサー１０の出力を補正して主流路８２の流量を求めるための演算を行う演算回路、温度補正回路など適宜の回路を搭載しておくことができる。
　１０　流量センサー
　１２　パッケージ
　１４　下基板
　１６　上基板
　１８　蓋板
　２２　センサーチップ収納部
　３０　流入口（流体流路の一部）
　３２　流出口（流体流路の一部）
　３４　下基板の上面中央を通る直線
　３８　外部回路パターン
　４０　外部端子
　４２　センサーチップ（流量検出手段）
　４４　シリコン基板
　４８　メンブレン
　５０　絞り（開口）
　５４、５８　電極パッド
　５６　内部回路パターン
　６２　ワイヤ
　６４　間隙
　６６　垂壁
　６８　チクソ性接着剤
　７０　流体流路
　７４　窓（接着剤注入口）
　８０　主管材
　８２　主流路
　８６　制御基板
　８８　接続部材
　９０　第１の副管材（分流路）
　９２　第２の副管材（分流路）
　９４，９６　開口（スリット）
　Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４　抵抗素子（歪みゲージ、抵抗器）

Claims (16)

  1. 　表面実装型のパッケージに流量検出手段を内蔵した流量センサーであって、
    　前記パッケージ内に形成され、流体を前記パッケージの下面に設けた流入口から前記流量検出手段を通して前記パッケージの下面に設けた流出口に導く流体流路と、
    　前記パッケージの外面に設けられ前記流量検出手段の電気出力が導かれる外部端子と、
    　を備えることを特徴とする流量センサー。
  2. 　流量検出手段は、流体流路の途中に設けた絞りの上流側と下流側の圧力差に基づいて変位するメンブレンを持ち、前記メンブレンの変位から流量を検出する差圧式のセンサーである請求項１の流量センサー。
  3. 　流量検出手段は、前記メンブレンと、このメンブレンに固定され前記メンブレンの変位に対応して生じる歪みを検出する歪みゲージとを有するセンサーチップで形成されたＭＥＭＳセンサーである請求項２の流量センサー。
  4. 　パッケージは、前記流入口と前記流出口が下面に開口する下基板と、この下基板に重ねられ下基板との間にセンサーチップの周囲部を保持する上基板とを備え、前記流入口は前記メンブレンの下面に開口し、前記メンブレンの上面は上基板に形成した流体流路によって前記流出口に連通している請求項３の流量センサー。
  5. 　前記メンブレンは、センサーチップの周囲部を残してその内側をエッチングすることにより薄く形成され、前記メンブレンの片面には歪みゲージとなる抵抗器が形成されている請求項４の流量センサー。
  6. 　メンブレンは四角形であり、前記歪みゲージを構成する４個の抵抗器がメンブレンの各辺の中央に配置され、各抵抗器はブリッジ回路を形成する請求項５の流量センサー。
  7. 　上基板の下面にはメンブレンの周囲を囲みかつこの上面に間隙を持って対向する垂壁が形成され、この上基板には前記間隙に接着剤を供給するための窓が形成されている請求項４の流量センサー。
  8. 　上基板に形成される流体流路は、上基板の上面に重ねた蓋板との間に形成されている請求項４の流量センサー。
  9. 　前記センサーチップには、メンブレンに設けた歪みゲージと上基板の垂壁より外周側に形成された電極パッドとを接続する内部回路パターンが形成され、下基板には外部端子に接続された外部回路パターンが形成され、前記内部回路パターンと外部回路パターンとはワイヤボンディングによって接続されている請求項６の流量センサー。
  10. 　 上基板の垂壁と下基板との間に形成される間隙に供給する接着剤は、チクソ性を持つパーフルオロ系の接着剤であり、この接着剤は毛細管現象によって前記間隙に流入する請求項７の流量センサー。
  11. 　上基板の垂壁と下基板との間隙に供給した接着剤の硬化後に、前記間隙の外側に他の接着剤が供給されている請求項７の流量センサー。
  12. 　外部端子は、下基板の少なくとも側面に形成した金属メッキ層である請求項１の流量センサー。
  13. 　外部端子は、外部回路パターンと一体であるリードフレームで形成される請求項８の流量センサー。
  14. 　請求項１の流量センサーを用いた流量検出装置であって、
    　流量センサーのパッケージが固定され流体の主流路を形成する主管材と、この主管材から流体を分流して前記流量センサーの流入口に導くと共に流出口から主管材の主流路に導く分流路とを備えることを特徴とする流量検出装置。
  15. 　分流路は、主流路に交差しそれぞれ前記流量センサーの流入口と流出口に連通する第１および第２の副管材を備え、第１の副管材には主流路の上流方向を指向する開口が形成され、第２の副管材には主流路の下流方向を指向する開口が形成されている請求項１３の流量検出装置。
  16. 　主管材には、流量センサーとその制御回路部品とが実装された制御基板が固定され、第１および第２の副管材はこの制御基板を貫通して流量センサーに接続されている請求項１５の流量検出装置。
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