(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路形成部材とともに被測定流体の流路を形成する基板とからなる熱式フローセンサにおいて、
前記基板に、薄肉部と、この薄肉部を取り囲む厚肉の固定部とを一体に形成し、前記薄肉部の流路側とは反対側の面に流速検出手段を設けたことを特徴とする熱式フローセンサ。
【請求項２】
請求項１記載の熱式フローセンサにおいて、
流路形成部材と基板が一体に形成されていることを特徴とする熱式フローセンサ。
【請求項３】
被測定流体が流れる配管にセンサ取付孔を形成し、このセンサ取付孔を覆う基板を前記被測定流体に接するように配設し、前記基板に、薄肉部と、この薄肉部を取り囲む厚肉の固定部とを一体に形成し、前記薄肉部の前記被測定流体に接する面とは反対側の面に流速検出手段を設けたことを特徴とする熱式フローセンサ。
【請求項４】
請求項１，２または３記載の熱式フローセンサにおいて、
基板がステンレス、サファイア、セラミックスのうちのいずれか一つによって形成されていることを特徴とする熱式フローセンサ。
【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。
【０００３】
図９（ａ）、（ｂ）は従来の熱式フローセンサの正面図および断面図である。この熱式フローセンサ１は、流体２の流路３を形成する流路形成部材４と、この流路形成部材４の前方側開口部４ａに外周縁部５ａが接合された基板５と、この基板５の表面に電気絶縁膜１３を介してボルトなどにより押し当てて固定（圧着）されたプレート６とを有し、基板５の中央部がダイアフラム部５Ａを形成し流速検出手段を構成する発熱体と２つの抵抗体（温度センサ）およびその回路パターン７が周知の薄膜形成技術によって形成されている。基板５は薄肉状に形成され、裏面が流体２と接することにより前記流路形成部材４とともに前記流路３の一部を形成している。前記流路形成部材４と基板５の材質としては、熱伝導率が低く耐熱性、耐食性に優れた材料、例えばＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６系のステンレス鋼が用いられる。
【０００４】
前記プレート６は、中央に前記ダイアフラム部５Ａと略同一の大きさの貫通孔８を有し、またこの貫通孔８には電極９が組み込まれている。電極９は、金属製フレーム１０に複数本の端子ピン１１をハーメチックガラス１２によって封止したものが用いられ、各端子ピン１１の一端が前記回路パターン７にロー付けまたは半田付けによって接続されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の熱式フローセンサ１は、薄肉状に形成した基板５の表面にプレート６をボルトで締め付けて圧着しているだけであるため、基板５とプレート６の機械的および熱的接触が不確実で不安定であり、ダイアフラム部５Ａの温度分布が不安定になっている。よって、流体２の圧力変化に伴い基板５のダイアフラム部５Ａが面方向に弾性変形すると、基板５とプレート６の接触状態が変化し、ダイアフラム部５Ａの温度分布が変化するため、センサの流速または流量特性やゼロ点がシフトし、精度、再現性、信頼性および耐久性に欠けるという問題があった。すなわち、流路３内が負圧になると基板５が流路３側に弾性変形して外周縁部５ａのみがプレート６に接触した状態となり、反対に流路３内の圧力が高くなるとダイアフラム部５Ａのみがセンサ側に弾性変形するため、ダイアフラム部５Ａより外側部分、つまり基板５の貫通孔８より外側部分全体がプレート６に接触し、プレート６との接触面積（熱伝導経路）が変化する。このように圧力変動によって基板５の固定部分が変化すると、基板５の温度分布も大きく変化するため測定誤差となる。
また、プレート６、および基板５とプレート６の圧着手段等の部品点数が増加し、形状が大きくて複雑になるという問題もあった。
【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、流体の圧力変化による流速または流量特性の変化を小さくすることにより、精度、再現性、信頼性、耐久性を向上させるとともに、部品点数を削減して製作し得るようにした熱式フローセンサを提供することにある。
また、流路内が負圧または真空状態のときゼロ点調整（補正）を行い、加圧状態で流量計測を行いたいという半導体製造装置関連などでの実用上のニーズにも応えることができる熱式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、流路形成部材とともに被測定流体の流路を形成する基板とからなる熱式フローセンサにおいて、前記基板に、薄肉部と、この薄肉部を取り囲む厚肉の固定部とを一体に形成し、前記薄肉部の流路側とは反対側の面に流速検出手段を設けたものである。
【０００８】
第１の発明においては、基板が厚肉の固定部と薄肉部とで一体形成されているので、流体の圧力変化によって薄肉部が弾性変形しても、薄肉部の固定端の位置が変化しない。
【０００９】
第２の発明は、上記第１の発明において、流路形成部材と基板が一体に形成されているものである。
【００１０】
第２の発明においては、流路形成部材と基板を一つの部材で形成しているので、流体がリークすることがなく、部品点数も削減できる。
【００１１】
第３の発明は、被測定流体が流れる配管にセンサ取付孔を形成し、このセンサ取付孔を覆う基板を前記被測定流体に接するように配設し、前記基板に、薄肉部と、この薄肉部を取り囲む厚肉の固定部とを一体に形成し、前記薄肉部の前記被測定流体に接する面とは反対側の面に流速検出手段を設けたものである。
