(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定流体の流路の一部を形成するダイアフラム部を有するセンサチップを備え、前記ダイアフラム部の前記流路側とは反対側の面に電気絶縁膜を介して流速検出手段を設けたフローセンサにおいて、
前記センサチップは、通常の溶解法によって溶解・鋳造された鋼塊を真空誘導溶解法によって溶解・鋳造し、さらに真空アーク再溶解法によって溶解・鋳造することにより製作されたステンレス鋼材によって形成され、前記ダイアフラムの少なくとも前記流路側とは反対側の面が研磨されていることを特徴とするフローセンサ。
【請求項２】
被測定流体の流路の一部を形成するダイアフラム部を有するセンサチップを備え、前記ダイアフラム部の前記流路側とは反対側の面に電気絶縁膜を介して流速検出手段を設けたフローセンサにおいて、
前記センサチップは、通常の溶解法によって溶解・鋳造された鋼塊をエレクトロスラブ再溶解法によって溶解・鋳造することにより製作されたステンレス鋼材によって形成され、前記ダイアフラムの少なくとも前記流路側とは反対側の面が研磨されていることを特徴とするフローセンサ。
【発明の詳細な説明】
【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は、流速検出手段を備えたセンサチップ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（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）。
【０００３】
フローセンサのセンサチップは、基板の一方の面に温度検出手段をフォトリソグラフィ技術とエッチング技術によって形成したものが一般的である。基板材料としては、通常シリコン、ガラス等が用いられるが、耐食性および機械的強度が要求される場合は、ステンレス等からなる金属製の基板が用いられる。この場合、センサチップは導電体であるため、絶縁膜形成工程によって電気絶縁膜を形成した後、その上に導体からなる流速検出手段が形成される。本発明は、特にステンレス製のセンサチップを用いた熱式フローセンサに関する。
【０００４】
ステンレス製の基板表面に電気絶縁膜を介して流速検出手段を形成するには、通常シリコン酸化膜、窒化シリコン膜等の電気絶縁膜をプラズマＣＶＤ法によって形成し、その上に温度検出手段をフォトリソグラフィ技術とエッチング技術によって形成している。基板材料である汎用的なステンレス鋼材は、内部にＡｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2 等の不純物（パーティクル）や欠陥（ピンホール）が多数存在して清浄性に欠けるため、歩留りよくかつ絶縁破壊電圧の高いセンサを製作するには、電気絶縁膜の膜厚を厚くする必要がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、ステンレス製のセンサチップに流速検出手段を形成したフローセンサは、プラズマＣＶＤ法によって基板表面に電気絶縁膜を形成し、その上に流速検出手段をフォトエッチングによって形成していた。一般的に電気絶縁膜は熱伝導率が低いので、センサチップと流速検出手段との電気的絶縁を図れる範囲内で可及的薄く形成することが望ましい。しかしながら、汎用のステンレス鋼材（例えば、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６系のステンレス鋼）によって形成されたセンサチップは、パーティクルや欠陥が多く、センサチップと電気絶縁膜を介してその上に形成された流速検知部との絶縁性を良好にするには電気絶縁膜を厚くしなければならない。熱式フローセンサの場合は、電気絶縁膜の膜厚を厚くすると板厚方向の伝熱効率が低下するとともに、熱容量が大きくなるため、センサの感度や応答性を向上させることができないという問題があった。
【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、歩留りよく電気絶縁膜の膜厚を十分に薄くすることができ、感度と応答性を向上させるようにし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、被測定流体の流路の一部を形成するダイアフラム部を有するセンサチップを備え、前記ダイアフラム部の前記流路側とは反対側の面に電気絶縁膜を介して流速検出手段を設けたフローセンサにおいて、前記センサチップは、通常の溶解法によって溶解・鋳造された鋼塊を真空誘導溶解法によって溶解・鋳造し、さらに真空アーク再溶解法によって溶解・鋳造することにより製作されたステンレス鋼材によって形成され、前記ダイアフラムの少なくとも前記流路側とは反対側の面が研磨されているものである。
【０００８】
第１の発明において、センサチップは通常の溶解法によって溶解・鋳造された鋼塊を真空誘導溶解し、続いて真空アーク再溶解することにより形成されたステンレス鋼材を素材としているので、パーティクルや欠陥がきわめて少なく、電気絶縁膜の膜厚を薄くすることが可能である。