【００１２】
第３の発明においては、基板が配管のセンサ取付孔に直接取付けられるので、流路形成部材が不要となる。また、大口径の配管にも容易に取付けられるので、大流量の計測も可能となる。
【００１３】
第４の発明は、上記第１、第２または第３の発明において、基板がステンレス、サファイア、セラミックスのうちのいずれか一つによって形成されているものである。
【００１４】
第４の発明においては、基板材料として、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。ステンレスは導電材料であるため、電気絶縁膜が形成され、サファイア、セラミックスは絶縁材料であるため、その必要がない。
【００１５】
【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は本発明による熱式フローセンサの第１の実施の形態を示す断面図、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２０で示す熱式フローセンサは、センサチップ２１と、このセンサチップ２１とともに流体２の流路３を形成する流路形成部材２２等で構成されている。
【００１６】
前記センサチップ２１は、基板２４と、この基板２４の表面中央に形成された流速検出手段２５等で構成されている。
【００１７】
前記基板２４は、薄くて細長い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、前記流路形成部材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。なお、薄肉部２４Ｂの流れの方向（矢印Ａ方向）と垂直方向（短手方向）の長さ（幅）は、強度（耐圧）の点で１〜３ｍｍ程度が好ましい。また、凹部２６は長円形としたが、これに限らず円形、矩形などであってもよい。
【００１８】
前記基板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。この場合、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（特に、ＳＵＳ３１６Ｌ）の薄板によって基板２４を形成した例を示している。
【００１９】
基板２４がステンレス製の場合、センサ部を構成する薄肉部２４Ｂ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２４の厚さ方向、つまり流体２と前記流速検出手段２５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。なお、基板２４の固定部２４Ａは薄肉部２４Ｂの形状保持とヒートシンクの役割を果たす。
【００２０】
前記基板２４の凹部２６は、フォトリソグラフィ技術とエッチング技術、エンドミルまたはその複合技術によって形成される。フォトリソグラフィ技術とエッチング技術による場合は、先ず、ステンレス製のウエハの裏面全体にレジストをスピンコートなどによって塗布するか、レジストフィルムを貼付け、紫外線（または電子線）を照射して前記レジストにマスクパターンを転写露光する。次に露光されたレジストを現像液で現像し、レジストの不要部分を除去する。露光された部分を残すか除去するかで、ネガ型レジストまたはポジ型レジストを選定する。レジストが除去された部分はウエハが露出しており、この露出している部分をウエットエッチングまたはドライエッチングによって厚さが５０〜１５０μｍ程度になるまで除去する。そして、残っているレジストを剥離、除去して洗浄すると、薄肉部２４Ｂと凹部２６が形成される。ウエットエッチングの場合は、エッチング液に浸漬またはスプレーして少しずつ溶解させる。ドライエッチングの場合は、スパッター、プラズマ等によってイオンや電子をウエハの裏面に照射し、少しずつ削っていくことで形成することができる。なお、基板２４がセラミックスの場合には、始めから凹部２６をもった形で基板２４を焼成して製作しても良い。
【００２１】
前記薄肉部２４Ｂの前記流体２側とは反対側の面（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。また、この電気絶縁膜１３の表面には、複数の電極パッド３０（３０ａ〜３０ｆ）および配線用金属薄膜３１を含む前記流速検出手段２５と周囲温度検出手段３４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２５と周囲温度検出手段３４が電極パッド３０に配線用金属薄膜３１を介してそれぞれ電気的に接続されている。さらに、各電極パッド３０は、基板２４の上方にスペーサ３６を介して設けたプリント配線板３５の電極端子に図示を省略したボンディングワイヤを介して接続されている。
【００２２】
前記電気絶縁膜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（ＳｉＯ2 ）膜、窒化シリコン膜、アルミナ膜、ポリイミド膜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）等により形成することができる。窒化シリコン膜は、スパッタリングやＣＶＤ等によって形成することができる。
【００２３】
前記流速検出手段２５、周囲温度検出手段３４を図２に基づいてさらに詳述すると、流速検出手段２５は、１つの発熱体３２（抵抗ヒータ）と２つの温度センサ３３Ａ，３３Ｂとからなり、傍熱型の流速検出手段を形成している。発熱体３２は、薄肉部２４Ｂの略中央に位置するように形成されている。２つの温度センサ３３Ａ，３３Ｂは、発熱体３２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。
【００２４】
前記周囲温度検出手段３４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、薄肉部２４Ｂの外周寄りで上流側の温度センサ３３Ａよりさらに上流側に形成されている。発熱体３２のパターン幅は１０〜５０μｍ、温度センサ３３Ａ，３３Ｂおよび周囲温度検出手段３４のパターン幅は５〜２０μｍ程度が好ましい。なお、周囲温度検出手段３４が発熱体３２からの熱の影響を受けてしまう場合には、周囲温度検出手段３４は、基板２４の薄肉部２４Ｂではなく、厚肉の部分（固定部２４Ａ）など周囲温度の検出に最適な他の箇所に形成する。また、外付けの温度センサで代用してもよい。
【００２５】
前記流路形成部材２２は、前記基板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、前記凸部２２Ａの上面に前記基板２４の固定部２４Ａが接合され、貫通孔４０，４１と前記基板２４の凹部２６が互いに連通して前記流体２の流路３を形成している。流路３の形状は、凹部２６において長円形でなくてもよいが、流体２の流れの方向が明確でスムーズに流れる形状が好ましい。このような流路形成部材２２を前記基板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。
【００２６】
図３は熱式フローセンサ２０の定温度差回路を示す図である。同図において、発熱体３２、周囲温度検出手段３４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３２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３２が周囲温度センサ３４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は熱式フローセンサ２０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３３Ａ，３３Ｂ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】
このような熱式フローセンサ２０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３２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１の矢印方向に流すと、薄肉部２４Ｂ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３２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３２の発熱量が増加する。その結果、発熱体３２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３２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。
【００２９】
流体２の流れによって発熱体３２近傍の温度分布が崩れると、発熱体３２の上流側に位置する温度センサ３３Ａと下流側に位置する温度センサ３３Ｂ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３３Ａ，３３Ｂの温度差は流体２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２５と周囲温度検出手段３４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３４は発熱体３２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。
【００３０】
このような構造からなる熱式フローセンサ２０によれば、基板２４の外周部を厚肉の固定部２４Ａとして流路形成部材２２の表面に接合し、中央部をダイアフラム構造の薄肉部２４Ｂとし、この薄肉部２４Ｂの流体２が接触しない表面側に流速検出手段２５と周囲温度検出手段３４を形成しているので、図９に示したプレート６を基板２４に圧着する必要がなく、流体２の圧力変化によって薄肉部２４Ｂが弾性変形しても剥離する箇所がないため、図９に示した従来のフローセンサ１に比べてセンサの流速または流量特性に対する圧力の影響が小さくなり、長期間にわたって安定した状態に維持することができる。特に、ゼロ点のシフトが小さいため、高い測定精度が得られ、センサの信頼性および耐久性を向上させることができる。
【００３１】
図５は本発明の第２の実施の形態を示す断面図、図６は基板の平面図である。
この実施の形態は、ヘッダ型と呼ばれるタイプの熱式フローセンサに適用したものである。ヘッダ型熱式フローセンサ５０は、流体２が流れる配管壁５１に設けたセンサ用取付孔５２に外部から嵌挿され、溶接またはＯリングとボルト等によって固定されるもので、ブラケット５３とセンサチップ５４とで容器を構成し、内部にプリント基板５５を収納している。
【００３２】
ブラケット５３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て前記センサ用取付孔５２に外側から嵌合され、フランジ５３Ａが前記配管５１の外周面に接合されている。一方、ブラケット５３の内端面、すなわちフランジ５３Ａ側とは反対側の開口端面には、前記センサチップ５４が接合されている。
【００３３】