【０００９】
第２の発明は、被測定流体の流路の一部を形成するダイアフラム部を有するセンサチップを備え、前記ダイアフラム部の前記流路側とは反対側の面に電気絶縁膜を介して流速検出手段を設けたフローセンサにおいて、前記センサチップは、通常の溶解法によって溶解・鋳造された鋼塊をエレクトロスラブ再溶解法によって溶解・鋳造することにより製作されたステンレス鋼材によって形成され、前記ダイアフラムの少なくとも前記流路側とは反対側の面が研磨されているものである。
【００１０】
第２の発明において、センサチップは通常の溶解法によって溶解・鋳造された鋼塊をエレクトロスラブ再溶解法によって再溶解することにより形成されたステンレス鋼材を素材としているので、パーティクルや欠陥がきわめて少なく、電気絶縁膜の膜厚を薄くすることが可能である。
【００１１】
【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は本発明に係るフローセンサの一実施の形態を示す断面図、図２はセンサチップの平面図である。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、センサボディ２と、このセンサボディ２上に設置されたセンサチップ３と、同じく前記センサボディ２上にスペーサ４を介して配設され前記センサチップ３の上方に位置するプリント基板５等で構成されている。
【００１２】
前記センサボディ２はステンレス製の金属板からなり、上面中央に一体に突設された突出部２Ａと、前記センサチップ３の凹部６とともに被測定流体（以下、流体ともいう）７の流路８を形成する２つの流路用孔９，１０を有している。流路用孔９，１０は貫通孔からなり、一端開口部が前記突出部２Ａの長手方向の両端寄りにそれぞれ開口し、他端開口部がセンサボディ２の下面にそれぞれ開口している。
【００１３】
前記センサチップ３は、前記センサボディ２の突出部２Ａと略同一の大きさからなる矩形の板状に形成され、下面中央に前記凹部６が形成されることにより、この凹部６が形成されている表面側が薄肉のダイアフラム部３Ａを形成し、このダイアフラム部３Ａの周囲を取り囲む厚肉の固定部３Ｂが前記突出部２Ａの上面にＹＡＧレーザー溶接等によって接合されている。前記ダイアフラム部３Ａは、板厚が５０〜１５０μｍ程度で、表面中央に後述する流速検出手段１２が設けられている。前記凹部６は、センサチップ３の長手方向に長い長円形で、両端部において前記各流路用孔９，１０と連通している。そして、センサチップ３の前記通路８側とは反対側で前記流速検出手段１２が設けられる上面３ａは、鏡面研磨されている。
【００１４】
前記センサチップ３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、具体的にはステンレス鋼が用いられる。しかし、通常の溶解・精錬法によって製作された汎用のステンレス鋼材は、パーティクルや欠陥、放出ガスの発生量が多く清浄性に欠けるため、半導体製造装置などに用いられるフローセンサ１のチップ材料としては不適である。
【００１５】
そこで、本発明においては通常の溶解・精錬法によって製作されたステンレス鋼材を、さらに特殊溶解法によって再溶解して製作したステンレス鋼材をチップ材料として用いている。
【００１６】
特殊溶解法によるステンレス鋼材の製造方法としては、
▲１▼真空誘導溶解法（ＶＩＭ）と、これに続く真空アーク再溶解法（ＶＡＲ）とによって二重真空溶解を行う
▲２▼エレクトロスラブ再溶解法（ＥＳＲ）によって溶解・鋳造する
の２通りがある。
【００１７】
ＶＩＭ法は、通常の大気溶解炉によって溶解・鋳造した鋼塊をＶＩＭ炉によって再溶解し、鋳型に流し込んで鋼塊を製造する方法である。
【００１８】
ＶＡＲ法は、真空にした水冷銅鋳型内で消耗電極と鋳型内溶鋼との間にアークを発生させ、その発生熱により電極を再溶解し、連続的に鋳型内で凝固させることにより鋼塊を製造する方法である。
【００１９】
ＥＳＲ法は、冷鋳型内で溶融スラグの抵抗熱により電極素材を溶解しながら鋼塊を製造する方法である。
【００２０】
このような特殊溶解法によれば、いずれも大気と遮断して溶鋼しているため、脱ガス効果に優れ、酸化物系介在物（パーティクル）を除去することができ、清浄性の高い高品質な鋼材を製作することができるという特長を有している。
【００２１】
特殊溶解法によって製造された鋼塊は、鍛造または熱間圧延によって所定の厚さのステンレス鋼材となる。さらに、このステンレス鋼材を所定の大きさに切断して上面３ａを鏡面研磨し、下面３ｂの中央に凹部６を形成することにより、上記したステンレス製のセンサチップ３が製作される。
【００２２】
センサチップ３のダイアフラム部３Ａは、厚さが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以上であるとセンサチップ３の厚さ方向、つまり流体７と流速検出手段１２との間の熱の伝導効率が低下するとともに、センサチップ３の面と平行な方向の伝熱量（熱損出）が増加し熱容量も増すため好ましくない。
【００２３】