前記センサチップ５４は、上記した実施の形態と同様にステンレス鋼等によって形成された基板５６を備えている。基板５６は、前記ブラケット５３の内端面に接合され、前記配管５１のセンサ取付孔５２を気密に覆い、前記ブラケット５３側の面５６ａに第１、第２の凹部５７ａ、５７ｂが形成され、この面５６ａと反対側の面５６ｂが前記配管５１内を流れる流体２との接触面を形成している。また、基板５６の前記凹部５７ａ，５７ｂが形成されている部分は、ダイアフラム構造の薄肉部５６Ｂ1 ，５６Ｂ2 を形成し、それ以外が固定部５６Ａを形成し、前記ブラケット５３の内端面に接合されている。
【００３４】
前記第１の凹部５７ａは、基板５６の略中央に形成され、第２の凹部５７ｂは第１の凹部５７ａより上流側に形成されている。第１、第２の凹部５７ａ，５７ｂの底面には、電気絶縁膜１３がそれぞれ形成されており、その上に流速検出手段２５と周囲温度検出手段３４が形成されている。すなわち、本実施の形態においては、流速検出手段２５の発熱体３２（図１）の発熱による周囲温度検出手段３４への影響を防止するために、２つの凹部５７ａ，５７ｂを設け、これらの凹部に流速検出手段２５と周囲温度検出手段３４を別々に配置したものである。なお、それぞれの凹部５７ａ，５７ｂは、強度（耐圧）の点から直径が１〜３ｍｍ程度の円形が好ましいが、他の形状であってもよい。
【００３５】
このようなセンサチップ５４は、上記した実施の形態と同様に製作されるが、この場合は凹部５７ａ，５７ｂの底部に位置するそれぞれの薄肉部５６Ｂ1 ，５６Ｂ2 表面にパターンを形成する際のフォトリソグラフィには投影露光装置や直接描画装置を用いる。あるいは、ジェットプリンティングシステムを使用して抵抗体や導体のパターンを直接形成する。なお、変形例としては、図７に示すように基板５６の中央に１つの凹部５７を形成し、周囲温度検出手段３４としては、固定部５６Ａ上に形成するようにしてもよい。
【００３６】
このような構造からなる熱式フローセンサ５０においても、上記した第１の実施の形態と同様な効果が得られることは明らかであろう。
【００３７】
図８（ａ）、（ｂ）は本発明の第３の実施の形態を示す断面図およびＡ−Ａ線断面図である。
この実施の形態は、センサチップを構成する基板をステンレス製のパイプ６１によって形成し、このパイプ６１の中心孔を流体２の流路３として用いるようにしている。このため、上記した第１の実施の形態における流路形成部材２２が不要で、センサチップ自体が流路形成部材を兼用している。言い換えれば、熱式フローセンサ６０のセンサチップと流路形成部材をパイプ６１によって一体に形成している。パイプ６１は、断面形状が円形のものに限らず、矩形、楕円形等の非円形のものであってもよい。
【００３８】
前記パイプ６１は、外周面の長手方向中央部に形成された凹部６４を有し、この凹部６４とパイプ６１の内周との間の肉薄部分が薄肉部６５を形成している。凹部６４は、エッチングまたはエンドミルやプレス等の機械加工あるいはその複合技術によって形成される。
【００３９】
前記薄肉部６５の流体２に接する面とは反対側の面は鏡面仕上げされ、電気絶縁膜１３によって被覆されている。また、この電気絶縁膜１３の表面中央部には、図２に示した複数の電極パッド３０および配線用金属薄膜３１を含む流速検出手段２５と周囲温度検出手段３４が周知の薄膜形成技術によって形成されている。なお、パイプ６１がセラミックス等の絶縁体の場合には、上記した電気絶縁膜１３は不要である。また、周囲温度検出手段３４は、温度検出に最適な場所に形成してもよい。また、外付けのセンサで代用してもよい。
【００４０】
このような構造からなる熱式フローセンサ６０によれば、１本のパイプ６１が流路形成部材とセンサチップの基板を兼用するため、接合部がなく流体２がリークすることがなく、さらに部品点数が少ないため、信頼性の高い熱式フローセンサを製作することができる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係る熱式フローセンサによれば、流体の圧力変化によるセンサチップの流速または流量特性の変化が小さく、センサの測定精度、再現性、信頼性および耐久性を向上させることができ、しかも部品点数を削減して製作することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る熱式フローセンサの第１の実施の形態を示す断面図である。
【図２】  センサ部の正面図である。
【図３】  熱式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】  本発明の第２の実施の形態を示す断面図である。
【図６】  基板の平面図である。
【図７】  センサチップの他の実施の形態を示す断面図である。
【図８】  （ａ）、（ｂ）は本発明の第３の実施の形態を示す断面図およびＡ−Ａ線断面図である。
【図９】  熱式フローセンサの従来例を示す断面図である。
【符号の説明】
２…流体、３…流路、１３…電気絶縁膜、２０…熱式フローセンサ、２１…センサチップ、２２…流路形成部材、２４…基板、２４Ａ…固定部、２４Ｂ…薄肉部、２５…流速検出手段、２６…凹部、３０…電極パッド、３１…配線用金属薄膜、３２…発熱体（ヒータ）、３３Ａ，３３Ｂ…温度センサ、３４…周囲温度検出手段、５０…ヘッダ型熱式フローセンサ、５１…配管壁、６０…熱式フローセンサ、６１…パイプ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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