前記センサチップ３の上面３ａには、電気絶縁膜１３が全面にわたって形成されており、この電気絶縁膜１３の表面に６つの電極パッド１４（１４ａ〜１４ｆ）および配線用金属薄膜１５を含む前記流速検出手段１２と周囲温度検出手段１６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１３上に成膜し、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１２と周囲温度検出手段１６が前記電極パッド１４に配線用金属薄膜１５を介してそれぞれ電気的に接続されている。
【００２４】
さらに前記流速検出手段１２と前記周囲温度検出手段１６を詳述すると、流速検出手段１２は、１つの発熱体（抵抗ヒータ）２０と２つの温度センサ２１Ａ，２１Ｂとからなり、傍熱型の流速検出手段を構成している。発熱体２０はダイアフラム部３Ａ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７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配置されている。周囲温度検出手段１６は、周囲温度、つまり流体７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、上流側で前記ダイアフラム部３Ａの外側に配置されている。ただし、上流側に限らず下流側であったり、センサチップ３の幅方向のいずれかの片側であったり、あるいはダイアフラム部３Ａ上であってもよい。発熱体２０のパターン幅は１０〜５０μｍ、温度センサ２１Ａ，２１Ｂおよび周囲温度検出手段１６のパターン幅は５〜１０μｍ程度が好ましい。さらに、ダイアフラム部３Ａとその周囲を取り囲む厚肉の固定部３Ｂを別々に作り、熱拡散接合やレーザー溶接などにより一体化しても良い。
【００２５】
前記電気絶縁膜１３は、厚さが１μｍ程度の酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）膜、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、ポリイミド等によって形成されている。酸化シリコン膜は、例えばスパッタリング、ＣＶＤあるいはＳＯＧ（スピンオングラス）等により形成される。窒化シリコン膜は、スパッタリングやＣＶＤ等によって形成される。電気絶縁膜１３の膜厚を１μｍ程度以下にすることができる理由は、センサチップ３を上記した特殊溶解法によって製造したステンレス鋼材によって製作していることによる。すなわち、特殊溶解法によって製造されたステンレス鋼材は清浄性に優れており、一般の鋼材に比べてパーティクルやピンホールが少なく均一に電気絶縁膜が形成できるため、絶縁破壊電圧に耐え得る膜厚以上に厚くする必要がないからである。例えば、センサチップ３と導体からなる流速検出手段１２との間に１００〜５００Ｖ程度の耐電圧や数百ＭΩ以上の絶縁性を確保できる範囲内で、前記電気絶縁膜１３を薄く形成すればよい。
【００２６】
前記センサボディ２上にスペーサ４を介して配設される前記プリント基板５は、中央に前記第ダイアフラム部３Ａより大きな円形の穴２６を有し、表面に信号処理回路を形成する複数の配線パターン２７が印刷形成されており、これら配線パターン２７に前記センサチップ３の前記電極パッド１４が図示を省略したボンディングワイヤによって電気的に接続されている。前記スペーサ４は、前記センサボディ２と同じくステンレス、アルミニウムまたは合成樹脂等によって形成され、ねじや接着剤等によってセンサボディ２に固定されている。
【００２７】
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１６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、ブリッジ回路の抵抗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１６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。
【００２８】
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。
【００２９】
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７を図２の矢印方向に流すと、ダイアフラム部３Ａは流体７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７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。なお、図３の定温度差回路の用い方としては、ヒータにセンサを共用させると、ブリッジ回路に加えられ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させることも可能である。
【００３０】
流体７の流れによって発熱体２０近傍の温度分布が崩れると、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する。２つの温度センサ２１Ａ，２１Ｂの温度差は流体７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温度差、つまり前記センサ出力回路によって検出された電圧差または抵抗値差との関係を校正しておけば、前記電圧差または抵抗値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。なお、流速検出手段１２と周囲温度検出手段１６との構成は、上記した実施の形態に限らず種々の変更が可能である。また、周囲温度検出手段１６は発熱体からの熱の影響を受けず、流体温度を検出できるところに配置する。
【００３１】
図５は本発明の他の実施の形態を示す断面図である。
この実施の形態は、ヘッダ型と呼ばれるタイプのフローセンサに適用したものである。ヘッダ型フローセンサ３０は、流体７が流れる配管３１の管壁に設けたセンサ用取付孔３２に外部から嵌挿し、溶接等によって固定されるもので、センサボディ３３、センサチップ３４および取付板３５とで容器を構成し、内部にプリント基板３６を収納している。センサボディ３３は、ステンレス鋼によって両端が開放する筒状に形成され、配管３１内に臨む裏面側開口部が前記センサチップ３４によって閉塞されている。
【００３２】
前記センサチップ３４は、ステンレス鋼によって板厚が５０〜１５０μｍ程度の薄肉板状に形成され、前記センサボディ３３の裏面側開口部に外周縁部がＹＡＧレーザー溶接等によって接合され、被接合部分がダイアフラム部３４Ａを形成している。ダイアフラム部３４Ａの流体７が接する面とは反対側の面には、上記した実施の形態と同様に電気絶縁膜１３が形成され、その上に１つの発熱体（抵抗ヒータ）と２つの温度センサとからなる傍熱型の流速検出手段１２、電極パッド、配線用金属薄膜、周囲温度検出手段１６が形成されている。このようなセンサチップ３４の材質としては、上記した実施の形態におけるセンサチップ３と同様に、通常の溶解・精錬法によって製作されたステンレス鋼材を、さらに▲１▼真空誘導溶解法（ＶＩＭ）と、これに続く真空アーク再溶解法（ＶＡＲ）とによって二重真空溶解を行うか、または▲２▼エレクトロスラブ再溶解法（ＥＳＲ）によって溶解・鋳造することにより製作されるステンレス鋼材が用いられる。なお、周囲温度検出手段１６は発熱体からの熱の影響を受けず、流体温度を検出できるように配置する。
【００３３】
前記プリント基板３６には、配線パターンが形成されており、この配線パターンに前記センサチップ３４上に形成された前記流速検出手段１２および周囲温度検出手段１６が配線用金属薄膜と電極パッドを介してワイヤーボンド等で接続されている。また、配線パターンには、外部取出し用のリードピン３８が接続されている。
【００３４】
前記取付板３５は、前記センサボディ３３の表面側に一体形成されており、外周縁部が前記配管３１の管壁に溶接されている。なお、Ｏリングを用いてねじなどで取付けても良い。また、前記センサボディ３３とセンサチップ３４も一体に形成されていてもよい。
【００３５】
このような構造からなるヘッダ型フローセンサ３０においても上記した実施の形態と同様な効果が得られることは明きらかであろう。
【００３６】
【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、通常の溶解法によって溶解・鋳造された鋼塊を特殊溶解法によって再溶解・鋳造して製作したステンレス鋼材をセンサチップの材料として用いているので、センサチップからのパーティクルや欠陥が少なく、センサチップの表面に形成される電気絶縁膜の膜厚を、例えば１μｍ程度以下に薄くすることができる。したがって、センサチップの板厚方向の伝熱効率が改善され、熱容量も小さくできることからセンサの感度および応答性を向上させることができ。特に、半導体製造装置や超高真空装置に用いて好適なフローセンサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係るフローセンサの一実施の形態を示す断面図である。
【図２】  センサチップの平面図である。
【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】  本発明の他の実施の形態を示す断面図である。
【符号の説明】
１…フローセンサ、２…センサボディ、３…センサチップ、４…スペーサ、５…プリント基板、６…凹部、７…流体、８…流路、１２…流速検出手段、１３…電気絶縁膜、１６…周囲温度検出手段、２０…発熱体（ヒータ）、２１Ａ，２１Ｂ…温度センサ、３０…フローセンサ、３１…配管、３２…センサ用取付孔、３３…センサボディ、３４…センサチップ、３５…取付板。
【図１】
0003655593.tif 000002
【図２】
0003655593.tif 000003
【図３】
0003655593.tif 000004
【図４】
0003655593.tif 000005
【図５】
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